甕安大坪水文地質(zhì)—礦產(chǎn)勘查深孔施工技術(shù)

陳 濤，趙華宣，陳 浩，張 平，賈玉川，張承飛，王 虎

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義 563000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順 561000；3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽 550081）

1 工程概況

甕安大坪ZK301鉆孔位于貴州省甕安縣建中鎮(zhèn)水尾村大坪組，是為查明貴州省甕安縣大坪鉛鋅多金屬礦、磷礦區(qū)礦產(chǎn)儲(chǔ)量及上部含水層（燈影組）水文地質(zhì)條件而實(shí)施的水文地質(zhì)—礦產(chǎn)勘查結(jié)合鉆孔。該鉆孔通過水文地質(zhì)鉆探、降壓試驗(yàn)等工作手段查明了該地區(qū)燈影組水文地質(zhì)條件，為礦山地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)提供了依據(jù)；通過礦山地質(zhì)鉆探查明了礦層頂?shù)装逦恢?、礦層厚度等，為礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量計(jì)算及開采提供了依據(jù)。

2 地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)要求及施工難點(diǎn)

2.1 地層結(jié)構(gòu)特征

鉆孔設(shè)計(jì)及鉆探揭露地層結(jié)構(gòu)及特征見表1。

表1 設(shè)計(jì)及鉆探揭露地層結(jié)構(gòu)及特征表

2.2 地質(zhì)要求

（1）設(shè)計(jì)孔深950m，淺部碳酸鹽巖地層孔段孔徑不小于?219mm，下管封隔止水；水文地質(zhì)勘查目的層燈影組孔段孔徑不小于?122mm；含礦層段連續(xù)取芯，終孔孔徑不小于?75mm，鉆孔彎曲度不大于1°/100m；

（2）地質(zhì)勘查段采取率不小于70%，礦芯采取率不小于85%，礦層頂、底板各3～5m范圍內(nèi)采取率不小于80%；

（3）水文地質(zhì)勘查目的層燈影組鉆進(jìn)結(jié)束后先開展降壓試驗(yàn)，獲取水文地質(zhì)參數(shù)后再進(jìn)行礦層取芯鉆進(jìn)。

2.3 施工難點(diǎn)

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)要求高、鉆孔深度大，同一鉆孔實(shí)施水文勘查和地質(zhì)勘查，鉆孔結(jié)構(gòu)需多級(jí)變徑。

（2）水文勘查及以上孔段地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔徑及深度大，地質(zhì)勘查段取芯率要求高，單一水井鉆機(jī)或巖芯鉆機(jī)難以同時(shí)滿足上部大孔徑段和含礦層取芯鉆進(jìn)要求。

（3）采用牙輪/PDC鉆頭全面鉆進(jìn)工藝、空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝和繩索取芯鉆進(jìn)工藝等多工藝復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)。

（4）礦層以上孔段孔徑和深度大、鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙大，繩索取芯鉆進(jìn)高轉(zhuǎn)速鉆桿易折斷。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆探設(shè)備

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)水文地質(zhì)勘查、礦山地質(zhì)勘查施工工藝和規(guī)范及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求和鉆進(jìn)揭露地層結(jié)構(gòu)，鉆孔結(jié)構(gòu)如下。

（1）地表管：0.0～9.17m，孔徑?311mm，揭穿第四系進(jìn)入穩(wěn)定巖層3.17m，下?273mm×6mm套管并水泥固結(jié)止水；

（2）一開：9.17～325.94m，孔徑?245mm，進(jìn)入金頂山組粉砂巖隔水層5.94m，下?219mm×10mmJ55 石油套管并水泥固結(jié)止水，防止上部巖溶裂隙水進(jìn)入孔內(nèi)影響目的層（燈影組）水文地質(zhì)參數(shù)的真實(shí)性；

（3）二開：325.94～882.85m，孔徑?178mm，揭穿牛蹄塘組頁巖進(jìn)入燈影組白云巖約9.0m，下?146mm×7.5mmJ55石油套管并水泥固井護(hù)壁；

（4）三開：882.85～985.43m，孔徑?125mm，鉆至985.43m做洗井和降壓試驗(yàn)；

（5）四開：985.43～996.16m，為取芯工藝試驗(yàn)孔段，孔徑?114mm；

（6）五開：996.16～1065m，為繩索取芯鉆進(jìn)孔段，孔徑?77.5mm。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 鉆探設(shè)備

鉆探設(shè)備根據(jù)鉆探目的任務(wù)、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)工藝、地層條件、設(shè)備性能、環(huán)保等要求，使用“TSJ2000鉆機(jī)+XY6鉆機(jī)”組合滿足上部復(fù)雜地層及大孔徑孔段鉆進(jìn)和含礦層繩索取芯鉆進(jìn)要求，主要鉆探設(shè)備見表2。

表2 主要鉆探設(shè)備表

4 水文地質(zhì)鉆探施工技術(shù)

本孔鉆進(jìn)工藝及鉆具組合情況見表3。

表3 鉆井工藝及鉆具組合

4.1 牙輪鉆進(jìn)

表層段0.00～9.17m，采用?311mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)。

4.2 空氣潛孔錘鉆進(jìn)

一開段9.17～320m為巖溶裂隙發(fā)育及富水的白云巖和灰?guī)r，為提高鉆速和避免溶蝕裂隙引起的井漏等復(fù)雜情況，采用?245mm 空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝。使用2～3 臺(tái)空壓機(jī)（2.4MPa）組合送風(fēng)，采用塔式鉆具組合。鉆進(jìn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速48r/min、鉆壓10～20kN、風(fēng)量66/99m3/min、風(fēng)壓1.1～2.4MPa。

4.3 復(fù)合片鉆進(jìn)

二開段325.94～882.85m 為水敏性強(qiáng)、易縮徑及孔壁穩(wěn)定性較差的粉砂巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖，采用?177.8mmPDC 鉆頭全面鉆進(jìn)工藝，使用防塌性好和抑制性強(qiáng)的防塌聚合物體系鉆井液護(hù)壁。配方：1m3水+1.5～2.0kg純堿+40～50kg鈉土粉+2.0～2.5kg包被劑+2.0～2.5kg銨鹽+3kg無熒光防塔塌潤(rùn)滑劑；性能指標(biāo)：粘度35～40s、密度1.04～1.06g/cm3、失水10～12mL/30min、pH 值8～9。使用塔式鉆具組合防斜；鉆進(jìn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速48r/min、鉆壓20～40kN、泵量14L/s。

三開段882.85～985.43m是本勘查孔水文勘查降壓試驗(yàn)?zāi)康膶?，采?125mmPDC 鉆頭全面鉆進(jìn)。地層為局部裂隙發(fā)育、孔壁穩(wěn)定性好的白云巖，為減少和避免鉆井液對(duì)來水通道堵塞、降低洗井難度采用低至無固相鉆井液。配方：1m3水+1.0kg純堿+10～15kg鈉土粉+4～5kg 高粘CMC+2.0～2.5kgPAM；性能指標(biāo)：粘度32～35s、密度1.01～1.02g/cm3、失水10～12mL/30min、pH值8～9。

5 地質(zhì)勘查鉆探施工技術(shù)

四開、五開985.43～1065m 段是地質(zhì)勘查目的層，巖性硬脆及破碎且采芯率要求高。在上部孔段多級(jí)變徑且孔徑和深度大的條件下，對(duì)確保采芯率滿足設(shè)計(jì)要求的工藝及技術(shù)措施進(jìn)行了探索，在地質(zhì)管束縛支撐和石油取芯鉆具鉆進(jìn)試驗(yàn)存在風(fēng)險(xiǎn)高和采芯率低的問題后，采用高強(qiáng)度石油套管束縛支撐和繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)措施，滿足質(zhì)量技術(shù)要求的同時(shí)提高了鉆進(jìn)效率。

5.1 地質(zhì)管束縛支撐

地質(zhì)勘查深孔鉆探施工中多用金剛石+繩索取芯鉆進(jìn)工藝，本孔上部孔段孔徑大，鉆桿與套管間隙大，鉆桿高速旋轉(zhuǎn)撓度較大，鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生鉆桿折斷事故。在大孔徑段下入“?89mmD40 地質(zhì)套管+扶正筋塊”形成較小井筒以束縛支撐鉆桿。下至700余米因管材強(qiáng)度及絲扣連接不緊密而跑管，事故處理20余天。

5.2 石油取芯鉆具鉆進(jìn)試驗(yàn)

由于D40 地質(zhì)管作束縛支撐事故風(fēng)險(xiǎn)高不宜使用。為探索石油取芯鉆具在地質(zhì)勘查取芯中的應(yīng)用效果，引用四川康克石油科技有限公司生產(chǎn)的“ZCQ89-45A”單動(dòng)雙管取芯鉆具“內(nèi)管長(zhǎng)度4.23m、PDC+巴拉絲鉆頭（?114/45mm）”試鉆進(jìn)，試驗(yàn)段985.43～996.16m。因地層硬脆、破碎及鉆頭內(nèi)外徑級(jí)差大、鉆取巖芯直徑小、巖芯在內(nèi)管中碰撞磨損嚴(yán)重，鉆取巖芯破碎且基本無柱狀巖芯（見圖2），采芯率10%～53%不能滿足要求。采取調(diào)鉆壓、轉(zhuǎn)速、間隙及“燈籠爪+底噴金剛石鉆頭”等措施均不能提高采芯率，該工藝技術(shù)在硬脆及破碎地層鉆探取芯效果不理想。

5.3 高強(qiáng)度石油套管束縛支撐

鑒于上述兩種技術(shù)措施存在事故風(fēng)險(xiǎn)高、采芯率低的問題，為降低孔內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)和提高采芯率，只能采用金剛石+繩索取芯鉆進(jìn)工藝。為確保該工藝的順利實(shí)施，必須將上部大口徑井眼調(diào)整至與繩索取芯鉆具協(xié)調(diào)匹配的小口徑井眼，增加高速旋轉(zhuǎn)鉆桿的穩(wěn)定性和安全性。采用抗拉斷和折斷能力強(qiáng)的高強(qiáng)度“N80級(jí)?95mm×6.5mm石油套管+扶正支撐”的束縛支撐管柱:?95mm石油套管(接箍直徑?108mm、內(nèi)徑?80mm與?71mm 鉆桿環(huán)狀間隙合理)，套管接箍與孔壁間隙間焊接相應(yīng)尺寸扶正支撐裝置以確保管柱居中和穩(wěn)定，孔口厚鋼板托盤與孔口管焊接封閉和穩(wěn)定，防止雜物落入卡鉆，如圖3所示。

5.4 繩索取芯鉆進(jìn)

5.4.1 鉆探設(shè)備機(jī)具

設(shè)備選用HXY-6 型巖芯鉆機(jī)和BW-320 型泥漿泵，機(jī)具選用?71mm 繩取鉆桿、S75 單動(dòng)雙管繩索取芯鉆具、金剛石鉆頭。鉆頭根據(jù)地層軟硬程度采用表鑲金剛石鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，地層堅(jiān)硬致密時(shí)選用軟胎體孕鑲金剛石鉆頭，機(jī)具組合為?77.5mm 鉆頭+S75 單動(dòng)雙管繩索取芯鉆具+?71mm 繩取鉆桿，?77.5mm 鉆頭+S75 鉆具級(jí)配增大了環(huán)狀間隙、降低了循環(huán)壓耗并提高采芯率。

5.4.2 鉆進(jìn)參數(shù)

（1）鉆壓：金剛石繩索取芯鉆進(jìn)，破碎地層適當(dāng)減壓鉆進(jìn)；隨著鉆進(jìn)過程中金剛石鉆頭的磨鈍而導(dǎo)致的鉆進(jìn)速度下降，可逐漸平穩(wěn)增壓鉆進(jìn)，正常鉆壓為8～10kN。

（2）轉(zhuǎn)速：為減輕鉆具回轉(zhuǎn)對(duì)技術(shù)套管碰撞，保證管柱安全穩(wěn)定，采用鉆機(jī)低速檔和油門調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速為300～500r/min。

（3）流量：泵流量應(yīng)滿足上返流速為0.5～1.5m/s，以確保及時(shí)排除巖屑和冷卻潤(rùn)滑鉆頭，流量為40～50L/min。

5.4.3 鉆進(jìn)效果

（1）鉆進(jìn)效率：金剛石繩索取芯鉆進(jìn)進(jìn)尺69m，平均鉆速1.1m/h，平均日進(jìn)尺約12m，提高了鉆進(jìn)效率并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）采芯率：金剛石繩索取芯鉆進(jìn)鉆取巖芯呈柱狀（見圖4），礦層采芯率為95%～99%，礦層頂/底板采芯率為89%～99%，滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

6 鉆探施工效果

6.1 工藝效果

本孔終孔深度1065m，全面鉆進(jìn)進(jìn)尺985m，取芯進(jìn)尺80m，鉆孔周期83d，純鉆進(jìn)時(shí)間50d，臺(tái)月效率385m/月。

（1）空氣潛孔錘鉆進(jìn)進(jìn)尺317m，平均鉆速7.93m/h，綜合鉆進(jìn)效率約是常規(guī)方法的10倍，鉆進(jìn)效率和鉆探成本受孔內(nèi)涌水影響顯著，涌水量90m3/h時(shí)鉆速僅為2.5m/h。

（2）PDC 鉆頭鉆進(jìn)：二開進(jìn)尺557m，平均鉆速1.41m/h；三開進(jìn)尺102m，平均鉆速0.46m/h，因地層局部含硅質(zhì)鉆進(jìn)效率較低。

（3）高強(qiáng)度石油套管束縛支撐解決了上部大孔徑與繩索取芯鉆具不匹配問題，保證繩索取芯鉆進(jìn)施工安全。

（4）金剛石繩索取芯鉆進(jìn)進(jìn)尺69m，平均鉆速1.1m/h，平均日進(jìn)尺約12m，采芯率達(dá)89%～99%，提高了鉆進(jìn)效率和取芯質(zhì)量。

6.2 施工質(zhì)量

（1）水文勘查開展兩次降壓試驗(yàn)工作，上部下管固井止水效果好，獲取目的層真實(shí)準(zhǔn)確水文地質(zhì)參數(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足水文勘查要求。

（2）地質(zhì)勘查工作，含礦層平均采芯率達(dá)到95%，礦層采芯率為95%～99%、礦層頂/底板采芯率為89%～99%，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

（3）鉆孔終孔孔斜7.9°，鉆孔傾角變化率0.74°/100m，滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

（1）上覆存在復(fù)雜巖溶和水敏性地層的深部水文地質(zhì)勘查，合理的鉆孔結(jié)構(gòu)和下管封隔、護(hù)壁技術(shù)是獲取準(zhǔn)確地質(zhì)資料及安全高效鉆進(jìn)的前提保障。

（2）上部巖溶強(qiáng)發(fā)育、富水性地層，空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝有效避免了常規(guī)鉆進(jìn)工藝存在的鉆井液漏失、堵漏難度大、鉆進(jìn)效效低、施工周期長(zhǎng)及費(fèi)用高的難題。

（3）在大孔徑水文勘查深孔中開展地質(zhì)取芯鉆探，高強(qiáng)度石油套管束縛支撐可有效解決上部大孔徑與繩索取芯鉆具不匹配問題和避免斷鉆具事故，為繩索取芯工藝實(shí)施和鉆探安全提供技術(shù)保障。

（4）TSJ-2000 水井鉆機(jī)和HXY-6 巖芯鉆機(jī)的有機(jī)組合，解決了上部大孔徑段鉆進(jìn)和下部含礦層繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)難題，為今后類似工程提供了施工經(jīng)驗(yàn)。