重慶天府磨心坡礦區復雜地層鉆進護壁堵漏技術

李俊

摘 要：重慶天府磨心坡礦區以上部灰巖地層巖層破碎、溶洞裂隙發育、漏失嚴重，長興地層巖石硬度高，可鉆性級別在7-10級，下部煤系地層傾角大且厚的水敏性地層而著稱。為了有效地控制該礦區煤層標高，施工時鉆孔均設計為定向斜孔。通過對該地區鉆進過程中護壁堵漏的一系列的探索和分析，針對施工鉆孔出現的具體問題，采取了相應的技術措施，提高了鉆進效率，減少了孔內事故，實現了安全生產，為礦區地質勘探報告的提交奠定了基礎。

關鍵詞：復雜地層；定向鉆進；全漏失；垮塌

1 礦區地層情況

重慶天府磨心坡礦區位于重慶市北碚區，地質構造屬于觀音峽背斜，在大地構造上位于重慶陷褶束之南段，構造線走向以北北東——南南西為主。該區主要含煤地層為二疊紀龍潭組，全區采煤層5層，真厚約140m。鉆孔穿過的地層由新到老為：（1）第四系：厚度0-10m不等，均為第四系松散堆積物，呈蓋層狀分布。由亞粘土、砂質亞粘土和含泥砂、碎石、礫石組成的殘坡積、沖洪積物組成。（2）三疊系下統嘉陵江組（T1j）：主要以灰色、灰白色中厚層狀白云巖、巖溶角礫巖，生物碎屑灰巖，灰色厚層～塊狀石灰巖為主，平均厚度520米。（3）三疊系下統飛仙關組（T1f）：主要以紫紅色鈣質泥巖、淺灰色中厚層～厚層狀灰巖、鮞粒灰巖、生物碎屑及砂礫屑灰巖、黃綠色鈣質泥巖為主，平均厚度500米。（4）二疊系上統長興組（P3c）：主要以灰、深灰色中厚-厚層狀石灰巖為主，中、上部含燧石結核。平均厚度120m。（5）二疊系上統龍潭組（P3l）：分五段，其中二、四段由石灰巖、硅質灰巖組成。一、三、五段由泥巖、細粒砂巖、粉砂巖和煤層交替組成，并含有較多的黃鐵礦、菱鐵礦結核或透鏡體。主采煤層位于第一段，平均真厚36m。（6）二疊系中統茅口組（P2m）：主要以淺灰、深灰色厚至塊狀石灰巖為主，平均厚約95m。

2 鉆探施工難點

（1）鉆孔為定向斜孔，施工過程中必須嚴格控制鉆孔的方位和頂角。（2）構造復雜，巖石破碎，絕大多數鉆孔在孔深500m以淺為全漏失。（3）長興灰巖中、上部含燧石結核較多，巖石堅硬鉆頭打滑，進尺慢，不但影響了鉆進效率，同時也不能在該段進行造（糾）斜鉆進。（4）真厚只有140m的煤系地層，由于地層傾角較大，鉆孔揭露煤系段厚度在260-300m。如果鉆孔遇逆斷層，煤系地層厚度將進一步增加（施工時有3個鉆孔遇斷層）。（5）由于煤系地層主要以泥巖、細粒砂巖、粉砂巖和煤層這些水敏性為主，在施工過程中為了保證鉆孔壁的穩定性，在煤系地層中施工時必須使用泥漿護壁。（6）深孔定向斜孔鉆進，容易造成斷鉆桿事故的發生。礦區完成的14個鉆孔，鉆孔上部600m以淺如果不采取堵漏措施，均為全漏失鉆孔。最深的鉆孔在950m處也有漏失點。鉆孔進入煤系地層后多數鉆孔出現垮塌、掉塊（黃鐵礦、菱鐵礦結核），尤其是以繩鉆施工的鉆孔，更為嚴重。

3 非煤系地層堵漏方案

由于該礦區鉆孔都是設計的定向斜孔鉆孔，施工時我們采用了以Φ94mm終孔的普通鉆進方法。為了避免定向鉆進過程中發生斷套管事故，我們采取了在上部嘉陵江組、飛仙關組地層中按設計將鉆孔的頂角、方位角控制到設計要求，揭穿長興組后再下套管堵漏的方法。

3.1 開孔護壁堵漏方案

開孔鉆進主要以控制鉆進用水量和慢速進行鉆進，鉆至完整基巖3-5m后，快速下入井口管進行擋垮、堵漏。然后采用Φ110mm孔徑鉆進。大層鉆進使用清水作為沖洗液。

3.2 非煤系地層堵漏方案

該區的嘉陵江組、飛仙關組、長興組地層，受地質構造的影響，鉆進過程中主要表現為漏失，偶爾也有掉塊的現象發生。考慮到下部煤系地層施工時要使用泥漿護壁，所以在進入煤系地層前，必須保證鉆孔返水。在這段施工過程中，我們主要采用堵漏和下套管擋的辦法。堵：施工過程中每回次堅持直接向孔內投拌有鋸末的黃泥球。這種方法可以封堵孔內的小裂隙帶來的沖洗液消耗，保證鉆孔正常返水。擋：如遇較大的裂隙或溶洞時，堵不行就采用套管擋。具體方法是，用130mm孔徑擴孔下Φ127mm套管。如我們施工的ZK2號孔，擴孔下了520mΦ127mm套管。

3.3 下套管的注意事項

下套管前用同徑巖芯管穿過下套管段，確認孔內暢通無阻時再下套管。下放的套管外部應涂黃油，以利于起拔。套管絲扣連接處涂抹松香，保證套管在施工過程中不漏水。套管下端應用手錘打成喇叭口，上端應接一個喇叭型管袖，孔口處應用木楔、粘土和草繩封嚴，使套管居于井口中心處和預防沖洗液倒流。下套管時應盡量快，中途不得停頓。如果下入的套管多，為了減輕上部套管拉力，可將套管底端用木楔（或擋板）堵住，套管下好后，將其掃掉。由于該區鉆孔都是定向斜孔鉆孔，鉆孔孔壁為上小下大的“雞蛋”形，堵漏套管下到位后套管底部必須進行封堵。該區采用的是“架橋”下水泥漿止水。

4 煤系地層護壁方案

4.1 泥漿選類

針對磨心坡礦區煤系地層的特點，在泥漿的選擇過程中，我們考慮了使用不分散固相泥漿（聚合物）作為鉆孔的沖洗液。其理由一是在使用過程中粘土顆粒因為高聚物的存在而變得更粗；二是對進入沖洗液體系的巖粉起絮凝作用，不使其分散，利于除渣凈化；三是對孔壁不穩定砂、泥頁巖和煤層不起分散作用，而起抑制保護作用，泥漿配方為：粘土∶水∶水解聚丙烯酰胺∶羧甲基纖維素=1∶20∶0.1∶0.1-0.2。配制好的泥漿性能為：比重1.05-1.10；粘度20-30秒；失水量8-12ml/30min；pH值8-9。在配制泥漿前最好將粘土粉浸泡2天，使其充分水化。

4.2 嚴格按照配制程序、方法操作

一是嚴格計量。在配制泥漿時，各種添加劑的配量要準確。特別是加量較小的，更要做到十分精確。這樣可防止因加量不足或過多，造成泥漿性能指標達不到設定值，而致使孔內事故的發生。二是依次加入。泥漿是添加劑與溶解介質的組合。它的多功能體系由多個單功能體組成，即多種添加劑混合組成。在配制過程中，應按照分散、增稠、增粘、潤滑、絮凝的方式依次加入。三是性能調整。性能調整是泥漿配制過程中的一個調制程序，主要是由于環境、條件、人為等因素，造成按劑量配制出來的泥漿達不到體系所要求的性能指標。四是充分攪拌。充分攪拌是促使各個單功能體快速、均勻地溶入泥漿中，完成整個配制過程。

4.3 泥漿的維護和管理

一是切實做好對返漿性能的測定。施工過程中每班派專人對返漿性能進行認真的測定，使泥漿的性能保持在最佳值。發現問題及時進行維護和處理。二是及時調整泥漿性能。鉆進過程中如果發現鉆孔有垮塌的跡象，馬上調整泥漿比重，同時向泥漿加入腐植酸鉀，以抑制砂、泥巖水化。三是泥漿循環系統搭棚避雨，防止雨水和地表水流入泥漿池內對泥漿的損害。四是認真、及時對有害固相進行清除。鉆場布置時，泥漿循環系統必須符合規程要求。

5 取得的成果

重慶天府磨心坡礦區施工的14個鉆孔，采用上述護壁堵漏措施基本上完成了鉆孔的施工，有效地解決了上部地層漏失和下部煤系地層垮塌、掉塊的現象，控制了煤層的標高，為提交地質報告提供了深部第一手資料。但使用繩鉆施工的ZK2號孔進入煤系地層80m后泥漿使用不當，造成鉆孔大面積垮塌，鉆孔無法再繼續施工。后采取在飛仙關組打偏眼才使得該孔順利竣工，該孔報廢鉆探進尺350m。使用普鉆施工的ZK7號孔，由于斷層影響，使其煤系地層厚度增加。該孔在斷層破碎帶處垮塌嚴重，泥漿無法有效地保護孔壁，后采用下飛管的辦法，才使用鉆孔順利終孔。

6 結束語

鉆探施工過程中，針對不同地層漏失、垮塌的特點，分段采用不同的堵漏、護壁手段，能夠有效地解決鉆孔部分漏失、全漏失和鉆孔在水敏性地層施工中的垮塌、掉塊現象，提高鉆進效率，減少和避免孔內事故的發現，實現安全生產。