漳平嶺兜礦區ZK39183孔鉆探施工技術

李偉雄

（福建省第二地質勘探大隊，福建 永安 366000）

1 工程概述

1.1 礦區概況

由我隊施工的漳平嶺兜灰巖礦ZK39183孔鉆探工程位于漳平市西北方向四十余公里的赤水鎮。該礦區位于閩西山地博平嶺山脈中段的中、低山嶺及丘陵地帶，屬構造侵蝕地形地貌。

ZK39183設計孔深1000m，設計傾角90°，終孔口徑為不小于75mm，于2019 年6 月5 日開孔，于2019 年9月27日終孔,終孔孔深957m。

1.2 地質情況及巖礦石的可鉆性

鉆孔巖層情況由上至下依次為：

0.00～70 .00m：浮土層（粘土、砂、碎石）等。

70.00～600 .00m：泥質粉砂巖、半風化輝綠巖、炭質泥巖、中細粒石英砂巖、構造角礫巖。

600.00～850 .00m：石英斑巖、泥質粉砂巖、細晶灰巖、硅灰石化矽卡巖、大理巖。

850.00～957 .00m：構造角礫巖、硅質巖。

巖層淺部的可鉆性為1～6級；鉆孔中下部一般7～10級，部分含鐵石英脈的硅質巖達10～12級，巖石可鉆性級別涵蓋范圍較大。

1.3 技術難點

（1）鉆孔淺部的松散浮土層，風化嚴重、膠結性差，鉆進時巖礦芯采取困難，易導致釆取率不能滿足規范要求。

（2）鉆孔中間段復雜地層易坍塌，其護壁堵漏技術是該鉆孔施工成孔較為關鍵性的問題和難題。其上部風化層、泥包石等膠結性差，經常會出現孔段漏失引起下段坍塌的現象，比較難治理；中部的泥質粉砂巖與半風化輝綠巖換層帶，厚度約40m，裂隙發育，易造成全孔漏失，鉆進施工難度大。

（3）計算鉆孔深部灌注水泥漿時的替水量。

（4）灌注水泥后掃孔經驗分析總結。

2 施工設備的選擇

依據鉆孔設計要求，選用我隊現有裝備中的以下設備：

鉆機：XY-5；

鉆塔：SG23型；

泥漿泵：BW-250；

取芯絞車：SJ-1500。

3 鉆進工藝

3.1 鉆孔結構及施工孔徑

依據地質提供的鉆孔柱狀圖，結合我隊現有護壁堵漏技術和類似礦區的施工經驗，特制定以下不同的孔段，采用不同的口徑進行施工，確保鉆孔達到地質要求。

0.00～75 .00m，?150/?146mm；

75.00～250 .00m，?130/?127mm；

250.00～400 .00m，?110/?108mm；

400.00～650.00m，?95/?89mm；

650.00～957 .00m，?77mm。

3.2 取芯方法

（1）上部第四系粘土、泥砂等覆蓋層較厚，用無泵鉆進或?110mm單動雙管取芯。

（2）鉆孔中段地層比較完整采用單動雙管繩索取芯，可滿足設計要求。

（3）鉆孔中下段多為破碎地層，采用（單動雙管）多功能孔底反循環鉆進取芯技術，可以達到提高巖礦芯采取率的效果。

①多功能孔底反循環鉆具結構如圖1所示。

圖1 多功能孔底反循環鉆具結構圖

②應用效果：鉆孔施工至415～453.8m 時，提鉆發現巖芯采取率只有30%不到，此時已進入砂質泥巖、粉砂巖、碎石、泥包石,斷層破碎帶。施工班組及時調整鉆進方法,采用少打多提,每個回次進尺不超過1m,就及時提鉆，與此同時增加泥漿沖洗液的濃度及比重，配之低轉速、輕壓力進行施工，經過多個回次施工至孔深429.60m,巖芯采取率始終上不去，甚至反而越來越低。機臺及時將情況匯報給分隊，分隊果斷下達了采用多功能孔底反循環單動雙管取芯的方法進行鉆進的指令。在429.60～451.3m,提鉆發現巖芯采取率明顯提高,達到了49.8%,隨后按照此方法繼續施工。

兩種不同的施工方法得出的效果明顯不同，在孔深415～453.8m，及孔深460.10～598.60m，采用繩索取芯與多功能孔底反循環單動雙管取芯效果對比見表1，取出的巖芯見圖2、圖3所示。

圖3 多功能孔底反循環鉆進取芯效果圖

表1 不同取芯方法取芯效果對比

圖2 多功能孔底反循環鉆進取芯效果圖

3.3 沖洗液及護壁堵漏

根據地層特點來選用適合的泥漿類型：

（1）開孔至70.00m 左右，主要是表土覆蓋地層，巖性多為無粘結的砂、碎石，孔壁不穩定，遇水易坍塌，可選用如下配方的優質泥漿護壁：清水（1m3）+鈉膨潤土（100～150kg）+燒堿（3～6kg）+纖維素（5～6kg）+植物膠（5～6kg）。

（2）70.00～350.00m，為砂巖、泥巖交替出現，地層相對穩定，采用無固相PAM 沖洗液排粉和起懸浮作用。

（3）350.00～650.00m，其中多層破碎帶的砂、石及泥包石，可采用水泥護孔或無固相PAM沖洗液。

通過使用高分散度泥漿，增加泥漿中的粘土含量，加入有機聚合物或無機增粘劑等措施，提高泥漿粘度，增加井壁松散顆粒之間的膠結力。另外，對于有一定膠結性的松散地層，為防止泥漿中的自由水侵入孔壁地層而沖蝕膠結物，現場施工人員在泥漿中加入了一定量的降失水劑（纖維素）。

經過反復多次試驗，最后確定泥漿沖洗液的配方為：水（1m3）+鈉膨潤土（62.5kg）+燒堿（2～3kg）+植物膠（3～5kg）+纖維素（3～5kg）。

性能指標：

密度：1.06～1.08g/cm3；

粘度：32s；

失水量：18mL/30min；

pH值：9。

（4）水泥護壁。若孔壁坍塌較嚴重，單獨靠低固相泥漿就難以滿足鉆孔護壁要求，就要采用水泥漿固結護壁。在該孔施工至地層破碎、裂隙發育207.00～263.00m 孔深時，孔內漿液漏失嚴重，并出現掉塊坍塌現象。為預防坍塌造成卡鉆、埋鉆等事故，采用了在該孔段水泥注漿固結的方法，采用灌注水泥漿[使用水灰比0.5 的普通硅酸鹽水泥200kg，加入3%的氯化鈣和1%未水解的分子量（300～600）×104的聚丙水溶液]堵漏后，返水正常，取得良好效果。在380.00～435.00m處，因出現不穩定的碎石、泥包石等地層，鉆進時發生孔壁嚴重坍塌現象，繼續采用水泥漿固結護壁，順利通過該孔段。

但是在435.15～438.28m處水泥漿固結后,在掃孔時，由于當班班長經驗不足操之過急，沖洗液在孔內循環時間不足，封孔孔段水泥面上部泥渣尚未完全清理干凈時，一看見孔內有返水，就開動鉆機進行掃孔，且轉速過高，此時鉆頭底部接觸面的水泥，在高轉速和鉆具的高壓力雙重作用下，產生很高的熱量，加上鉆孔內沖洗液的濃度及比重超標，無法起到冷卻鉆頭的效果。因此鉆頭底部與水泥因高溫而融化膠結在了一起，變成了一起燒鉆事故。事故發生后，鉆探分隊及時組織技術人員前往機臺協助事故處理。經過反鉆桿，平面鉆頭消滅鉆桿等方法處理，處理到孔深382.22m時，孔內阻力大，鉆機憋車十分嚴重，繼續處理難度非常大。此時孔內還留有一套4.72m?95mm 鉆具及?89mm繩取鉆桿共計56.06m。

鑒于這種情況，大隊生產技術科及時與地質進行溝通、協商處理方法。決定采用水泥灌漿固結后，用小一口徑短鉆具以較大壓力的鉆進，先偏出造斜鉆一個新孔，然后在鉆具下端帶導向進行擴孔。地質人員經過慎重考慮，最后同意了他們的這一方案。

事實正如溝通設想的那樣，本孔自孔深344m開始用小一口徑的?77mm 鉆具掃孔，在358m 處偏斜出新孔并繼續鉆進6m左右，取出完整巖芯，用?95mm鉆具帶?75mm導向擴孔，順利偏出新孔。

后續在693～698m 孔段，又因地層破碎、掉塊、坍塌嚴重，造成無法施工。于是又采用上述的配比進行水泥固結護壁，有了前面的經驗教訓，后面的掃孔就謹慎多了，因此掃孔順利進行。

該鉆孔最終基本滿足地質要求，以957m孔深順利終孔。

3.4 灌注水泥漿替水量的計算及灌注后掃孔經驗教訓

（1）計算灌注水泥漿液的替水量：護壁采用灌注水泥漿的方法時，注完漿應立即將清水替換入孔內。要控制好替漿應力及替漿量，確保可以把漿液在不被稀釋的情況下壓送到預定位置。替水計算方法如下：

假設漏失、坍塌、掉塊位于孔深693.5～698.5m 孔段，該段鉆孔孔徑為?77mm，測得適時水位38m。將鉆桿下至孔深699m處（最底部下入40m?50mm鉆桿，其余為?73mm 繩取鉆桿），灌注水泥漿水灰比為0.5，灌注水泥200kg，替水量為：

①水泥容積：4包×46L/包=184L；

②?73mm 鉆 桿 容 積：（658.5 － 38）× 2.8L=1737.4L；

③?50mm鉆桿容積：40m×1.1L/m=44L；

④地面管線與水泵容積：60L；

⑤②+③+④=1737.4+44+60=1841.4（L）；

⑤－①=1841.4－184=1657.4（L）。

當注入1657.4L水量時，灌注的水泥漿液正好送到下入孔底鉆桿的末端。如果需要繼續把水泥漿自鉆桿內壓出至孔深669m處，則增加替水量為：

V1×1.5m+V2×28.5m=4.6×1.5+2.6×28.5=81（L）

其中：

這樣總替水量應為1657.4+81=1738.4（L）。

（2）灌注后掃孔（灌注水泥孔段）的經驗總結：該孔在鉆進至孔深324.59～438.28m 處，因孔壁坍塌嚴重，采用灌注水泥漿液固結進行護壁，當時灌注了1∶0.5水灰比的水泥500kg，待水泥凝固1d 后掃孔。換繩索鉆具掃孔鉆進，由于當班班長責任心不強，操之過急，不按照鉆探操作規程進行施工，因沖孔循環工作時間不夠，在水泥濃漿和沉渣還沒有完全清理出孔口情況下，一看見孔內返水，就開動鉆機進行掃孔，且轉速過快，壓力控制不好，造成了燒鉆事故。

燒鉆是鉆探施工中常見的事故，應引起鉆機機班長高度重視、引以為戒，避免此類事故的再度發生。分隊和技術管理人員要及時總結事故經驗教訓，更好地指導該礦區后續鉆孔的施工：

①要把握好水泥的凝結時間，宜為2～3d。時間不足則水泥石強度不足，掃孔易脫落而影響護壁堵漏效果。時間太長，則會使水泥石強度偏高，增加掃孔時間，且易產生偏孔。最好提前一天用小一級口徑透穿，繼續候凝一段時間后，再用原徑掃孔。

②掌控好技術參數。掃孔應使用上端帶導正，且長度和直徑均與前鉆具相同或相近鉆具。掃水泥孔段時應輕壓、慢轉、大泵量；用金剛石鉆具掃孔時，最好不要用泥漿，可用清水或無固相PAM 沖洗液，每掃孔一根單根長度,要停在掃完孔的深度慢轉速沖孔5min 左右后再加桿。

③掃完水泥后，應采用大泵量沖洗鉆孔，以清除、排出孔內懸浮的水泥渣。

4 復雜地層鉆探施工經驗總結

（1）鉆孔施工口徑層次搭配要符合鉆孔結構要求，以確保鉆孔能順利施工。本礦區鉆孔結構為：用?150mm 開孔進入1m 左右基巖,換小一徑?130mm鉆穿2～3 層風化破碎帶, 再換?110mm 鉆進至灰巖3m左右。在上部多為浮土層，破碎易掉塊、坍塌，應采用較大口徑施工為后續變徑留有余地；進入灰巖后常會遇溶洞地層，且大部分溶洞都有充填物，要及時用套管隔離，并換小一徑（?95mm）口徑施工，之后換?77mm鉆至終孔。

(2)本礦區鉆遇的地層較為復雜，采用不同配方的優質泥漿護壁是保證正常施工的前提和關鍵，應確保進入灰巖之前能全孔返水。并在鉆進工程中，及時根據孔內漿液漏失量的大小，采取如添加堵漏劑、灌注水泥固結或套管隔離堵漏等有效措施，不讓孔壁坍塌造成事故。

（3)復雜地層采用多功能孔底反循環單動雙管鉆進取芯，是目前能確保巖芯采取率理想取芯方法之一。

（4）進入硬、碎、脆或完整地層，可采取繩索取芯液動錘鉆進來提高鉆進效率和回次進尺，這樣可以提高鉆探施工效率、降低成本。

5 結語

不同地層的鉆孔應采用不同的有針對性的鉆探施工技術。通過對漳平嶺兜礦區ZK39183孔復雜地層施工情況進行分析研究，整理總結出了該礦區鉆探施工的主要技術要點、難點及應采取的對策措施。著重闡述了沖洗液及護壁堵漏的配方和相關技術參數，尤其是總結出水泥漿替水量準確合理的計算方法及掃水泥的經驗教訓，得出了在復雜地層采用多功能孔底反循環取芯是行之有效的方法，形成了具有實際參考價值的礦區鉆孔鉆探施工參數和經驗。對該礦區后續鉆孔施工具有前瞻性的技術指導作用，對其他礦區的復雜地層的鉆探施工也具有良好的借鑒作用，本文的技術實踐可以更好地服務于地質調查工作。