哈達門溝金礦區100ZK13906孔復雜地層施工工藝及認識

張純歌，李景東

（武警黃金第一總隊，黑龍江 哈爾濱 150086）

哈達門溝金礦區100ZK13906孔復雜地層施工工藝及認識

張純歌*，李景東

（武警黃金第一總隊，黑龍江 哈爾濱 150086）

介紹了哈達門溝金礦區復雜地層的巖性結構構造情況，典型鉆孔的施工工藝和護壁堵漏措施，分析了發生孔內坍塌的原因及處理方法，提出了對含多層破碎蝕變帶鉆孔的施工認識。

復雜地層；護壁堵漏；鉆進工藝；認識；哈達門溝礦區

1 礦區概述

1.1 工程概況

哈達門溝金礦區巖金普查屬黃金專項業務費項目，工作區位于內蒙古包頭市境內，是全國首批優選的47個重點整裝勘查區之一。我部自1986年在該區開展巖金普查以來，截止2013年已累計完成鉆探近60000m，探獲金資源量超百噸，現仍具有較大的找礦前景。100號脈是2014年重點勘查的主要礦體之一。

1.2 礦區地層及構造

礦區內出露的地層主要為中太古界烏拉山(巖)群第一巖組及第二巖組的一部分，第一巖組2個巖性段分別為黑云角閃斜長變粒巖（Ar2wl1-1）、含榴石黑云斜長片麻巖（Ar2wl1-2）；第二巖組第一巖性段，巖性是黑云角閃斜長片麻巖（Ar2wl2-1），是一套原巖為火山—碎屑巖建造的中—高級變質巖。其中第一巖組第二巖段、第二巖組第一巖性段是金礦體的主要賦存層位。

區內構造運動強烈，構造復雜，褶皺、斷裂發育。斷裂構造從形成時間上可分為成礦前、成礦期和成礦后的斷裂。成礦前的斷裂多被早期花崗偉晶巖、輝綠玢巖脈、閃長巖脈充填。成礦期的斷裂構造主要是礦區南部有一條鉀長石化破碎蝕變巖帶，走向北東65°，傾向北西，延長十余公里，破碎帶寬幾十米—百余米，構造角礫到處可見，并發生強烈的鉀長石化、硅化、碳酸鹽化，交代完全時原巖成分不易辨認。成礦后的斷裂分為北東向、北西向和北東東向3組。北東向斷層組均為平移逆（斜）斷層，壓扭性結構面，該組斷層向南西方向散開，向北東方向收斂，呈帚狀展布，破碎帶成分主要為碎裂的片麻巖，泥質占30%左右，結構松散，用手揉擦有砂礫感覺。北西向斷層傾向南西，傾角70°左右，是正斷層。兩側巖層位移200m左右，斷層的斷距較大，將北東向斷層錯斷。北東東向斷層走向70°左右，傾向北西，傾角在70°～80°之間，斜切礦體，并形成較大的斷空區，對礦體的破壞較大。

1.3 變質作用

礦區長期受南北向的擠壓應力影響，從南向北在工作范圍內形成一個逐漸減弱的動力變質帶，不僅發育一系列斷裂破碎帶，而且形成了各種動力變質的巖石。按其破碎程度和巖石性質，可分為斷層角礫巖、糜棱巖及碎裂質巖石。

斷層角礫巖主要分布在斷裂破碎帶之內，礦區南側的鉀長石化蝕變巖兩側，經常可以見到幾米—數十米的角礫巖帶，硅質膠結，有時為碳酸鹽膠結。

碎裂巖在礦區內非常普遍，特別是在礦體及其頂底板圍巖中非常發育，呈碎裂結構，壓碎構造，巖塊多呈尖棱角狀、不規則狀。

糜棱巖化巖石主要分布在構造破碎帶附近，在礦區西部的大壩溝兩側發育，在礦體的局部地段有出露。由于受動力變質作用，多數長石、石英已成較細的碎粒，并沿一定方向分布，少數石英呈粒斑出現。

2 100號脈及ZK13906巖性情況

2.1 100號脈情況

100號脈位于大壩溝兩側，賦存于東西走向、傾向南、長度大于2800m、寬約50m的破碎蝕變帶中。破碎蝕變帶風化面呈褐色、土黃色、灰綠色、新鮮面呈灰色、肉紅色、灰綠色，主要成分為碎塊65%±，膠結物35%±，局部膠結物可達到80%以上。碎塊成分主要為含榴石二長片麻巖，其次為鉀硅化蝕變巖，普遍具有綠泥石化、碳酸鹽巖化、褐鐵礦化、黃鐵礦化；膠結物主要為細粒或微細粒的泥質、粉砂質物質，具有較強烈的綠泥石化、碳酸鹽巖化，金礦（化）體主要為破碎帶中的鉀硅化蝕變巖和蝕變片麻巖。礦石類型為以鉀硅化蝕變巖型為主，其次為石英脈、蝕變片麻巖，具有碎裂結構、糜棱結構，浸染狀結構，呈塊狀構造、蜂窩狀構造、條帶狀構造。礦化多以褐鐵礦化、黃鐵礦化、鏡鐵礦化為主，少量為黃銅礦化、方鉛礦化，蝕變以鉀化、硅化為主，其次為碳酸鹽化、綠泥石化。

2.2 100ZK13906巖性情況

100ZK 13906，設計孔深610m，開孔方位角0°，傾角83°，終孔孔深610m。該鉆孔分別在12.5～20.3m、47.4～49.3m、273.4～296m、468～525.1m、553.9～559.5m、563.7～585.7m存在強烈的構造破碎蝕變帶，灰白-灰綠色，土狀、碎裂結構，松散狀構造，泥砂質60%～65%，巖石碎屑35%～40%，膠結物為綠泥石、碳酸鹽、高嶺土，巖石碎屑為黑云角閃斜長片麻巖、蝕變片麻巖、含榴石二長片麻巖，發育鉀化、硅化、碳酸鹽化（圖1）。并在143.1～145.9m含一層斷層泥，灰白色，土狀結構，松散狀構造，泥砂質95%，其它5%，發育綠泥石化、碳酸鹽化、高嶺土化。其它相對蝕變不強地層巖性為花崗偉晶巖、黑云角閃斜長片麻巖、含榴石二長片麻巖、鉀硅化蝕變巖及石英脈等，但裂隙較發育。

圖1 礦區典型破碎蝕變帶巖

2.3 施工難點

通過以往在該區的施工，200m以淺多表現為破碎、漏失，嚴重時不返水，且整個礦區受地質作用的影響，存在深度難以估測、多層位、厚度不等的蝕變破碎帶，主要由綠泥石、高嶺土等組成，內含大量角礫，一旦鉆井液性能不良，不能有效保護孔壁穩定，引發孔內坍塌，鉆具回轉阻力增大甚至蹩憋車，無法正常鉆進。因此，必須使用優質鉆井液護壁。遇漏失時，則必須進行堵漏，否則，鉆井液成本急劇升高。堵漏與護壁是該區的2個施工難題。

3 鉆進工藝

3.1 鉆進方法及鉆孔結構

采取金剛石繩索取芯鉆進工藝，使用抗拉、抗扭強度大的JS98、JS75繩索取芯鉆具及配套的鐓粗鉆桿，防止發生鉆桿脫扣、折斷等事故。鉆頭外徑加大到?98mm和?76.5mm，解決液流環狀間隙小、泵壓偏高的問題。

因該地區地表覆蓋層較薄，通常開孔即為基巖，且巖石硬度較大，大徑開孔或頻繁擴孔、下套管、換徑，施工效率低，故鉆孔結構比較簡單。采用?122mm開孔鉆進至10.1m，下?114mm孔口管10.26m，換用?98mm繩索取芯金剛石鉆進至221.8m，隔離上部破碎、漏失孔段，直接將?91mm鉆桿作為套管下入222.2m，然后改用?76mm鉆頭鉆進至終孔610m。

3.2 鉆進參數

廣泛收集礦區鉆探施工資料，根據地層情況、巖石性質（礦區內以片麻巖為主的變質巖層，褶皺、斷裂構造十分發育，中等研磨性，可鉆性7～9級，個別地層達到10級）確定鉆進參數。

3.2.1 鉆壓

礦區地層復雜，破碎帶極多并伴有綠泥石化地層，軟硬互層交替比較頻繁，可鉆性范圍大，對鉆壓的最優值選擇不易控制。因此鉆進過程中根據所遇地層和鉆速情況，對鉆壓進行有效地調整，鉆壓調整范圍控制在?98mm繩索取心金剛石鉆進8～18kN,?76mm繩索取芯金剛石鉆進5～12kN。完整巖層可取大值，破碎蝕變巖層及漏失層鉆壓要小，防止鉆具彎曲發生孔斜、回轉阻力增大或進尺過快。

3.2.2 轉速

因礦區巖層陡立且破碎，蝕變巖層較軟，不宜開高轉速，轉速控制在187～597r/min之間，?98mm繩索可略低，在漏失嚴重及蝕變巖層地層中，轉速不得超過360r/min，保證冷卻鉆頭和排粉。

3.2.3 泵量

滿足清除巖粉、冷卻鉆頭和保護孔壁，為減少對孔壁的沖刷，沖洗液量不宜過大，采用50～70L/min。

3.3 堵漏措施

開孔即不返水，頂漏鉆至10.1m后，下套管堵漏。38～45m出現部分漏失，采用803堵漏劑配5%漿液從孔口倒入60kg，堵漏成功返水正常。136～142m，漏失嚴重、不返水，采用803堵漏劑+鋸末+羊糞+聚丙烯酰胺漿液配成糊狀，從鉆桿內倒入，堵漏成功返水。187.3～191.5m，不返水，上述方法堵不住，采用膨潤土50%+803堵漏劑20%+鋸末10%+聚丙烯酰胺漿液(10%)，并摻入一定量的棉絮，做成泥球，用塑料紙包住，將鉆頭取下，從鉆桿內投入孔底約7m，提鉆后將鉆桿下頭用變絲接手封堵后，下入孔底，連擰帶壓，將堵漏材料壓入裂隙，后循環掃孔，堵漏成功，返水正常。在將?91mm鉆桿作為套管下入前，鉆桿底部連接套管靴，便于有掉塊時掃孔。為防止套管底部漏失，使巖粉沉淀于套管外間隙，在下套管離孔底3～4m時，從套管內投入泥球4m，反復碾壓后下入套管，便于起拔套管。

3.4 分層鉆進的護壁措施

0～10.1m，開孔采用細分散泥漿。配方1：鈉質膨潤土5%+0.05%堿（也可不加堿或正常加量的1/3左右）,沖洗液性能:密度1.04～1.05kg/L，粘度40～48s，失水量15mL/30min。

10.1 ～221.8m，地層斷續存在不同程度漏失，在做好堵漏的基礎上，采用加入隨鉆堵漏劑的低固相泥漿。配方2：鈉質膨潤土2.5%～4%+Na-CMC0.1%+磺化瀝青0.5%+高粘堵漏劑0.3%。沖洗液性能:密度1.04～1.05kg/L，粘度35～40s,失水量14mL/30min。

221.8 ～490m，地層完整與破碎蝕變帶間雜，局部孔段蝕變破碎嚴重，泥砂伴有角礫。利用植物膠的成膜性和潤滑減振性，配制植物膠泥漿。配方3：鈉質膨潤土2.5%～3.5%+SH-1植物膠1%+Na-CMC 0.1%+聚丙烯酰胺0.1%。密度1.03～1.04kg/L，粘度30～35s,失水量12mL/30min。

466.5 m—終孔，地層較為破碎，鉆孔局部發生垮塌，配方4：在上述配方的基礎上，加入磺化瀝青0.3%～0.5%，低熒光防塌護壁降失水劑0.3%～0.5%，包被劑水解聚丙烯酰胺0.1%，隨鉆堵漏劑0.2%。性能指標為：密度1.03kg/L，粘度35～40s，pH值9，失水量10mL/30min。

4 孔內事故處理及原因分析

4.1 事故經過

該孔施工至466.5m處時，由于當班膨潤土未充分預水化，按配方加量配制時，粘度達不到性能要求，為提高粘度盲目將膨潤土加量提高到5%，待循環兩回次后，泥漿粘度急劇升高到60s左右，未及時進行調整，繼續鉆進時泵壓升高，回轉阻力大，泥漿上返量少，無法正常鉆進。決定上鉆，上鉆時也進行了回灌，但因泥漿過稠效果不好。上鉆后發現，鉆頭底部被泥砂質巖芯全部堵死。按原配方配好泥漿后重新下鉆，在280m處下不到底，上下竄動掃孔時只要下到280m處則泵壓急劇，鉆井液返出量減少，提離后則泵壓隨即降低、返水量增大，掃近兩個小時仍沒有效果，重新上鉆后發現，下擴孔器處有嚴重的磨損凹槽（如圖2）所示，幾近折斷，孔內的不完整地層發生坍塌。

圖2 磨損的下部擴孔器

4.2 事故處理

按配方4調配泥漿，加入抑制劑磺化瀝青，低熒光防塌護壁降失水劑控制失水量，加入包被劑水解聚丙烯酰胺以更好沉淀巖粉，加入隨鉆堵漏劑封閉孔壁毛細管道，配制好的泥漿粘度控制在35～40s，失水量10mL/30min。更換鉆具下鉆，自280m開始緩慢掃孔，邊掃邊將原有泥漿逐漸全部替換掉。掃孔時，要有耐心，不得追求進尺盲目加壓和開高轉速，泵壓升高時馬上頂起，邊掃邊磨邊排，將孔內坍塌物尤其是上返困難的粗顆粒物磨碎排上來，泥漿性能達不到要求要及時更換。每掃孔3～4h要提鉆檢查鉆具尤其是下擴孔器情況，防止斷鉆。掃孔歷時124h到達孔底，實現正常鉆進。

4.3 原因分析

盡管泥漿粘度大對孔壁沖刷小、攜粉能力強，但因流動性差，造成泥漿返出孔口困難，循環壓力增大、泵壓高、失水量大，滲透性強地層會造成泥漿循環漏失，使不穩定地層吸水后膨脹剝落，護壁效果不好。發生坍塌后，大量的粗顆粒物被沖頂在下擴孔器處難以排除，進一步造成泵壓升高。上鉆時回灌未及時壓住地層，形成“活塞”效應，加劇孔內構造破碎帶內泥砂和粗顆粒物崩落。

5 幾點認識

該孔共施工58d，鉆進637回次，平均回次進尺不足1m，處理事故和堵漏耗時較長，但成功終孔。通過對該孔多層破碎蝕變帶的施工，主要有以下認識：

（1）復雜地層鉆進施工，必須在鉆前制定周密詳盡的鉆井液設計方案，不僅有針對地層的不同配方，還要有發生性能改變后的調整方法，施工中要隨時監測鉆井液的性能，性能達不到要求不得盲目鉆進。膨潤土必須充分預水化，化學處理劑要預溶成溶液后添加。鉆井液粘度應控制在35～40s，否則會造成因循環壓力大壓裂地層，也不利于地表巖粉沉降。

（2）?95mm繩索取芯鉆進工藝較適合含多層破碎蝕變帶地層施工。實踐證明，使用?95mm繩索取芯鉆進效率較?75mm僅略有降低，復雜地層鉆進施工，?95mm繩索取芯鉆進應盡可能鉆進深些，然后將?91mm繩索鉆桿連接套管鞋直接掃孔下作套管，因其強度大，可較長時間掃孔，以解決因地層破碎使常規套管無法下到底的問題，隔離上部漏失及破碎帶，為深部鉆進消除隱患。

（3）發生巖芯堵塞時，要立即提鉆，防止打懶鉆造成巖芯（粉）將鉆頭及內管堵死而不得不上大鉆，從而形成“活塞”效應引發孔壁坍塌。

（4）復雜地層鉆進要加強施工技術管理，監督機班長嚴格遵守復雜地層鉆進操作規程和注意事項，掌握好鉆進規程參數,控制鉆速，尤其要控制起下鉆和打撈內管速度并堅持回灌。

（5）鉆進含綠泥石化等破碎蝕變帶發現泵壓升高較大有可能發生坍塌時，嚴禁強行鉆進，防止壓漏地層，必須配制優質鉆井液，邊護壁邊排出巖粉，待孔壁穩固，孔內干凈后方可正常鉆進。

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1004-5716(2015)08-0093-04

2014-12-29

2014-12-31

張純歌（1966-），男（漢族），山東萊陽人，工程師，現從事地質勘查技術、施工及管理工作。