甘肅陽山金礦復雜地層鉆探施工工藝探索

方國慶，楊 濤，蔡 雋，崔海龍

（中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410600）

隨著地質找礦工作的不斷深入，鉆探工程施工中遇到復雜地層的概率大大增加，給鉆探施工帶來了巨大挑戰［1］。陽山金礦是亞洲最大卡林型金礦，礦區內葛條灣—安壩礦段地層主要為厚的第四系堆積層和碳／鈣泥質千枚巖，為典型的復雜地層。武警黃金部隊在陽山礦區安壩礦段鉆探施工的ZK3812鉆孔，第四系覆蓋層厚達200 m，施工過程中孔壁嚴重坍塌、掉塊、縮徑、漏失、卡鉆等問題層出不窮，已經成為制約礦區鉆探施工的“瓶頸”［2］。因此，摸索出一套適合在該礦區復雜地層鉆探的施工方法刻不容緩。

1 礦區概況

陽山金礦在甘肅省文縣，正處川北隴南交界地，在岷山山脈北段與秦嶺山脈西端，位于陜、甘、川三省交界，1997年被武警黃金部隊發現，截至2014年12月累計探獲黃金資源量390 t，是亞洲最大類卡林型金礦。

1.1 礦區地層情況

在大地構造位置上，陽山金礦夾持于碧口地塊、秦嶺微板塊以及松潘—甘孜褶皺系之間，主要受湯普溝—觀音壩斷層控制，區內褶皺、斷層較為發育，破碎蝕變強烈。巖層主要由第四系覆蓋層、碎裂巖、鈣／碳泥質千枚巖、灰巖組成，局部地段發育有由斜長花崗斑巖、硅質巖及石英砂巖脈與千枚巖交錯形成的軟硬互層。

第四系覆蓋層：主要由巖石碎塊和黏土組成，厚度較大，最厚處達300 m。巖石碎塊主要有灰巖、千枚巖、砂巖、斜長花崗斑巖等，灰巖碎塊常為硅化后的滾石，可鉆性為7～9級，大小不一，磨圓度中等，裂隙發育良好。

千枚巖：呈淺灰色，細粒鱗片變晶結構，千枚狀構造，絹云母化、硅化較強，千枚理發育，局部碎裂。

1.2 施工難點

第四系覆蓋層厚且由碎石塊和泥土膠結而成，膠結性較差，松散破碎（見圖1）；碳泥質千枚巖（見圖2）為水敏性地層，吸水膨脹，易造成縮徑。鉆探施工難點主要有：

圖1 第四系覆蓋層

圖2 碳泥質千枚巖

（1）全漏失，裸眼鉆進，孔壁不穩定。地層松散，裂隙發育好，護壁堵漏極其困難，幾乎為裸眼鉆進，給本就不穩定的孔壁造成更大壓力。

（2）取心鉆進時極易發生堵心，回次進尺短。由于全漏失，巖粉未能順利排出，易堵心，迫使回次進尺短，提下鉆頻繁，進一步破壞孔壁穩定。

（3）孔壁坍塌掉塊，易卡鉆、埋鉆，提下鉆遇阻，加桿困難。第四系覆蓋層松散，加上泥漿從孔底漏失不能有效護壁，孔壁粗糙，坍塌掉塊嚴重，在鉆進時卡鉆、抱死現象時有發生。頻繁的提下鉆進一步破壞了孔壁穩定，在提下鉆過程中稍有不慎即造成孔內坍塌，提下鉆遇阻，加桿困難。

（4）探頭石出露切割鉆具，易引發斷鉆事故。孔壁粗糙，灰巖石塊出露切割鉆具，鉆具孔內磨損嚴重，再加上鉆進時卡鉆、埋鉆等，極易引發斷鉆事故。

（5）孔壁不穩定，事故處理難。坍塌掉塊，極易形成大肚子，發生井故后，一方面因孔壁的進一步坍塌掩埋事故頭，另外在處理過程中，由于對井下情況了解不夠，稍有不慎導致事故頭處形成大肚子，給事故的處理造成更大的困難。

（6）碳泥質千枚巖遇水膨脹，孔壁縮徑，鉆進荷載大，易抱死。

2 ZK3812鉆孔施工工藝探索

2.1 鉆孔基本情況

ZK3812鉆孔設計孔深710 m，傾角90°，位于陽山礦帶安壩礦段38號勘探線上，孔口坐標（x：3657904.14；y：35466174.15；z：2041）。配備使用的鉆探設備主要為XY－44A鉆機、BW－250泥漿泵、SG－13鉆塔、JS－600取心絞車。

2.2 ZK3812鉆孔初次施工

根據地層柱狀圖，鉆孔結構設計如圖3，使用金剛石回轉鉆進，Φ150 mm薄壁金剛石鉆頭開孔，開孔后工藝參數如下：低鉆壓，1～5 kN；低轉速，＜200 r／min；低泵量，52 L／min；巖石碎塊裂隙發育較多，鉆進時全孔漏失，為節約成本，采用膨潤土＋純堿配制普通泥漿的鉆井液；套管護壁方式。

圖3 初次施工鉆孔結構設計圖

按上述工藝參數施工，施工過程中孔內坍塌掉塊、加不上桿、卡鉆等現象頻繁，嚴重制約著鉆探施工。在下入2層套管后，施工至77.21 m時探頭石切割鉆具，發生斷鉆事故，鉆具遺留孔底，雖進行全力處理，但孔壁坍塌嚴重，事故頭無法找到，未能成功處理，只能棄孔。

鉆進施工耗時近一個月，最終止步于77.21 m，通過分析、總結此次施工失敗的原因如下：

（1）鉆壓、轉速優化不合理。采用低鉆壓與低轉速，雖在一定程度上保護了孔壁，但因此造成進尺速度慢，增加了裸眼持續時間，不利于孔壁穩定。

（2）鉆井液使用未能發揮實效。地層裂隙多又寬，選用的普通配比泥漿全部漏失，未能起到有效護壁的作用，孔壁極不完整，坍塌掉塊、加不上桿、提下鉆不暢、卡鉆、斷鉆等時有發生。

（3）套管護壁不及時。在鉆進速度慢、全孔漏失、孔壁極不穩定的情況下，仍堅持鉆進至20和50 m時才分別下入Φ146 mm、Φ127 mm套管。由于鉆進速度慢，下入套管前孔壁處于裸眼時間過長，孔壁已嚴重破壞，井故頻發，進一步降低了施工效率，從而形成惡性循環。

2.3 ZK3812鉆孔第二次施工

吸取第一次失敗的經驗教訓，第二次施工工藝改進如下：

（1）提高鉆壓和轉速。鉆壓：3～8 kN，轉速：＜400 r／min，并根據孔內實際情況及時調整。

（2）采用小口徑打、大口徑擴的施工工藝。先使用小口徑金剛石繩索取心（Φ95 mm）工藝，然后再進行擴孔：一是能減少提下鉆次數，保護孔壁穩定；二是減小鉆頭唇部面積，利于進尺；三是多采用小口徑施工，在鉆進時，能有效緩解鉆具被抱死的現象發生。

（3）鉆井液中添加隨鉆堵漏劑，同時適當提高密度和黏度。

（4）遇不穩定地層，采用孔口倒漿、投水泥球、投袋裝水泥干粉等方式灌水泥漿進行護壁。

（5）鉆進至稍穩定地層后及時下套管護壁，選用小一級口徑鉆進至設計深度時再提套管、擴孔，直至把套管下到預定深度。

通過改進鉆探工藝，第二次施工鉆進效率顯著提升。但所使用的孔口倒漿、投水泥球等灌水泥護壁方式效果不佳，在施工過程中，孔壁坍塌掉塊、卡鉆埋鉆、提下鉆困難、無法加桿等問題相比于第一次施工雖有所改善，卻依然存在。在施工至72 m時，因探頭石切割，發生斷鉆事故，經過撈、返、磨等處理后，最終遺留的鉆具被擠入孔壁的大肚子內，新下鉆具能順利繞過而得以繼續施工。在使用Φ95 mm繩索工藝鉆進至125.61m時（仍未穿過第四系覆蓋層），發生斷鉆事故，鉆具（內含內管總成）和鉆桿共計12 m遺留井下，使用絲錐進行打撈，因孔壁坍塌、鉆具被埋而打撈失敗。在后續的處理過程中，又引發孔壁坍塌和之前在72 m處遺留的鉆具從大肚子內掉出，孔內徹底被埋死，處理起來困難重重，故棄孔。

2.4 ZK3812鉆孔第三次施工

根據第2次施工至125.61 m處仍為第四系覆蓋層，判斷該孔第四系覆蓋層厚度將可能達到200 m。結合前兩次施工所遇地層情況，選擇Φ172 mm開孔，設計鉆孔結構如圖4，并對施工工藝進行改進。

圖4 第3次施工鉆孔結構設計圖

（1）采用小口徑打，大口徑擴，灌水泥，下套管相結合的工藝。即先使用小口徑繩索取心鉆進，鉆進時一旦遇不穩定地層，及時灌水泥漿進行護壁，再繼續掃孔鉆進；待鉆進至稍穩定地層后，再使用設計孔徑進行擴孔，下套管；繼續使用小孔徑與灌水泥結合向下鉆進，遇穩定地層拔套管，大口徑擴孔，下套管，周而復始，直至鉆進至下套管的設計深度，順利穿過第四系覆蓋層。

（2）采用高壓旋噴注水泥漿進行護壁。即在常規泵送法灌注水泥漿的鉆桿下端安裝特殊側面噴嘴，從欲護壁孔段底部開始，由下往上邊泵送高壓水泥漿邊慢速旋轉和提升鉆桿，水泥凝結后形成穩定固結體。

（3）針對鈣／碳泥質千枚巖吸水膨脹的特性，采用迅速穿過的方式，同時使用鉀石灰體系泥漿配方（膨潤土＋5%純堿＋3%瀝青＋3%腐殖酸鉀＋3%～5%酚醛樹脂＋0.4%石灰＋3%～7%氯化鉀＋0.2%～0.5%LV－CMC＋3%超細碳酸鈣＋3%聚合醇＋重晶石＋隨鉆堵漏劑）。

經過不斷總結改進，第三次施工較為順利，施工至196 m后成功穿過第四系覆蓋層。在鈣／碳泥質千枚巖交錯地層中，鉆井液效果良好，快速穿過，最終于712 m處順利終孔。

2.5 三次施工效率對比

三次施工效率對比見表1。

表1 三次施工效率對比表

3 結論

第四系覆蓋層是ZK3812鉆孔施工的最大難點，能否有效護壁堵漏順利穿過覆蓋層決定該孔施工的成敗。通過此次在ZK3812鉆孔復雜地層中的三次施工分別對傳統的只下套管護壁，隨鉆堵漏、孔口倒漿方式灌水泥配合護壁和隨鉆堵漏，小口徑打，大口徑擴，高壓旋噴灌水泥，下套管相結合的方式護壁堵漏效果進行了探索，取得了一定的成效，對今后在超厚覆蓋層施工具有一定的指導意義。

（1）隨鉆堵漏，小口徑打，大口徑擴，高壓旋噴灌水泥，下套管相結合的護壁堵漏方式能夠較為有效應對超厚覆蓋層。

（2）孔口倒入灌漿易流失，不易與孔壁膠結，護壁效果不佳；投水泥球灌漿方式易在孔內搭橋，形成空腔，不能有效護壁；投袋裝干水泥粉需孔內有一定水位，且不易攪拌均勻；泵送對水泥漿流動性能要求高，易流失；高壓旋噴灌漿對水泥流動性要求高，高壓噴射既能清理孔壁，同時漿液深入孔壁，能夠很好地與孔壁膠結為一體，從而達到護壁的效果。

（3）鉀石灰體系泥漿抑制性強，失水率低，在鈣／碳泥質千枚巖地層中具有較好的使用效果。