強烈破碎漏失地層的鉆探工藝探討

巫建彰

（中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊，寧夏銀川750021）

1 工程簡介

受金石礦業公司委托，中國建筑材料工業地質勘查中心寧夏總隊于2009年5月對位于內蒙古自治區阿拉善左旗巴彥諾日公蘇木東約20km的巴彥希別冶鎂白云巖礦進行地質詳查。在礦區北部共布設鉆孔15個,總進尺約2800m。

2 礦區地質概述

（1）礦區內主要出露地層:礦區內主要出露地層有中元古界長城系渣爾泰山群增隆昌組二段（Chz2）的細晶—微晶—粉晶白云巖、雜色泥質—砂質板巖夾黃褐色—淺灰色中薄層泥質條帶灰巖、砂質白云巖。薊縣系渣爾泰山群阿古魯溝組的淺變質碎屑巖、微晶白云巖、白云質灰巖、淺變質碳酸鹽等。

（2）礦區主要地質構造：本區構造單元屬華北板塊華北陸塊北緣西段中元古代陸緣坳陷。中元古界渣爾泰山群多以褶皺變形為主，總體構造線呈北東向。由于后期構造作用，特別是中新生代構造運動的作用，將渣爾泰山群切割為多個塊體并互不相連。區域構造控制了部分巖體的分布，控制了巖漿熱液礦床的分布，同時也為含金屬礦流體提供了運移通道及富集場所。區內構造發育，主要有褶皺、斷層和推覆構造。

3 鉆探設備、材料和工藝

（1）鉆探設備：本礦區內所使用的鉆機主要有2類，即傳統的立軸式巖芯勘探鉆機XY-4型和新型的全液壓動力頭式地表取芯鉆機YDX-3型。

（2）鉆頭：人造孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC35～40。

（3）泥漿及堵漏材料：鈉土粉、植物膠CT、火堿、腐植酸鉀（KHA）、803大裂隙堵漏濟、鋸末、石膏粉等。

（4）工藝：本礦區主要采用金剛石繩索取芯鉆探工藝。

4 鉆探工程完成情況

4.1 鉆探工程概述

本礦區工作量不是很大，但施工條件十分惡劣，鉆孔所在位置與大型車輛可達位置地形高差在100～250m間，自平坦地段至鉆孔之間的山間道路總長度達5km左右，最長供水管線約為3km。礦區地質構造復雜，巖層裂隙發育，多數孔位地層破碎漏水嚴重，鉆探巖芯采取和護壁十分困難。施工和地層條件的惡劣導致本礦區的鉆探工程施工一波三折、進展艱難。

2009年9月有鉆機進場，我總隊和施工隊伍對礦區地層沒有足夠的心理準備和直觀全面的認識，原來預計地層僅是裂隙發育，鉆孔漏水，我隊也就按照這個思路來進行準備和組織施工隊伍。

式（1）中：右側第一項為在R內的面積分；右側第二項為沿C的線積分；G（T）為溫度場函數；F為溫度場各梯度對應的函數。可見，泛函由溫度場梯度決定。

但是，經過前期的初步施工，實際地層情況比我們的預期要困難得多，從鉆探成果看來，礦區地層極其破碎，應屬構造作用所形成的推覆體，部分鉆孔采取出的巖芯碎如第四系的中粗砂地層，而且厚度較大。

本礦區的鉆探施工因難度極大造成鉆探施工隊伍進進出出頻繁更換，鉆探施工時斷時續，不能按正常進度進行，原計劃2臺鉆機3個月的工期拖延到8個月才艱難的完成了。

4.2 前期施工難點和施工情況

整個礦區內地層裂隙均十分發育，局部地層強烈破碎。幾乎全部鉆孔全深度用清水及稀泥漿鉆進均不返水，鉆孔護壁的難度相對較大，對泥漿的要求比較高，且要根據地層破碎程度不同，打一段后，專門用投粘土球擠壓護一下孔壁，否則極易發生孔壁掉塊和塌孔，產生擠埋鉆事故，使鉆進不能正常進行。

原施工隊伍對本礦區的地層破碎程度缺乏足夠的認識，沒有準備打多級鉆孔結構的思想和材料準備，沒有準備足夠的多級套管，造成前期鉆探施工工作無法正常連續進行。

在艱難的摸索中，有來自山東的施工2臺鉆機分別完成了一個鉆孔。所完成鉆孔均采用三級鉆孔結構，在用?110mm開孔幾米后，即下入?108mm孔口護壁套管；換用?91mm鉆頭鉆進至幾十米深，又下入?89mm套管；換?75mm鉆頭鉆進至終孔。無套管擴壁孔段過長，鉆進中不時出現擠埋鉆危險，雖然勉強成了孔，但是其過程著實曲折驚人。ZK5-1鉆孔施工了2次，第一次就是因為泥漿沒調好，護壁工作沒及時做，在50m深度時發生了從擠鉆到埋鉆的事故，不得不移孔位重新施工。雖然成了2個鉆孔，但是鉆探隊伍還是因為施工難度及成本超出了他們的承受能力而退出了本項目。

4.3 后期鉆探施工過程

2009年12月，甘肅某地質隊的2臺天和眾幫生產的YDX-3型全液壓動力頭鉆機和2臺來自山東的XY-4型鉆機，在充分了解了地層、氣候、供水、搬遷等各方面的難度，對本礦區的地層情況和后勤供應做了充分調研和準備后，先后進入了工地。直到2010年5月底，經歷了大風、嚴寒的惡劣氣候以及復雜地層鉆進的考驗，全部完成本礦區北部的鉆探工作。

5 鉆探工藝

總結本礦區的鉆探工作，鉆探隊伍在對礦區的地層情況有了比較充分的了解及準備后，雖然進度比較緩慢，但沒有太大的孔內事故發生，基本鉆探思路正確。所采用工藝大致如下。

5.1 鉆孔結構

總結本礦區的鉆孔，基本鉆孔結構大致為:

（1）以?110mm鉆頭開孔，鉆穿上部強烈漏水層（約30～50m）后，下入第一層?108mm套管；

（2）換?91mm鉆頭繼續鉆進至130m左右較完整孔段，下入第二層?89mm套管；

（3）換?75mm鉆頭繼續鉆進至終孔。

5.2 鉆具

礦區內各鉆孔主要使用?75mm～?110mm繩索取芯金剛石鉆具。針對本礦區地層，甘肅冶金局第三地質隊的鉆機使用了三重管取芯鉆具，這種鉆具現常用在散質煤層的鉆進取芯中，對難取芯的破碎地層是當代比較先進的鉆進取芯技術；在本礦區的鉆進中應用效果良好，平均巖芯采取率在85%以上。

5.3 鉆探方法

總結本礦區的鉆探，所有鉆孔都漏水，大部分鉆孔幾乎全孔漏水，在漏水地層的鉆進其鉆進方法分為堵漏鉆進和頂漏鉆進2種。

5.3.1 堵漏鉆進

各鉆機在見有小的漏水裂隙時，多采用常規的調制泥漿的堵漏方法，即調稠泥漿或在泥漿中加入堵漏劑，以其達到堵塞鉆孔漏水裂隙的目的。

而見有大的漏水裂隙時，第一種方法一是采用投加有鋸末、聚丙烯酰氨、大裂隙堵漏劑的粘土球，用鉆具將粘土強制擠入漏水裂隙中，以實現堵漏；第二種方法是用石膏粉攪拌成漿灌入孔內，等待幾小時后，石膏漿就會完全凝固，可達到堵漏目的。

5.3.2 頂漏鉆進

本礦區的部分鉆孔不但漏水嚴重，且漏水層頻繁出現，使得堵漏工作成了費時費力的無底洞，既耽誤了時間，又浪費了人力物力，還不見效益，這讓鉆機人員很惱火。于是，他們開始嘗試頂漏鉆進，但是礦區的地層特別破碎，孔壁掉塊擠鉆的可能性很大。經過反復的摸索，他們總結出不能用清水頂漏鉆進，原因在于清水不能對巖石碎塊產生粘結作用，不能有效防止掉塊；只能用泥漿頂漏鉆進，配制粘度適當的泥漿，鉆進時以小泵量送入孔內，時刻注意泵壓表的顯示，以防燒鉆，讓失水后的泥漿在孔壁結成的泥皮“糊”住孔壁，巖石碎塊被泥皮粘結后，就能克服孔壁掉塊的現象，防止擠鉆事故的發生了。

在本礦區頂漏鉆進的另外一項行之有效的措施就是在下鉆前，在鉆桿外壁涂抹一層黃油，以減小鉆桿和孔壁的摩擦阻力。這樣做可達到3個效果，第一可有效減小孔壁巖石對鉆具的磨損，第二降低了鉆具回轉過程中掃落孔壁碎塊的可能性，第三降低了鉆機動力損耗，可謂一舉三得。

5.4 鉆進技術參數

繩索取芯金剛石鉆進：鉆壓9～12kN，轉速200～600r/min，泵量40～70L/min。

6 鉆探施工效果比較

針對本礦區的地層脆、碎、漏的特點，施工重點北部山上鉆孔施工鉆機共有2種，即傳統的立軸式巖芯勘探鉆機XY-4型和新型的全液壓動力頭式地表取芯鉆機YDX-3型。這2種鉆機在本礦區表現出的鉆探效率差異很大，見表1。

表1 鉆探效率比較表

針對2種鉆機在本礦區的表現差異如此之大，我項目組會同兩方鉆機負責人及司鉆分析原因主要在于限于鉆機本身的特點，所采用的鉆探方法造成的。

XY-4型鉆機采用堵漏和頂漏鉆進相結合的方式，鉆進輕微漏失的地層時，調稠泥漿頂漏鉆進；鉆進至嚴重漏失地層時，盡可能頂漏鉆進通過強烈漏失段，在鉆孔上部則下入套管或加深套管，在鉆孔下部則用泥球進行全孔堵漏至套管下部，這樣基本保證了鉆孔上部不會漏水，也防止了鉆孔側壁的掉塊。這樣邊鉆邊堵，輔助時間相對降低，鉆探效率有了明顯提高。

YDX-3型鉆機則主要采用了堵漏鉆進的方式；本礦區的地層漏水層經常連續出現，堵漏無異是一件費時費力的事情，必然造成大量的時間消耗，輔助時間增大，鉆探效率低下。

7 鉆探設備及方法適宜性分析

鉆探工作的目的只有在避免或排除孔內事故的前提下才能得以實現，而在破碎漏失地層鉆進，稍不留心及易發生卡埋鉆事故。卡埋鉆事故發生時，往往是由輕致重，因此及時處理顯得尤為重要。XY-4型鉆機的動力傳遞為機械傳動，發生輕微卡鉆事故時，可采用猛分猛合離合器的方法，使鉆具瞬間產生比較大的回轉沖力，擺脫少量巖石碎塊對鉆具的擠壓，避免事故擴大。而YDX-3型鉆機的動力傳遞為液壓傳動，回轉動力不能在瞬間產生比較大的回轉沖力，而且猛分猛合離合器及易損壞鉆機的液壓驅動馬達；因此極易因輕微卡鉆事故而導致嚴重的機械事故和卡鉆事故，進而造成嚴重的后果。

通過本礦區的鉆探效果比較可見，在碎漏地層鉆進中，傳統的立軸式巖芯勘探鉆機和新型的全液壓動力頭式地表取芯鉆機相比具有比較明顯的優勢，鉆進效率高，事故應變能力強，是更為適宜的機型。

8 結語

本礦區的地層是比較典型的強烈破碎地層，在本項目的鉆探施工過程中，使用了2種機型和各種鉆探工藝和方法。從鉆探效率來講，對在強烈破碎漏失地層進行的鉆探施工，立軸式鉆機是比全液壓鉆機更適宜的機型。另外，在鉆探過程中應該及時采用合理的護壁方法保證孔壁不發生坍塌掉塊是整個鉆探施工能否順利推進的關鍵因素。因此，在強烈破碎漏失地層的鉆探選用適宜的鉆機和合理的鉆進工藝方法是十分重要的。