甘肅陽山金礦區碳質千枚巖地層井故分析及預防

摘要：甘肅陽山金礦區主要賦礦地層為碳質千枚巖、鈣質千枚巖、硅質灰巖等，其中以碳質千枚巖施工難度最大。碳質千枚巖結構為沉積層理，主要礦物為伊利石和高嶺石，強度低、節理裂隙發育、遇水軟化，其間有石英顆粒夾層，易破碎，在鉆探施工過程中極易引發井故，且處理成功率極低。總結了礦區近年來在碳質千枚巖地層中鉆進所遇井故的特征，從地層、人員、設備等3方面分析了井故誘因及處理困難的原因，提出了預防措施及處理要點：通過調節泥漿性能，增強泵的排砂能力改善孔內環境，保持鉆機、鉆桿、接手狀態維持設備性能良好，可有效減少井故發生頻率；針對孔壁垮塌、斷鉆、卡鉆、埋鉆，以快速處理為原則，采用灌水泥、導斜的方法繞過事故頭，可大幅減少經濟損失，縮短井故時間。

關鍵詞：碳質千枚巖；井故；地層；人員；設備

中圖分類號：TD265 文章編號：1001-1277（2024）02-0085-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240217

引 言

原中國人民武裝警察部隊黃金第十二支隊自1997年進入陽山金礦區開展鉆探施工，截至2022年，先后在礦區安壩礦段、葛條灣礦段、張家山礦段等5個礦段施工鉆孔300余個，累計鉆探超19萬m，總體施工進展順利。礦區賦礦地層為中泥盆三河組碳質千枚巖、鈣質千枚巖、硅質灰巖組合^［1］，其中以碳質千枚巖施工難度最大。碳質千枚巖一直以來是隧道^［2-3］、導洞^［4］等各類地下工程的施工難點，在鉆探工程中針對碳質千枚巖的研究還較少，該種地層具有強度低、節理裂隙發育、遇水軟化的特征，其內部分布有沉積層理、層狀薄片礦物和高黏土礦物成分，含水量是影響碳質千枚巖力學性能的重要因素^［5］。當地下工程穿越碳質千枚巖時，圍巖具有變形快、變形量大和變形持續時間長的特性^［6］，極易坍塌失穩，尤其在高地應力下，還易出現蠕變失穩，且含水量越大，失穩越快^［7］。

近年來，隨著找礦深度增加，在陽山金礦區遇碳質千枚巖鉆孔數量逐年增加^［8］，在碳質千枚巖層中施工時的井故發生率高，且井故處理成功率低，成本極高，能否及時、順利進行井故處理已成為在碳質千枚巖中施工的一個重要課題^［9］。

1 工程概況

陽山金礦區位于甘肅省文縣境內，是川、陜、甘的“金三角”地帶，長約30 km，礦區中心地理坐標為東經104°40′00″，北緯33°03′00″。到目前為止，已發現金礦（化）體200余條，控制資源量超過308 t，是中國目前發現的最大獨立金礦床^［10］。 該金礦區地處中國揚子大陸—華北大陸—松潘甘孜地塊的會聚轉化部位，大地構造背景極為復雜^［11］。

2019年，為尋找深部礦床，在中心礦區安壩礦段施工鉆孔ZK1726，在深度為1 124 m處鉆遇碳質千枚巖，由于該處地層垮塌被迫終孔。2020年，在安壩礦段施工的3個鉆孔中，有2個鉆孔在深度為700～900 m處鉆遇碳質千枚巖，因坍塌終孔。2021年，為擴大找礦范圍，在礦區北部邊緣張家山礦段施工的6個鉆孔中，有4個鉆孔因同樣原因被迫終孔。即使在成功施工的鉆孔中，也有較高的井故率，有的甚至高達40%，這嚴重阻礙了施工進度，增加了鉆探成本。各鉆孔井故詳細情況見表1。

從表1可以看出，在碳質千枚巖中鉆進誘發的主要井故為斷鉆、卡鉆和孔壁垮塌，埋鉆、燒鉆為次生井故。

2 井故原因分析

地層條件惡劣，技術人員判斷失誤、處理措施不當，設備性能不足等因素都是導致井故從發生、發展到處理失控（井故處理失敗或時間過長）的主要原因。

2.1 地層因素

地層條件惡劣是鉆探井故發生、發展的根本原因。陽山金礦區碳質千枚巖（見圖1）為泥盆系熱水沉積型巖層^［12］，巖層層理發育，其主要成分為伊利石、高嶺石，占比超過50%，層間夾有石英，極為破碎，部分夾層石英高達45%^［13］，由此導致碳質千枚巖具有孔壁吸水后易垮塌失穩、沉淀物研磨性高的特點，這也是該地層鉆探施工井故高發的兩個主要因素。

碳質千枚巖巖性松散，孔壁容易失穩、掉塊，在鉆進過程中易形成超徑。高速旋轉的鉆桿在擴徑處容易發生彎曲，彎曲的鉆桿繼續破壞孔壁，使超徑現象更嚴重，形成惡性循環，最終造成斷鉆井故。同時，該礦區的碳質千枚巖層富含石英顆粒，孔壁失穩后，碳質分散隨鉆井液返出，而部分較粗的石英顆粒難以返出，造成孔內重復破碎，磨損鉆具和鉆桿，使鉆桿嚴重受損，難以承受較大負荷。其次，當石英顆粒掉入完整巖層與鉆桿間隙時，還會導致卡鉆，甚至斷鉆。

斷鉆或卡鉆后，因孔壁垮塌形成的大量粗顆粒在泥漿中沉淀速度較快，如不及時將殘留鉆桿和鉆具撈出，還會導致埋鉆，因此容許處理卡鉆、斷鉆的時間很短。

2.2 人員因素

從地層情況來看，在該地層中鉆進，容許處理井故的時間很短，因此井故處理能否成功，關鍵在于施工人員對井故細節掌握是否全面，選擇處理井故的措施是否快速有效。人員因素導致井故主要有以下幾方面原因：①井故發生前，通常伴有孔壁垮塌、擴徑、鉆機負荷不穩等先期征兆，由于一線施工人員經驗不足，粗心大意，導致判斷失誤，從而錯失消除井故隱患的良機。②井故發生后，不能準確分析井故原因，細節把握不全面，貿然處理，致使初次處理成功率極低，導致井內情況復雜化。③機臺處理井故用的各型號絲錐、反絲鉆桿等器具準備不充分，有時在井故發生后才從物資庫送到機臺，延誤了井故處理時間。

2.3 設備因素

除鉆孔ZK1726采用XY-6B型鉆機外，其他鉆孔均采用XY-44A型鉆機施工，設備較新，具有處理輕微卡鉆、斷鉆能力；但遇到卡鉆嚴重或埋鉆時，XY-44A型鉆機能力明顯偏弱，又無強力起拔器，致使井下鉆具在井故發生24 h內不能及時撈出。

各鉆孔發生井故時所使用的鉆桿為同一批S75鉆桿，斷鉆事故頭通常表現為鉆桿體絲扣折斷和母接手磨損嚴重。此批鉆桿存在諸多缺陷：一是使用時間長，鉆桿體經表面處理的硬化層早已磨損，母接手更是受損嚴重；二是鉆桿經歷過多次井故，使鉆桿體與接手的預應力過高，降低了絲扣強度。

3 井故預防及處理要點

盡管在碳質千枚巖中鉆進引發井故的因素眾多，但地層條件和孔內環境應擺在第一位，一旦發生井故，孔內環境會迅速惡化，因此在該地層施工“以預防為主”的思想顯得更為重要。

3.1 井故預防措施

1）保持孔內良好環境。在碳質千枚巖中鉆進，主要以保持孔壁穩定和孔內干凈來杜絕井故發生。具體措施是：①配備低失水率、高動塑比的優良泥漿^［13-14］，調節比例進行平衡鉆進^［15］；②減小提下鉆壓力激動；③一旦形成超徑，立即下套管、灌水泥護壁；④優化泵量，保持泥漿泵具有足夠的排砂能力；⑤采用振動篩，清理泥漿池，用細紗網過濾，保持泥漿干凈。

2）提高人員技術水平。選用有經驗的技術人員施工，加強日常技術培訓，著重提高施工人員責任心，分析判斷孔內情況和快速處理斷鉆、卡鉆的能力。在正常施工時，要對泵壓、負荷保持敏感，及時對泥漿返砂情況、采取的巖芯進行檢查。熟悉孔壁失穩征兆：①巖芯在巖芯管內易脫落，難以采取；②采取的巖芯呈不規則碎巖石塊狀；③泥漿排巖粉量增多、粒徑增大；④泥漿循環不順，伴有巖芯堵塞；⑤鉆機負荷不穩并伴有卡鉆現象；⑥鉆具轉動不靈活，上提困難^［16-17］。

3）維持設備性能和保證工具齊全。時常檢查鉆機易損部位，維持鉆機性能；利用提下鉆時，檢查鉆桿磨損情況，及時更換磨損嚴重的鉆桿或接手；采用強度高、耐磨性好的復合鉆桿^［18］；保證處理井故常用工具齊全，如起拔器、擰管機等。即使發生井故，因對孔內情況了解清楚，能有效提高初次處理井故的成功率。

3.2 井故處理要點

當出現井故時，處理過程中會破壞井壁泥皮，導致碳質千枚巖嚴重吸水，井壁垮塌迅速發展，產生次生事故，因此在處理該地層井故時，應遵循快速處理原則，減少孔壁裸露時間，一旦出現難以處理的情況，要果斷放棄，采用灌水泥、導斜的方法繞過事故頭。針對該地層中常出現的井故，如孔壁垮塌、卡鉆、斷鉆、埋鉆等需采取針對性措施。

孔壁垮塌：因孔壁垮塌，無法下鉆到底，多次掃孔無效的鉆孔，孔底已沉積大量巖粉和粗砂，難以排出，掃孔時只會擾動孔壁增加沉砂量。因此，當初次掃孔不到底、排砂不暢時，要及時灌注水泥直至地層穩定，下楔子繞過沉砂段。

卡鉆：該地層中卡鉆多是由石英顆粒下沉至堅固巖層與擴孔器間引起的，在采用鉆機活動鉆具時，要保持水泵正常工作，避免埋鉆，必要時采用起拔器強拔。采用全新鉆桿時，注意鉆桿或接手承受能力，避免引發斷鉆次生事故。

斷鉆：針對卡鉆導致的斷鉆事故，避免用正絲錐對接，及時采用反絲鉆桿將被卡位置上部鉆桿全部返出，然后采用導斜等措施。針對絲扣折斷或接手磨損導致的斷鉆，要掌握事故頭準確位置，通過采用尖絲錐等措施增加一次對接成功概率，減少孔內停留時間。

埋鉆：此類事故是由卡鉆、斷鉆、燒鉆長時間處理不成功造成的，應盡量將上部鉆桿返出，然后導斜。

4 結 語

泥盆系碳質千枚巖是各類工程施工的難點，也是甘肅陽山金礦區在尋找金礦時的施工重點。地層因素難以避免，因此在施工時，應配備性能優異的鉆機、高質量鉆桿，提前備齊井故處理工具；選用有經驗的施工人員，牢固樹立“嚴防井故發生”的思想，以穩求進，制定詳細施工方案，做好技術交接，提高施工人員分析判斷孔內情況和快速處理卡鉆、斷鉆的能力，爭取零井故鉆進，有效縮短施工時間和單孔成本。若井故出現復雜化、難以處理的情況，應果斷放棄，采用灌水泥、導斜的方法繞過事故頭，重新鉆進，可以有效降低經濟損失和時間損失。

［參 考 文 獻］

［1］ 王彤.甘肅陽山金礦床碳質與成礦關系初探［D］.成都：成都理工大學，2013.

［2］ 朱宜龍.宋家梁隧道強風化碳質千枚巖地段施工技術探討［J］.交通建設與管理，2014（8）：17-18，21.

［3］ 蘇暢.馬爾康二號隧道碳質千枚巖段的施工［J］.筑路機械與施工機械化，2019，36（9）：66-69.

［4］ 劉釗，張金龍.金川水電站導流洞碳質千枚巖洞段施工技術［J］.電力勘測設計，2021（9）：14-17.

［5］ 陳子全，何川，吳迪，等.深埋碳質千枚巖力學特性及其能量損傷演化機制［J］.巖土力學，2018，39（2）：445-456.

［6］ 原小帥，張慶松，李術才，等.超大斷面炭質千枚巖隧道新型支護結構長期穩定性研究［J］.巖土力學，2011，32（增刊2）：556-561.

［7］ 王開洋，尚彥軍，何萬通，等.深埋公路隧道圍巖大變形預測研究［J］.地下空間與工程學報，2015，11（5）：1 164-1 174.

［8］ 方國慶，楊濤，蔡雋，等.甘肅陽山金礦復雜地層鉆探施工工藝探索［J］.信息與工程，2021，36（4）：75-78.

［9］ 譚永成.甘肅省某金礦炭質千枚巖地層護壁堵漏技術研究［D］.北京：中國地質大學（北京），2016.

［10］ 許磊，劉永團.甘肅陽山金礦帶礦床地質特征、控礦因素及找礦標志［J］.礦產勘查，

2018，9（2）：266-272.

［11］ 孟獻真，王紹祥.甘肅文縣陽山金礦帶顯微構造研究［J］.安徽地質，2013，23（1）：40-44.

［12］ 齊金忠，袁士松，李莉，等.甘肅省文縣陽山特大型金礦床地質特征及控礦因素分析［J］.地質論評，2003，49（1）：85-92.

［13］ 張強，紀衛軍，彭雪華，等.碳泥質千枚巖地層用沖洗液體系研究與應用［J］.西部探礦工程，2015，27（11）：59-62.

［14］ 孫宗席.甘肅文縣陽山礦區復雜地層用沖洗液研究［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（12）：32-35.

［15］ 張強.甘南陽山金礦不穩定地層聚合物防塌鉆井液實驗研究［J］.西部探礦工程，2015，27（10）：20-22.

［16］ 雷潔力，林圣明.巖心鉆探孔壁穩定性分析［J］.現代礦業，2013，44（6）：177-179.

［17］ 王達，何遠信.地質鉆探手冊［M］.長沙：中南大學出版社，2014.

［18］ 陳師遜，楊芳.深部鉆探復合鉆桿的研究與應用［J］.地質與勘探，2014，50（4）：772-776.

Causes analysis and prevention for shaft accidents in carbonaceous

phyllite stratum in Yangshan gold mining area，Gansu Province

Pu Chun，Zhao Yanggang，Yang Ke，Yang Bin

（Research Center of Applied Geology of China Geological Survey）

Abstract：The main ore-bearing strata in the Yangshan gold mining area are carbonaceous phyllite，calcareous phyllite，siliceous limestone，etc.Among them，the construction difficulty is the highest in carbonaceous phyllite.Its structure is sedimentary bedding，with major minerals of illite and kaolinite，low strength，developed fractures，softening when encountering water，and with interlayer of quartz particles，susceptible to fragmentation.In the drilling construction process，it is extremely easy to cause drilling accidents and the success rate of processing is very low.This paper summarizes the characteristics of shaft accidents encountered when drilling carbonaceous phyllite stratum in recent years and analyzes the causes of the accidents and difficulties of handling from 3 aspects：strata，personnel，and equipment.It proposes preventive measures and treatment key points：adjusting the slurry performance and enhancing the sand discharging capacity of the pump to improve the hole environment，and maintaining the equipment performance of the drilling rig，drilling rod，and connector，can effectively reduce the frequency of shaft accidents;for the borehole failure，broken drilling，stuck drilling，and buried drilling，rapid handling should be taken as the principle，and the problems can be bypassed by using water-cement grouting and directional drilling to significantly reduce economic losses and shorten the duration of shaft accidents.

Keywords：carbonaceous phyllite;shaft accident;strata;personnel;equipment