武山礦區復雜地層鉆進綜合治理分析總結

秦品光,金杰明

（1.浙江省有色金屬地質勘查局，浙江紹興312000;2.甘肅省有色礦勘院，甘肅天水830011）

武山礦區復雜地層鉆進綜合治理分析總結

秦品光*1,金杰明2

（1.浙江省有色金屬地質勘查局，浙江紹興312000;2.甘肅省有色礦勘院，甘肅天水830011）

武山鉬礦礦區位于秦嶺褶皺帶北緣，祁、呂、賀山字形構造前弧西翼和六盤山帶狀構造西側3大構造體系的復合部位，斷裂構造特別發育，地層復雜，鉆進時，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現象時有發生。隨著孔深的增加，對復雜地層鉆進的綜合治理顯得尤其重要。針對武山鉬礦復雜地層的特點上，深入分析探礦施工中出現的各種孔內事故，總結歸納出鉆進臺效低、巖芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等3大主要問題，并針對這些主要問題，介紹適應本地層特點所采取的鉆探技術措施、相應對策及施工管理對策。

復雜地層；泥漿；鉆探工藝；半合管；射流式取芯鉆具

武山鉬礦位于武山縣溫泉鄉陳家大灣村，自2000年開始鉆探施工工作，逐年投入鉆探工作，并逐年加大工作量，隨著地質工作的不斷深入，礦體勘查逐步由尋找埋藏淺、易發現的淺表礦向埋藏深、識別難的隱伏礦體轉變，施工鉆孔越來越深，由于武山鉬礦地層復雜，鉆進時，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現象時有發生，因此，隨著孔深的增加，鉆孔過程中對復雜地層的綜合治理顯得尤其重要。

1 概述

1.1 工程概況

礦區為花崗巖地貌，中高山區地形，自1958年開始地表地質工作，2000年開始鉆探施工，在16線施工1個鉆孔，深 299m。2003～2004年，施工鉆探進尺1851.18m，2005年施工鉆探進尺1675.59m，2006年施工鉆探進尺1800m，2008年完成鉆探進尺3190.41m，2009年完成鉆探進尺11664.47m，鉆探工作量逐年增加，且多為中深孔鉆探施工。但因對該地層的復雜性對中深孔鉆探施工的不利影響認識不足，在技術和管理上沒有引起足夠的重視，因此，在起初的中深孔施工時造成了較大的經濟損失。

1.2 礦區地質條件

礦區位于天水市境內，大地構造位于秦嶺褶皺帶北緣，祁、呂、賀山字形構造前弧西翼和六盤山帶狀構造西側3大構造體系的復合部位，斷裂構造特別發育，以近南北向的斷裂構造為主，礦區內地層主要為淺部的印支期似斑狀黑云母二長花崗巖和深部的燕山期花崗斑巖，由于受強烈的地質構造作用，斷裂及節理裂隙十分發育，巖層十分破碎，施工困難。

1.3 施工設備及工藝

鉆機選用XY-4和XY-44型立軸鉆機，BW-250泥漿泵，14.5m四腳斜塔，S75重型繩索取芯鉆桿。這些設備能較好地滿足復雜地層、特別是武山復雜地層中深孔施工鉆進，S75重型繩索取芯鉆桿抗拉、抗扭強度大，能有效防止鉆桿脫扣、折斷事故的發生。

1.4 鉆孔結構及施工工藝

考慮到地層復雜，坍塌、漏失不可避免，須用多級口徑。所以，開孔用?150mm合金鉆頭鉆進，鉆進到穿過地面覆蓋層和強風化地層后，下人?146mm套管，換?110mm鉆具鉆進，換徑位置可在30～50m之間。?110mm鉆具鉆進到150m左右時，可換?91mm金剛石鉆具鉆進。如有?114mm套管，下?114mm套管，換?91mm鉆具鉆進，?91mm鉆頭可自由上下。?91mm鉆具鉆進到300m左右時，可下?89mm套管，換S75金剛石繩索取芯鉆具鉆進。?59mm作為備用口徑。

如下?108mm套管后，直接換S75金剛石鉆頭鉆進，可采用?76mm加大鉆頭，解決沖洗液環流間隙小、遇軟層憋泵、泵壓高、壓力漏失等問題。

2 施工中遇到的主要問題及其原因分析

由于本礦區斷層較為發育，地層較為破碎，同時斷層中存在“高嶺土化”層，軟硬不均，使得鉆孔壁較易出現漏水、縮徑、坍塌等自然現象發生，導致鉆探巖芯采取率低、塌孔甚至鉆桿折斷等孔內事故的出現，結果造成礦區的鉆探臺效大大下降。經分析總結認為，本礦區探礦施工中出現的主要問題可歸結為：鉆進臺效低、巖芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等方面。其原因分析如下：

2.1 鉆進臺效低

主要原因為：（1）地層十分破碎，軟硬不均，回次進尺低，常常是鉆進十幾公分，巖芯被卡死，不再進尺，不得不打撈巖芯。同時，每次打撈巖芯后，孔壁上的碎塊石落入井內，這些碎塊石都是花崗巖地層中風化殘余的角礫塊，硬度高，研磨性強，和裂隙中的砂粒混合在一起，包圍在鉆頭周圍，鉆頭轉動時，反復研磨鉆頭，因此，鉆頭要掃到孔底，十分吃力，除非把這些碎塊磨細，隨泥漿排出空外，否則，即使強行掃到孔底，一旦提鉆，這些砂粒和碎石塊又回落到原來的位置，致使鉆進過程中，掃孔時間多，鉆進時間少，情況嚴重時，一個新的鉆頭掃到孔底，鉆頭已經嚴重磨損，無法正常使用。（2）地層縮徑、垮塌。部分軟層鉆進時，受沖洗液中的水的浸泡，造成縮徑，導致泵壓升高，受高壓沖洗液的沖洗，加上鉆桿在井內震動，軟層坍塌，鉆孔超徑，鉆進過程中，鉆桿在此部分彎曲度增加，誘發鉆桿折斷、脫扣事故，增加了鉆進時間，加大了工人勞動強度，降低了生產效率。（3）本礦區斷裂層中，巖石蝕變后高嶺土化，形成“斷層泥”，鉆進過程中，斷層泥質物經沖洗液的沖刷，易和泥漿一起變成糊狀物，增加了泥漿的固相含量，鉆桿內壁易結泥皮，鉆探水泵損壞率高，加大設備維修時間，影響正常的鉆進工作。

2.2 巖芯采取率低

武山礦區地層斷裂十分發育，巖石松散、破碎，遇到鉆探擾動及一般泥漿沖刷極易散落開來，難以保證巖芯采取率；同時在斷裂層中，巖石蝕變后高嶺土化，多數細粉隨泥漿排出孔外，粗顆粒或懸浮于泥漿液中，或沉淀于井底，巖芯采取率低。

2.3 孔漏及孔壁坍塌

由于地層破碎，斷裂裂隙發育，且連通性好，幾乎每個鉆孔都出現泥漿漏失。部分地段，泥漿比重增加時，發生漏失，泥漿比重減小時，井內出現涌水。孔內涌水，造成孔壁坍塌，且將裂隙中的砂粒、碎石一起帶入井內，井內沉淀物越積越多，造成蹩泵，鉆桿折斷，甚至卡埋鉆事故。同時部分軟軟層受沖洗液浸泡出現縮徑現象，使該處環狀過流面縮小，流速加大，沖蝕孔壁，加上回轉鉆桿產生激振的影響，造成該處孔壁坍塌超徑。

3 技術措施及相應對策

3.1 泥漿選型

（1）無固相沖洗液。剛進入武山礦區鉆探施工時，使用無固相聚丙烯酰胺沖洗液，該沖洗液潤滑性能好，固相含量低，鉆桿不結泥皮，宜于繩索取芯鉆進。但對于坍塌、漏失層，因其失水量較大，護壁及防漏失性能均不好，只能采用套管護壁，因此需反復擴孔，起下套管，不適宜深孔鉆進中處理深部破碎、坍塌、漏失層。

（2）高固相泥漿。為解決頻繁擴孔、起下管套問題，改用膨潤土泥漿，用優質膨潤土粉+CMC+純堿，這種泥漿較好地改善了破碎地層中坍塌、漏失問題，但泥漿粘度過高，泥漿比重較大，巖粉無法沉淀，常出現井內憋泵，鉆桿結泥皮，內管投放不到位，打撈不起以及粘鉆、卡鉆、水泵事故頻繁等問題。

（3）接枝淀粉共聚物泥漿。采用北京市探礦研究所研制生產的接枝淀粉共聚物配制泥漿，配方為2%～5%鈉膨潤土+0.2%～0.4%接枝淀粉共聚物。該泥漿的特點是水溶后形成體型網狀結構，在巖芯表面吸附形成膠膜，濃度越高，形成的膠膜也越厚、越密實。因此，護芯護壁效果好，且該泥漿表觀粘度也較高，排粉能力較強，能較好地排除井底巖粉。并解決了泥漿巖粉不沉淀，鉆桿內結泥皮問題。2009年，該礦區ZK16-7孔用此泥漿液完成設計孔深800m、傾角87°鉆孔。施工深度811.9m，用時2個月零3d，創造了該工區S75金剛石繩索取芯鉆進深孔最好成績。

3.2 鉆頭選擇

針對武山地質條件及地層情況，邀請了數十家鉆頭生產廠家，帶各自產品到礦區進行實驗，并取有代表性的巖樣到部分鉆頭生產廠家做專門的試驗，通過現場實驗發現：唇面形狀為同心圓或大鋸齒狀，金剛石顆粒較大者（粒度為60～80目），濃度為100%，胎體硬度HRC為30～35的鉆頭適宜于武山礦區鉆進。

3.3 使用半合管鉆具及射流式取芯鉆具

根據本礦區地層分布情況及其巖性特征，為確保各層鉆探取芯采取率，經過實踐確定：在土質全風化巖層采用半合取芯管鉆具取芯，在巖質類地層采用射流式取芯鉆具取芯。

半合取芯管為單動雙管鉆具，其取芯管為可分離的2個半開管，鉆進時，2個半管合為一個完整的圓管做取芯管，鉆機后獲取巖芯時，將其中的一半拿開，巖芯原狀不動地放在另一個半管內，避免破碎巖芯在退芯時被人為破壞，保持巖芯的原狀結構。

射流式鉆具為單動雙管鉆具，是用于硬、脆、碎地層及軟硬互層地層鉆進的特殊取芯鉆具，其原理為沖洗液經水道噴嘴射入承噴室后，在取芯管上部形成負壓，給內管中的巖芯一個上浮力，使巖芯懸浮在沖洗液中，巖芯之間不發生自磨，有效提高巖芯采取率。

3.4 鉆進工藝參數

對于完整地層地段采取常規的鉆壓、轉速、泵量等鉆進工藝參數鉆進，一般能保證鉆進臺效。但對于復雜地層鉆進，鉆進工藝參數要根據相應的地層進行調整。在本礦區的復雜地層鉆進時，鉆進參數基本控制在中低壓、低轉速、小泵量（采用射流式取芯鉆具時采取中等泵量）進行。因為在破碎復雜斷裂地層中鉆進時，如果鉆壓太大，容易發生鉆桿彎折，造成鉆桿折斷事故，同時也易因切巖不均勻接觸而損壞金剛石鉆頭，導致金剛石過度的損耗，降低鉆進效率；在高轉速下，鉆具會因孔底破碎不均而發生強烈振動，發生孔內事故，同時鉆頭底部出露的金剛石很快被地層損耗或拋光，同樣降低鉆進效率；在破碎復雜斷裂地層中鉆進，地層會因泵量的加大而受到沖刷發生坍塌，泥漿更易出現漏失。同時，鉆頭破碎巖石所產生的巖屑數量較少，也沒必要使用大泵量，因此，在破碎復雜斷裂地層中選用小泵量鉆進，既保證孔壁不發生坍塌，又確保達到泥漿冷卻金剛石鉆頭的目的。通過的摸索、實踐，優選鉆進參數為：鉆壓在4～7kN之間，轉速控制在150～250r/min，泵量控制在55L/min左右（漏失時75L/min）。

4 鉆探生產管理主要對策

4.1 做好施工組織設計，堅持先入為主

施工前，要根據鉆孔理想柱狀圖及以往施工經驗，對施工中所出現的問題做全面分析、判斷，制定相應的施工方案，采取必要的預防措施和處理措施，并對機組人員做明確的交待，引起大家思想上足夠的重視，精心準備，細心操作，沉著應對。

4.2 充分調動廣大職工的積極性

人是生產力中最活躍、最主要的因素，充分調動人的積極性和能動性，將會極大地提高勞動生產效率。積極采取各種有效途徑，加強管理，提高職工待遇，實行職工工資和鉆進施工效益掛鉤，較好地調動了職工的積極性。

4.3 加強機班長總結交流工作

復雜地層鉆進是一個探索性工作，要求施工人員要不斷總結操作經驗，彼此間交流可以最大程度地減少錯誤及不必要損失的再次發生，以提高鉆進效率。其中，提高鉆進小時效率的主要途徑是合理控制鉆進參數，即壓力、轉速、沖洗液量。施工技術人員和機班長要結合地層情況，精心操作，總結施工經驗。通過不斷總結和提高鉆進技術，熟練地采用最佳鉆進施工技術參數，以不斷提高生產效率，提高經濟效益。

4.4 做好交接班工作

鉆進施工時，各班除了做好本班的工作之外，要確實做好班與班之間的交接工作，當班鉆進的井內情況，地層類型，井內鉆桿的數量、鉆具的長度及使用情況，機械運轉情況以及需要注意的事項，要向下一班詳細交代清楚，特別是處理事故時，要把本班處理的情況、采用的方法、下步的打算確切地交代清楚，避免走彎路。

5 結語

復雜地層鉆進是一項細致而艱巨系統的工作，不僅要處理好地質與探礦、護壁與鉆進、鉆進臺效與巖芯采取率的關系，還要解決好鉆探經驗與鉆探新技術、新工藝、新材料的作用關系、眼前問題與長期發展的關系，遇到問題需要我們冷靜地、系統地分析、解決，需要我們不斷總結，探索經驗，綜合運用每項技術技能，唯有如此，才能不斷克服難關，使鉆探技術日臻完善。

[1]高森.鉆探工藝學[M].地質出版社，1980.

[2]曾毓榮.復雜地層鉆進中鉆孔的護壁與堵漏技術[J].江西煤炭科技1994（4）：11-12.

[3] 陶士先.鉆探沖洗液講義[E].甘肅有色地勘局鉆探培訓，2010.

[4]趙爾信.精細、原位、保真取樣技術的進展[E].甘肅有色地勘局鉆探培訓，2010.

P634.5

B

1004-5716(2015)02-0036-03

2014-03-20

2014-03-25

秦品光（1965-），男（漢族），安徽淮北人，高級工程師，現從事探礦工程工作。