許家咀礦區復雜地層鉆探施工技術方法改進

朱益明，張 軍，胡 飛，張 云

(湖北省鄂東南地質大隊環宇勘察院，湖北大冶 435100)

0 引言

許家咀礦區屬于湖北省大冶陽新巖體西北段銅鐵金多金屬礦整裝勘查項目子項之一。其為接觸交代矽卡巖型礦床，是湖北省整裝勘查重要找礦成果之一。

1 地質概況

1.1 地層巖性

礦區地表全部被第四系土層覆蓋，其下主要地層巖性為:泥質粉砂巖、角礫巖、大理巖化石灰巖、玄武巖、閃長(玢)巖及矽卡巖等。巖石的可鉆性在4～9級之間，其中大部分巖石可鉆性為7～9級。

1.2 地質構造

礦區位于陽新巖體與大冶湖斷陷盆地過渡地段，地質構造復雜，斷層發育。受燕山期構造運動影響，大冶湖斷陷盆地有大量火山噴發玄武巖分布，巖漿巖侵入形態復雜，礦體產狀陡傾。

1.3 水文地質條件

礦區地層裂隙、溶洞發育，周邊數個大中型礦山采礦疏排地下水，導致本礦區地下水位已下降至－300 m以下。

2 施工情況

2.1 鉆探設備與鉆孔結構

鉆探設備采用XY-44型和HXY-6B型立軸式巖芯鉆機，礦區施工高峰時有5臺鉆機同時開動。

2010年項目啟動時，參考相鄰的雞冠咀礦區施工經驗，鉆孔結構按“四級口徑，三級套管”設計，采用Φ130 mm口徑開孔，Φ75 mm口徑終孔，其中Φ130 mm、Φ110 mm和Φ91 mm為普通合金和單管金剛石鉆進工藝;Φ75 mm口徑采用S75繩索取芯鉆進工藝。主要施工流程是:采用Φ130 mm口徑開孔，鉆穿第四系土層后下入Φ127 mm套管，用Φ110 mm口徑穿過淺部風化層和溶洞，下入Φ108 mm套管護壁。當Φ108 mm套管下好后，用 Φ91 mm口徑過渡到Φ75 mm口徑施工，再用S75繩索取心工藝鉆進至終孔。Φ89 mm套管作為技術套管，視地層情況再決定是否下入。在遇到地層破碎、掉塊嚴重、沖洗液大量漏失等無法裸眼鉆進的情況時，才會擴孔下入Φ89 mm套管護壁。

2.2 施工情況

該礦區自2010年12月開始鉆探施工，2011年只完成1 058.27 m，為全年計劃的10%;2012年完成3 509.81 m，不到全年計劃的50%。鉆探進度嚴重滯后，影響到整個整裝勘查項目的進展。

礦區平均孔深 1 055.30 m，其中終孔深度在1 000 m以上的鉆孔占 66.7%，最深 ZK2501孔1 512.11 m，斜孔占75%。礦區為水敏性、高應力地層，易坍塌、易垮孔，漏失嚴重。由于該礦區地層復雜，鉆探施工難度大，使得孔內事故頻發，從而導致施工周期長，成本高、鉆探效率低。經統計，2011年平均臺月效率為146 m/臺月，與相鄰的雞冠咀礦區487.3 m/臺月效率相比，差距很大。

3 地層特征

3.1 水敏性地層

礦區內主要地層巖性為泥質粉砂巖、泥質膠結的角礫巖、強高嶺石化閃長(玢)巖及強高嶺石化玄武巖。這些地層有一個共同特點就是水敏性強，遇水容易膨脹剝落，導致坍塌、掉塊、縮徑嚴重。且這些地層厚度大(最大厚度可達300 m)、埋藏深(埋深300～650 m，最深達750 m)，從而導致夾鉆、埋鉆和燒鉆等孔內事故頻繁發生。如ZK2101孔、ZK2102孔及ZK2101-1孔均有這類地層(照片1)，其中前兩孔分別耗時1年和8個月，始終無法有效鉆穿此段地層而使鉆孔報廢。而石灰巖、閃長巖等硬巖則因高地應力的作用，在巖芯取上地面后1－2 d內會發生崩裂(照片2)，在孔內表現為掉塊和垮孔卡鉆［1］。

照片1 強高嶺石化玄武巖Photo 1 Basaltwith strong kaolinizatio

照片2 崩裂的巖芯Photo 2 Bursting core

3.2 地層松散破碎和溶洞發育

該礦區地質構造復雜，地層裂隙極發育，巖石風化強烈，巖芯呈松散的碎塊狀、散粒狀，伴有強烈的泥化現象。大理巖化石灰巖則溶洞發育，易造成孔斜，鉆桿折斷等事故，增大了鉆探施工難度。

3.3 沖洗液漏失嚴重

礦區地層溶洞、裂隙發育，周邊礦山疏排地下水，導致本礦區地下水位已下降至－300 m以下。在此孔段普遍漏水嚴重，需頂漏鉆進。泥漿材料消耗大，易發生卡鉆、埋鉆、燒鉆等孔內事故。且沖洗液漏失后，孔壁內外壓差增大，更易造成井壁坍塌引發孔內事故(見圖1)。

3.4 礦層產狀陡、斜孔多

因礦層產狀陡，鉆孔大部分設計為斜孔，且要求鉆孔彎曲度≤1°/100 m，頂角允許偏差要求高于規范［2］，增加了施工難度。導致個別鉆孔的頂角偏差超過設計要求，且通過糾偏后依然無法滿足設計要求而報廢。

圖1 孔壁內外水壓力示意圖Fig.1 Schematic diagram of externalwater pressure in hole wall

4 施工技術方法的改進

為加快鉆探工作進度，針對礦區地層、構造和水文地質特點，本院于2012年4月開始進行泥漿試驗;2013年3月成立了提高許家咀礦區鉆探效率的QC小組，在礦區全面推行化學泥漿護壁和多級口徑繩索取芯鉆進工藝。

4.1 鉆孔結構與鉆探工藝的優化改進

將原“四級口徑，三級套管”鉆孔結構優化為“五級口徑，四級套管”的鉆孔結構。首先用Φ150 mm口徑開孔，鉆穿第四系土層后下入Φ146 mm套管，孔深約15～20 m，再用Φ130 mm口徑穿過風化層和淺部溶洞，下Φ127 mm套管隔離風化層和溶洞，套管下入深度約100～200 m。利用繩索取芯鉆具滿眼鉆進、不倒桿、提大鉆(次數少，對井壁破壞小)的優點，采用JS113繩索取芯鉆具，鉆至地下水位以下(孔深約300～350 m)，下入Φ108 mm套管護壁，使孔內沖冼液能夠連續上返到孔口，進行攜渣排粉。換用S95繩索取芯鉆具，采用化學泥漿護壁，打穿強水敏地層(孔深約500～650 m，最深742 m)，及時下入Φ89 mm套管護壁，最后用S75繩索取芯工藝+化學泥漿護壁鉆進至終孔。

4.2 沖冼液的改進

礦區原先主要采用PHP+清水+皂化油的無固相泥漿和膨潤土+純堿+清水的低固相泥漿護壁，上述兩種泥漿無法有效抑制地層的水敏性。為解決鉆孔垮、埋、卡引起的孔內事故多發，施工進度慢等鉆探施工難題，于2012年4月開始，對礦區代表性巖芯樣品進行室內泥漿浸泡試驗(圖2)和沖洗液野外生產試驗，重點研究抑制水敏性地層的泥漿，經過不斷摸索與改進，最終選擇在低固相泥漿中加入PHP、CMC、腐植酸鉀，并根據需要添加了廣譜護壁劑及磺化瀝青等材料，配制成化學泥漿。現場保持泥漿比重1.05～1.10 g/cm3，粘度30 ～35 s，pH=8 ～10，因無專門泥漿測試儀器，其它指標未作測定。

4.3 護壁與堵漏技術方法的改進

針對礦區地層漏失嚴重的問題，改進堵漏方法。一是根據地層漏失程度，在泥漿中加入磺化瀝青或鋸木等惰性材料堵塞較小的地層裂隙來減少沖冼液漏失量;二是采用高標號水泥(42.5 MPa)封孔，并在水泥漿中加入三乙醇胺或水玻璃加速水泥漿的凝固，對漏失嚴重和局部垮塌孔段進行封堵加固;三是在穿過強漏失地層后，及時下套管隔離。該礦區單孔下入各口徑套管總長度與孔深之比為0.69∶1～1.05∶1(表1)，通過以上三種護壁與堵漏措施的綜合使用，保證沖洗液能夠正常循環上返，達到攜粉排渣目的。

表1 部分鉆孔下入套管統計表Table 1 Statistical table of under－balanced casing

4.4 現場管理工作的改進

在施工中，根據生產情況及時改進施工現場的鉆探管理工作。

(1)改進泥漿循環系統，增加泥漿循環槽的長度，加大泥漿池的容積，增大清理泥漿沉淀池的頻率，清除泥漿中的固相物。

(2)做到每班測試泥漿性能，保證泥漿性能的穩定，并根據孔內地層變化和沖冼液漏失情況，及時調整泥漿材料配比及其性能參數。

(3)做好施工設備維護保養，加強現場鉆桿、鉆具、套管等管材的檢查力度，杜絕劣質或磨損嚴重的管材下入孔內。

(4)加強測斜管理，增加測斜頻率。在施工中除了地質設計規定要求的每50 m(直孔100 m)測斜外，還采用精度更高的陀螺測斜儀進行鉆孔測斜與糾偏，保證鉆孔頂角與方位角符合設計要求。

5 效果

自2012年6月在礦區范圍內開始試驗新的泥漿配方以來，鉆孔垮塌現象明顯減少，孔內卡鉆、埋鉆事故大幅下降。2012年平均臺月效率為268.7 m/臺月，比2011年提高84%。2013年在礦區全面推行化學泥漿護壁，延長了護壁時效［3］，提高了水敏性地層孔壁的穩定性，結合繩索取芯鉆進工藝滿眼鉆進，不倒桿，提大鉆周期長，對井壁破壞小的優點，采用JS113、S95和S75多級口徑繩索取芯鉆進工藝，既提高了鉆孔的安全性，又加快了施工進度。2013年完鉆的7個84°～88°斜孔平均孔深1 156.51 m，最深1 512.11 m。雖然鉆孔深度和鉆孔施工難度較往年增加，但施工進度顯著加快。在開動鉆機臺數與2012年持平的情況下，完成進尺8 095.54 m(為上年的2.3倍)，鉆探效率提高到328 m/臺月，鉆孔質量亦明顯提高。

6 結語

針對許家咀礦區復雜地層，通過優化鉆孔結構，發揮繩索取芯鉆進工藝的優點，采用多級口徑繩索取芯鉆進工藝，合理選擇與及時調整沖洗液配方，綜合使用泥漿堵漏與套管護壁技術，改進現場鉆探管理工作，針對性地解決了許家咀礦區復雜地層鉆探施工技術難題，為本地區同類地層鉆探施工提供了經驗借鑒。

［1］蔣兵，劉勇，謝德芳.九瑞礦集區復雜地層鉆探施工技術［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2013，40(增刊):139 －140.

［2］王達，趙國隆，等.地質巖心鉆探規程［M］.北京:中國標準出版社，2010.

［3］尹建國，楊增智.金龍山礦區復雜地層鉆進技術［J］.探礦工程:巖土鉆掘工程，2013，40(增刊):144 －146.