九江城門山礦區鉆探施工難點與對策

羅康杰，戈良淼

（江西有色地質勘查一隊，江西 鷹潭 335000）

1 礦區地質概況

城門山銅礦礦區鉆遇地層巖性自上而下為：第四系表土層、灰巖、花崗閃長斑巖、大理巖化灰巖、白云質灰巖、含銅黃鐵礦、石英砂巖，詳見表1。主要鉆遇地層為灰巖，巖石溶蝕裂隙發育，局部漏失、破碎嚴重，可鉆性在6 ～8級；石英砂巖、含燧石結核灰巖堅硬致密，脆、碎，可鉆性在10 級左右；花崗閃長斑巖等強風化帶遇水極易分解，松散剝落，鉆孔掉塊、垮渣、坍塌頻繁，可鉆性在4 級左右[1]。

2 鉆探施工難點

（1）灰巖地層裂隙發育，溶蝕現象明顯，溶洞甚至串珠式溶洞極其常見，孔內漏失嚴重，施工鉆孔多為不返水孔，因此堵漏是難題，且溶洞內含有充填物，導致跑斜、斷鉆、卡鉆比較突出。

（2）鉆孔超徑和縮徑問題同時存在。花崗閃長斑巖破碎地層遇水極易掉塊坍塌形成“大肚子”，造成泥漿返速低，使巖粉不能有效地被排除，從而在孔底堆積，導致孔底回轉阻力大，易造成憋泵憋鉆、斷鉆桿事故或導致加桿困難和埋鉆。鉆孔縮徑則直接導致卡鉆[2]。

（3）本礦區地質技術要求終孔時靶區為不得偏離勘探線距10m 范圍內，技術要求高，因此防斜糾斜是難題。

（4）燧石結核灰巖、石英砂巖屬堅硬打滑地層，進尺慢，時效低，而且該地層軟硬不均，易跑斜[3]。

3 鉆探工藝

3.1 鉆孔結構

根據鉆孔設計深度和鉆遇地層巖性設計鉆孔結構。本礦區鉆孔設計最深孔達1185m，采用的鉆孔結構為：Φ150mm 口徑開孔，鉆穿第四系表土層入基巖下Φ146mm 套管,然后改Φ130mm繩索取芯鉆具鉆進至100m 左右，該層盡可能的穿過溶洞裂隙帶，在地層完整處下Φ127mm 套管，換Φ110mm 繩索取芯鉆具鉆進至250m 左右，該層盡可能穿過強風化破碎帶，換Φ95mm繩索取芯鉆具鉆進，由于灰巖地層變化性大，Φ95mm 口徑能盡量施工就多施工，如無法繼續施工需換徑則在完整地層下Φ89mm 套管，換Φ75mm 口徑鉆進至終孔。

3.2 鉆探設備選型

礦區根據鉆孔設計孔深和地層負雜情況來合理選擇鉆探設備，見表2。

表2 鉆探設備型

3.3 鉆進技術參數

鉆進技術參數的確定受到鉆遇巖石的物理力學性質、鉆頭類型、鉆孔直徑、孔身結構和深度的影響， 依據本礦區實際情況，使用的鉆進技術參數見表3。

表3 繩索取芯鉆進技術參數

3.4 鉆進方法

上部第四系表土層，為保證巖芯采取率，采用無泵硬質合金鉆進，入基巖下入孔口管后，換金剛石繩索取芯鉆具鉆進。但在鉆進過程中，鉆遇含燧石結核灰巖時，地層硅化不均勻，導致地層軟硬不均，極易跑斜；在鉆遇溶洞，且溶洞內多含有充填物時，也容易跑斜。由于地質技術要求高，通過控制鉆壓和大管鉆進來防斜的傳統方法仍不足以解決問題。在礦區施工過程中已有多個鉆孔因跑斜而報廢，造成了極大的經濟損失。為此礦區引進繩索取心液動潛孔錘鉆進方法防斜和螺桿鉆具糾斜[4]。

礦區ZKJ5-1 孔施工至300m 時測斜數據顯示鉆孔已偏離靶區允許范圍，在面臨報廢鉆孔的情況下，機臺引進螺桿鉆具糾斜，在380m 時成功地使鉆孔軌跡偏回靶區。糾斜后采用液動潛孔錘鉆進方法防斜，與普通繩索取芯鉆進，液動潛孔錘采用螺桿馬達驅動，由于鉆進時鉆桿不回轉，大大減輕了鉆具磨損，降低了損耗，有利于孔壁穩定，對減少孔內事故，提高鉆桿壽命都有很大幫助，而且是低鉆壓鉆進，有利于保斜穩斜。此外液動潛孔錘鉆進可克服含燧石結核灰巖等堅硬打滑地層，提高機械鉆速，解決時效低的問題。

3.5 鉆孔沖洗液

礦區鉆遇的地層主要是灰巖和強風化的花崗閃長斑巖，巖層的產狀陡，部分孔段粘土礦物含量高，水敏性強，強度低，受機械振動影響易碎裂，怕沖蝕。因此礦區采用的鉆井液體系主要為無固相和低固相鉆井液兩類。無固相鉆井液體系中主要以聚丙烯酰胺、植物膠、Na-CMC、皂化油為添加劑，低固相泥漿體系主要以優質鈉土、純堿、磺化類產品為添加劑。在取芯完整地層采用無固相鉆井液體系即可，在強風化、破碎易坍塌地層則須采用低固相泥漿體系護壁。常規條件下的泥漿性能要求如下：密度1.02g/cm3～1.03g/cm3，濾失量≤15mL/30min，漏斗粘度15s ～20s，含砂量≤0.5%，pH 值8 ～9。

礦區ZKJ6-4 孔開始采用無固相鉆井液體系，但在315m 至401m 孔段為極其風化的花崗閃長斑巖。鉆孔超徑和縮徑問題同時存在。斑巖破碎地層遇水掉塊坍塌形成“大肚子”，造成泥漿返速低，使巖粉不能有效地被排除，從而在孔底堆積，導致孔底回轉阻力大，易造成憋泵憋鉆以及加桿困難。在無法繼續施工的情況下（孔深為384m）強行變徑為Φ75mm，由于未完好封隔斑巖，最終導致鉆孔報廢。ZKJ6-4 孔重新開孔后吸取教訓，改用低固相泥漿體系護壁，配方為：5%鈉土+0.5%純堿+0.5%Na-CMC+0.5%聚丙烯酰胺+2%磺化瀝青+2%防塌潤滑劑，這種鉆井液具有良好的防塌性，強封堵性，強抑制，良好的潤滑性。

3.6 護壁堵漏

礦區灰巖地層溶蝕、裂隙發育，每個鉆孔均存在嚴重漏失現象，甚至溶洞性漏失。對于裂隙漏失，常規堵漏方法即可解決，但對于溶洞性漏失，特別是大溶洞和串珠式溶洞，灌水泥等常規堵漏方法就捉襟見肘了。如礦區ZKJ6-6 孔和ZKJ4-6 孔每個孔都有近10 個溶洞，其中3m 以上溶洞達5 個，如若不進行封隔，將存在跑斜、斷鉆、卡鉆等事故的隱患。在此推薦使用中國地質科學院探礦工藝研究所研制的新型堵漏工具—攔截式堵漏工具，它有效的解決了堵漏材料無法在溶洞性漏失通道中堆積、架橋形成有效封堵的難題。攔截式堵漏工藝是將顆粒型或凝固型堵漏材料放入攔截袋中，再將攔截袋送入孔中，顆粒堵漏材料因攔截袋可以有效集結，從而在大裂隙或溶洞中形成架橋進行堵漏；而凝固型材料因攔截袋可以減少孔內水稀釋、置換，可有效快速凝結實現封堵[5]。

當然最有效最簡單的封堵溶洞的方法是下入套管隔離，但灰巖地層復雜多變，每多下一級套管，鉆孔直徑就要減小一級，為了保證終孔鉆進取心直徑能滿足地質要求，就須加大孔徑級數，其結果是既增加了鉆探成本，又增加了施工時間，膨脹套管護壁技術可避免此類情況發生。膨脹管護壁技術是從石油鉆井領域的引進的前沿技術，現已研發了地質鉆探膨脹波紋管護壁器具及工藝，并已投入應用。通過液控擴孔、送入波紋管、切割和規圓，波紋管膨脹工藝可以徹底解決鉆孔內漏失、坍塌、溶洞、縮徑等復雜地層鉆進的難題，而在裸孔內護壁不損失鉆孔直徑的特點，可以大大簡化井身結構，解決因地層復雜套管層次不足時導致鉆孔報廢的問題[6,7]。

4 結語

（1）合理的鉆孔結構是保障鉆孔順利施工的關鍵，應優化鉆孔結構，提高時效。

（2）除了把好設備安裝關防斜外，采用繩索取心液動潛孔錘鉆進，即可有效防斜穩斜，也可克服堅硬打滑地層，明顯提高鉆進效率。

（3）加大對鉆孔沖洗液的投入，合理的泥漿體系能起到很好的護壁堵漏和潤滑鉆具的作用。

（4）引進石油系統膨脹管技術，可以大大簡化井身結構，臨時封隔漏失、掉塊、坍塌等復雜地層，解決因地層復雜套管層次不足的問題。

（5）運用攔截式堵漏工具，可以有效解決溶洞性漏失的難題。