鉀基加重泥漿在新疆博樂四臺礦區復雜地層鉆探施工中的應用

黃德強，張　波，王　俊，張德明

（西安地質礦產勘查開發院，陜西西安710100）

鉀基加重泥漿在新疆博樂四臺礦區復雜地層鉆探施工中的應用

黃德強*，張波，王俊，張德明

（西安地質礦產勘查開發院，陜西西安710100）

介紹了新疆博樂四臺某礦區的鉆探施工情況，針對鉆探施工過程中遇到的覆蓋層難以成孔，炭質泥巖、炭質灰巖松散碎脆不易取芯，以及泥巖縮徑、鉆遇小溶洞等情況，從鉆探工藝和泥漿方面探討解決方案，為后續鉆孔施工提供了一些可借鑒的經驗。

鉆探；復雜地層；鉀基泥漿；加重泥漿

繩索取芯工藝因其高效、能有效減輕工人的勞動強度，以及應對復雜地層、避免孔壁坍塌、鉆孔彎曲等方面的優勢被廣泛應用于金屬礦產鉆探施工中，但是由于其鉆具間隙小、鉆速高等各方面的因素使得對鉆孔沖洗液的粘度、含砂量、失水量和井身結構等均具有較高要求，一般只能使用低固相或無固相沖洗液。新疆博樂四臺某礦區是我院的自有礦權，自2012年起便在此做了大量的地質工作，為了進一步查明該礦區的資源分布情況，2012年曾在此布置鉆孔，但由于地層復雜，沒有鉆進成功；2013年為維護礦權需要和查明此礦區的地層、含礦情況在此布置了2個鉆孔，設計孔深分別為380m、400m，由我院隊伍承擔鉆探施工，為保證巖芯采取率，本礦區施工采用繩索取芯工藝，經過努力，圓滿完成了鉆探施工任務。

1　礦區地質及鉆探施工概況

1.1工區概況

普查區處于西天山東段的博羅科努山北坡，區內海拔最高2621m，河谷最低點1450m，屬中低山區。大地構造位置屬天山興蒙造山系，伊塞克—伊犁陸塊內賽里木地塊，地層分區屬準噶爾—興安大區，伊寧—中天山地層區，科古琴山地層小區；區域地層出露不全，地層展布受構造控制明顯。

1.2工區地層

新疆博樂—精河縣納瓦布拉克地區出露地層主要見有：薊縣系庫松木切克群、青白口系開爾塔斯群、震旦系凱拉克提群、上泥盆統托斯庫爾他烏組、下石炭統阿克薩克組、上石炭統東圖津河組、下二疊統烏郎組、上二疊統曉山薩依組；山前、山間谷地及沿較大的河流分布有不同成因類型的第三系、第四系等。地層巖性由老到新如下：

（1）薊縣系庫松木切克群：主要巖性為結晶灰巖、大理巖、硅質巖夾含礫灰巖、黑色含炭質硅質巖、黑色含炭質白云巖。可鉆性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（2）青白口系開爾塔斯群：巖性主要為深灰色薄層灰巖、含泥質灰巖夾炭質頁巖、黑色含炭質粉晶灰巖、硅質灰巖夾白云巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅷ級。

（3）震旦系凱拉克提群：巖性為灰紫色中厚層狀砂質泥巖、炭質泥巖、含鐵硅質泥巖，細粒長石巖屑砂巖、含粉砂細粒長石砂巖，下部厚層狀泥質粉砂巖，底部見底礫巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（4）上泥盆統托斯庫爾他烏組：主要巖性為雜色礫巖、砂巖、粉砂巖夾鈉長斑巖、凝灰巖和硅質巖?？摄@性分級：Ⅶ-Ⅸ級。

（5）下石炭統阿克薩克組：主要巖性為粗—中粒雜砂巖、長巖巖屑砂巖、粉砂質泥巖、沉凝灰巖、含礫凝灰砂巖、層間礫巖；下部巖性為褐灰色、礫巖、雜砂巖、凝灰質粗砂巖、中酸性沉凝灰巖、鈣質長石巖屑砂巖、細砂巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（6）上石炭統東圖津河組：巖性主要為生物碎屑灰巖、泥晶灰巖、砂巖和礫巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（7）下二疊統烏郎組：巖性主要為安山巖、碎屑巖、砂礫巖、巖屑砂巖夾粉砂巖、礫巖。可鉆性分級：Ⅵ-Ⅷ級。

（8）上二疊統曉山薩依組：巖性主要為長石巖屑砂巖、泥巖、炭質粉砂巖、礫巖、含礫砂巖?？摄@性分級：Ⅳ-Ⅵ級。

（9）第三系上新統獨山子組：巖性主要為砂礫巖、砂巖、砂質泥巖、灰巖及粘土巖，偶夾石膏。可鉆性分級：Ⅲ-Ⅶ級。

（10）第四系：為洪積、沖積礫、砂、泥沉積和沼澤化學泥砂和鹽堿沉積?？摄@性分級：Ⅰ-Ⅲ級。

1.3礦區構造

區域上普查區處在伊賽克—伊犁陸塊中賽里木地塊內，在構造上具有較強的活動性。褶皺、斷裂均較發育，主要構造線（褶皺、斷裂、侵入體長軸）呈北西西—南東東向。

2　地層巖性分析

從以上的地質情況和巖性可以看出，此處的斷裂發育，第四系松散可能會造成塌孔、不易成孔的現象；炭質泥巖、炭質灰巖等水敏性地層可造成孔壁縮徑、塌孔；再者灰巖地區常會產生溶巖裂隙或溶洞，這些因素都會對鉆探帶來事故，影響正常施工。因此可以從套管封隔不穩定孔段、結合鉀基加重抑制泥漿鉆進施工。

3　設備及鉆具選擇

3.1設備選擇

根據本礦區鉆孔設計孔深和終孔口徑要求，選擇主要設備見表1。

表1　設備選型表

3.2鉆具組合

3.2.1單管取芯鉆具

?130mm口徑：主動鉆桿+轉換接頭+?60mm鉆桿+單管鉆具+?130mm孕鑲金剛石鉆頭；

?110mm口徑：主動鉆桿+轉換接頭+?60mm鉆桿+單管鉆具+?110mm孕鑲金剛石鉆頭。

3.2.2繩索取芯鉆具

S95規格鉆具組合：主動鉆桿+轉換接頭+?89mm繩索取芯鉆桿+?89mm繩索取芯鉆具+?95mm孕鑲金剛石鉆頭；用途：用來掏取炭質泥巖、炭質灰巖段殘留巖粉。

S75規格鉆具組合：主動鉆桿+轉換接頭+?73mm繩索取芯鉆桿+?73mm繩索取芯鉆具++?75mm孕鑲金剛石鉆頭；用途：鉆進巖礦層。

4　鉆探工藝

4.1鉆孔結構

本礦區鉆孔一般采用二級鉆孔結構，較復雜的鉆孔采用三級鉆孔結構。

4.1.1二級鉆孔結構方案

一開：使用?95mm孕鑲金剛石鉆頭，下入?89mm套管；

二開：?75mm孕鑲金剛石鉆頭鉆至終孔。

4.1.2三級鉆孔結構方案

一開：由于上部堆積物破碎并且直徑較大，采用?130mm孕鑲金剛石鉆頭開孔，下入?127mm套管。

二開：使用?110mm孕鑲金剛石鉆頭，下入?108mm套管；預留?94mm口徑；

三開：?75mm孕鑲金剛石鉆頭鉆至終孔。

4.2鉆頭的選擇

在鉆進過程中，胎體與金剛石均在磨損，設計的鉆頭胎體的磨損應稍超前于金剛石，金剛石出刃才會始終保持正常的出露和更新，那么才會有較好的克取能力，鉆效高、鉆頭壽命長。根據該段地層的研磨性，選擇的胎體性能見表2。

表2　孕鑲金剛石胎體的硬度和耐磨性

4.3鉆進參數

鉆壓的選擇：在鉆進較軟、破碎、裂隙發育以及軟硬不均等地層時應降低鉆壓，對完整、堅硬等地層的鉆進應適當增加鉆壓。同時在鉆進中更換新鉆頭時，還應注意金剛石鉆頭下入孔底后有一個磨合過程，因此必須有一個低壓、低轉速的初始磨合階段。

轉速的選擇：由于本孔地層破碎，巖芯軟硬不均，因此并不能發揮出金剛石繩索取芯高轉速的優勢，我們現場采用100～200r/min的轉速，基本上鉆進平穩，無跳鉆現象發生。此外，還要根據如下情況調整轉速：

（1）巖層較軟時，為保證沖洗液能及時排出所產生的巖粉，應降低轉速。

（2）孔內情況復雜，巖層破碎，鉆進時抖動厲害，應降低轉速，反之增加。

（3）孔內環空間隙大，孔深較大時，應適度降低鉆速。

泵量的選擇：泵量應滿足沖洗液上返速度的要求。金剛石繩索取芯鉆進保持上返流速為0.5～1.5m/s。地層完整，巖屑多時，泵量適當加大。地層破碎，或鉆進斷層泥地層時，泵量應適當減小，以減少泥漿對巖芯和孔壁的沖蝕。各級開孔鉆進參數見表3。

表3　各級開孔鉆進參數

4.4沖洗液的選配與使用

破碎覆蓋層段因破碎物直徑比較大，多為山上的落石，使用細分散泥漿護壁鉆進，然后倒入水泥漿與石膏的混合物將其充分固結后造孔；如此反復直至將此層穿過，然后下入?127mm套管護孔。繩索取芯鉆進由于其高轉速的特點，沖洗液易在鉆桿內形成結垢，從而造成在采用鋼絲繩撈取內管時易發卡，再加之該工區地層復雜、巖層破碎漏失、鉆孔縮徑等。因此，沖洗液的粘度、密度、潤滑性和含砂量等均需要根據地層情況適時調配控制。

泥漿方案：覆蓋層：1t水+40kg鈉土+4kg纖維素+2kg燒堿；鉀基加重泥漿配方：1t水+20kg鈉土+2kg纖維素+ 2kg黃原膠+20kg氯化鉀+40kg水玻璃膠液+1kg燒堿。

各孔段沖洗液使用情況及技術參數見表4。

表4　泥漿性能參數表

5　鉆遇問題及處理方案

5.1開孔段塌孔漏水

第四系坡積物松散、破碎，且含大量直徑大小不一的落石，開孔比較困難，且漏水嚴重。由于之前對該孔施工難度估計不足，開孔口徑過小。為了固孔，一度用水泥封孔固結破碎松散層，雖然配合使用速凝劑，但是仍然耗費了大量的時間。

解決松散層難成孔的方法：采用?127mm套管處理上部松散層，表層套管共下入20m。

5.2炭質泥巖、炭質灰巖段坍塌漏水，加桿困難

下入表套之后，用?110mm口徑鉆進至42m，下入?108mm套管；進尺2.45m后提鉆取芯，出現加桿困難，判斷可能是塌孔造成。用S95繩索鉆具鉆進探明孔內情況，發現下部巖石松散、破碎，主要巖性為炭質灰巖、炭質泥巖，取芯比較困難，沖洗液沖上來的都是一些粒徑不足0.5cm的巖石顆粒。

鑒于此種情況，?108mm套管所處的位置可能會隨時下降，造成套管事故。因此用?110mm單管鉆具繼續往下施工，取芯采用停泵干鉆的方法，鉆至穩定巖層后，采用打吊錘（200kg）和立軸往下壓的方法將?108mm套管打（壓）至穩定巖層部位，最終下入?108mm套管48m，實現了暫時的正常鉆進。

炭質泥巖、炭質灰巖段松散，且泥巖易遇水膨脹，引起塌孔。此段處理方法主要是配制抑制性泥漿，加入KCl，同時為了平衡此段的地層壓力，需要適當加大泥漿比重。加入水玻璃膠液，將泥漿密度調至1.10g/cm3，此時基本上解決了漏失與孔壁坍塌問題，使用調整后的泥漿加桿正常。

5.3鉆遇小溶洞

遇到問題：在鉆至240m時突然掉鉆50cm，泥漿全部漏失，判斷可能是遇到大裂隙或溶洞，此時離設計孔深還有140m，繼續頂漏鉆進很有可能造成燒鉆、掉塊卡鉆等事故，另外由于氣溫下降供水也受到影響，故需對此溶洞段進行處理。

解決方法：將鉆具提離孔口，向孔內投入片石、粘土塊和水泥，填充溶洞，然后下入光鉆桿，鉆桿頭接腦袋，將投入孔內的粘土塊、水泥球、片石等擠壓夯實；如此反復，直至超過漏水點1m左右開始回灌泥漿保護上層孔壁；鉆孔中泥漿灌滿后停鉆候凝48h。將其透開鉆進，孔內開始返漿。

5.4脫卡困難

遇到問題：由于孔內地層破碎、裂隙發育，加之鉆進中偶遇小溶洞，在施工過程中，孔內大多時候沒有水位。因此，在投放內管時必須利用鋼絲繩將內管安全平穩地送至孔底，然后再用脫卡器脫開撈矛頭。就算這樣，孔深時，脫卡器依然會墩成喇叭口，脫卡困難，甚至釀成孔內事故。

解決方法：加工一無縫鋼管，根據原有脫卡器尺寸車好外徑、倒角，長度約為40～50cm，同時在該脫卡器兩頭鉆2個小孔。使用時，將鐵絲一端穿過小孔固定，另一端通過小環可以順著鋼絲繩上下活動，此種方法可以依靠鋼絲繩提供摩擦阻力，同時利用無縫鋼管的強度避免了墩壞脫卡器。

6　鉆探技術成果

在松散破碎層通過使用水玻璃與水泥混合漿液封固松散破碎段，然后透開下入套管封隔；炭質泥巖、炭質灰巖段主要通過優質泥漿平衡地層壓力和抑制泥巖水化膨脹。通過這些措施實現了正常鉆進，為后續鉆孔施工爭取了時間。本礦區鉆孔施工情況見表5。

表5　博樂四臺礦區鉆孔施工情況表

7　結語

博樂四臺礦區在以往的施工過程中遇到的碎、脆、塌、漏以及溶洞裂隙，使用一種方法無法解決所有的問題，這就要求我們在施工過程中根據鉆遇的具體情況，及時調整施工方案；尤其是在繩索取芯工藝施工過程中，對套管及泥漿的使用是必不可少的，合理的鉆孔及套管結構、有效的泥漿方案以及熟練謹慎的操作是此類復雜地層成功施工缺一不可條件。

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P634.6

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1004-5716（2016）01-0057-04

2015-01-05

2015-01-05

黃德強（1971-），男（漢族），陜西旬陽人，工程師，現從事鉆探礦施工管理和鉆探技術研究工作。