嵩縣多金屬礦區(qū)復(fù)雜地層巖心鉆探施工綜合技術(shù)

曾石友

(河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊,河南鄭州 450001）

嵩縣多金屬礦區(qū)復(fù)雜地層巖心鉆探施工綜合技術(shù)

曾石友

(河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊,河南鄭州 450001）

總結(jié)了嵩縣多金屬礦區(qū)復(fù)雜地層巖心鉆探的經(jīng)驗,著重介紹了處理金剛石鉆頭打滑的磨砂方法,在風化層中的跟管鉆進方法,多級套管護孔,水泥護壁,801堵漏劑與植物膠、鋸末的試用,植物膠鋸末泥漿堵漏,潤滑減阻等復(fù)雜地層綜合治理措施。實踐證明,采取這些技術(shù)措施后,降低了施工成本,提高了鉆進效率。

復(fù)雜地層;巖心鉆探;泥漿;護壁;堵漏

1 概況

嵩縣多金屬礦區(qū)是2009年全國第一個整裝勘查項目。礦區(qū)位于嵩縣水溝—萬嶺一帶,由3條大致平行的斷裂組成,走向10°～30°,傾向北西,傾角50°～85°。地表出露長度>5 km,波及寬度500～600 m,單條斷裂寬10～20 m,長2～5 km,斷裂間距100～150 m;斷裂面陡而平直,每條斷裂內(nèi)可見多條(組）扭裂面,其斷面上發(fā)育水平擦痕及鏡面,顯示逆時針扭動特征。斷裂帶內(nèi)角礫巖、碎裂巖發(fā)育,熱液蝕變強烈,主要發(fā)育硅化、鉀化、方鉛礦化、黃鐵礦化及褐鐵礦化等。鉆孔所遇巖層為:第四系表土層、構(gòu)造角礫巖、安山巖、碎裂安山巖、蝕變帶安山巖、英安巖。

地質(zhì)設(shè)計鉆孔傾角80°～90°,要求鉆孔孔斜≯1°/100 m。典型鉆孔口徑級配:“130、“110、“91、“77 mm。主要采用SJ77金剛石繩索取心鉆進,選用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿沖孔。

由于礦區(qū)地層條件特別復(fù)雜,英安巖和石英脈巖性堅硬、研磨性弱,中等胎體硬度鉆頭的進尺效率為0.05～0.20 m/h,局部屬典型金剛石鉆進“打滑”地層。斷層破碎帶在礦區(qū)比較密集,產(chǎn)狀陡立,鉆孔所穿越孔段長度0.3～100 m不等。鉆進中遇上斷層百分之百全孔漏失,接著斷層泥縮徑、孔壁坍塌,卡、埋鉆事故跟蹤而來,幾個不同性質(zhì)的復(fù)雜地層問題集于一個礦區(qū),使省內(nèi)外許多鉆探施工隊伍望而卻步,有些施工單位半途而廢。

為確保省局重點工程的進度和質(zhì)量,我隊從2009年3月陸續(xù)進駐12臺XY-4型、3臺XY-44型鉆機進行鉆探施工。大力引進新技術(shù)、新工藝及技術(shù)革新,采取多種措施綜合治理,2009年底順利完成部署的鉆探任務(wù)。

我們在治理方法上,從一般措施到新型材料的應(yīng)用,取得了一些新的認識和體會,尤其是嘗試植物膠鋸末泥漿的應(yīng)用成效顯著,降低了施工成本,提高了生產(chǎn)效率。

獲取的主要鉆探經(jīng)濟技術(shù)指標及鉆孔質(zhì)量指標為:鉆孔15個,總進尺9023 m;平均孔深601 m,最大孔深857 m;純鉆率33.7%,時效1.42 m,臺月效率238 m;巖礦心采取率平均91%,最低76%;優(yōu)質(zhì)孔率100%。

2 綜合治理復(fù)雜地層措施

2.1 處理金剛石鉆頭打滑的磨砂方法

針對堅硬巖層金剛石鉆進打滑問題,初次試用了幾家軟胎體鉆頭(HRC30～35,粒度80～100目）效果不明顯,而且使用壽命<25 m。而后選用中等胎體硬度鉆頭(HRC38～40,粒度46～80目）,改進傳統(tǒng)磨砂法取得了明顯效果。

其做法是:選用“10 mm左右的石英石20～25粒投入孔內(nèi),轉(zhuǎn)速為83～217 r/min,鉆壓比正常鉆進略大,時間在30 s左右,然后不停車把鉆具提離孔底,如此反復(fù)4～5次即可。鉆頭在孔內(nèi)磨后,金剛石出刃率明顯提高。在堅硬“打滑”地層中回次進尺量在1 m以上,時效為1.8～2.5 m。改進后的磨砂法避免了傳統(tǒng)方法易導(dǎo)致的卡、燒鉆頭事故的發(fā)生,鉆頭平均壽命提高至35～40 m。

2.2 在風化層中的跟管鉆進方法

該礦區(qū)有部分鉆孔無法避開風化層而就位施工。在風化層中施工斜孔,孔口管容易插偏,孔內(nèi)易坍塌,鉆進難度大,遇到硬石塊更是難上加難。

針對上述難題,我們采取了以下幾點措施。

(1）將孔口鑿成“600 mm×800 mm井筒,用水泥砂漿灌注的辦法解決孔口管容易開偏和孔口塌陷問題。

(2）跟管鉆進中,首先用高粘度或固相含量高的泥漿鉆進,然后以反復(fù)提動鉆具方式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進,鉆進至一定深度時下入第一級護孔管。

(3）當鉆進到基巖時,第二級護孔管必須坐入孔底,然后用金剛石鉆頭鉆進至完整基巖后再下人第三級護孔管。在ZK5204孔等3個鉆孔中使用此法,順利穿過風化層,最大厚度為27.8 m,無丟失護孔管現(xiàn)象。

2.3 多級套管護孔

多級套管護孔以其成本低、見效快的優(yōu)點,適宜在鉆孔穿越有多條斷層破碎帶地層的鉆孔中采用,成為我隊長期以來用于復(fù)雜地層鉆進的常用方法與措施。深孔施工在無法預(yù)知深部地層變化的情況下,不宜過早地使用終孔口徑,否則,一旦遇到新的斷層破碎帶,就會帶來更大的風險,或造成重大經(jīng)濟損失。多級套管護孔應(yīng)注意以下幾個事項。

(1）認真作好鉆孔設(shè)計,明確各級套管的下入目的與深度;

(2）周全考慮套管的起拔難度,制定套管事故的處理方法;

(3）仔細檢查套管絲扣的完好性和擰緊程度,把絲扣較差的套管調(diào)整到上部;

(4）準確判斷坐管條件,如巖面風化程度、沉渣厚度和殘留巖心長度等,要求套管坐穩(wěn)坐實;

(5）下管隔離斷層破碎帶時,如孔內(nèi)有大量坍塌物不便清除,不應(yīng)將套管作為鉆具使用,強行開車掃孔到底,否則會發(fā)生卡埋套管事故,清理孔底的正確方法是:從未坐穩(wěn)的套管內(nèi)下鉆具掃孔,當鉆具進尺數(shù)米后,不論套管是否到位坐實,都應(yīng)提升鉆具提動套管,使管外坍塌物掉入鉆孔內(nèi),確保套管到位;

(6）切實做好套管上端管口的密封工作,采用海帶、麻布及纖維素等纏繞密塞措施,防止鉆渣沉積在套管與孔壁之間,增加拔管阻力。

本礦區(qū)施工中優(yōu)先采用多級套管護孔措施,取得了較好的經(jīng)濟效果?？傆嬒氯胩坠?368.50 m。其中“127 mm套管404.05 m,“108 mm套管1137195 m,“89 mm套管5826.50 m,遺留孔內(nèi)套管1006.27 m,取出率達86.34%。

2.4 水泥護壁

水泥漿灌注也是我隊常用的護孔措施之一,據(jù)歷年數(shù)據(jù)資料顯示,護孔成功率達87.4%。

ZK8805孔為構(gòu)造角礫巖、安山巖蝕變帶、碎裂安山巖等地層,在333.40～375.80 m孔段(“77 mm口徑）遇上F11大斷層,其傾角為58°～79°。該孔因孔壁坍塌發(fā)生了多起斷桿、埋鉆事故,采用灌注水泥漿進行護壁。

選用42.5普通硅酸鹽早強水泥,水灰比0.50。48 h后取出最長水泥灰心1.62 m,注漿效果較為理想。但是,當掃孔鉆具穿過注漿層后,再次發(fā)生了孔壁坍塌。

分析水泥護壁失敗的原因是,孔壁坍塌范圍小,在孔壁上形成的水泥層較薄易被鉆桿擊碎,從而使裸露的安山巖蝕變帶在沖洗液的沖刷下再次涌入孔內(nèi)。找出失敗的原因后,使用稀泥漿沖刷破碎帶和蝕變帶,使孔壁坍塌范圍加大,將孔底坍塌物清理干凈后,選用42.5普通硅酸鹽早強水泥、水灰比0.50的水泥漿。48 h后取出最長水泥灰心2.12 m,注漿效果較為理想。鉆具穿過注漿層后,沒有發(fā)生孔壁坍塌,該孔終孔深度為711.33 m。

2.5 801 堵漏劑與植物膠、鋸末的試用

ZK2804孔從230 m開始鉆遇破碎帶,沖洗液大部分漏失。當SJ77繩索取心鉆具頂漏鉆進至342.73 m時,孔內(nèi)沖洗液突然全部漏失。我們試用了江西萍鄉(xiāng)光輝鉆井助劑材料廠生產(chǎn)的801堵漏劑、植物膠和鋸末,采用混合使用的護堵方法。

配制方法:在泥漿中添加801堵漏劑(3%）、植物膠(6%）和鋸末(7%）,在高速泥漿攪拌機中攪拌30 min,使用前用大泵量循環(huán)漿液。

使用情況:在鉆進過程中泵壓較高,消耗該混合漿液約5 m3后,孔口返水量約1/3;消耗用該混合漿液10～12 m3后,孔口返水量幾乎能達到100%。

2.6 植物膠鋸末泥漿堵漏

2.6.1 配制方法

(1）發(fā)生小漏失(孔口返漿2/3）,可在基漿中加入3%鋸末;發(fā)生中等漏失(孔口返漿1/2～1/ 3）,可在基漿中加入5%鋸末。

(2）將土粉、植物膠、鋸末加入高速泥漿攪拌機中攪拌30 min。

2.6.2 使用方法及效果

預(yù)先將鉆具置于孔底漏失層位,開泵將漿液送至孔底后開始鉆進。當漿液到達孔底時泵壓會突然升高,此時應(yīng)打開回水管調(diào)節(jié)泵壓,使泵壓比正常鉆進高出1～2 MPa。在鉆進一段時間后,孔口返漿量加大。不能流入裂隙通道的粗鋸末被鉆具研碎后排出孔外。該堵漏方法在ZK2804等6個孔中應(yīng)用取得了明顯效果。

2.7 潤滑減阻

在泥漿中加入1%洗衣粉,可以起到潤滑減阻、泵壓降低、轉(zhuǎn)速提高的作用,不破壞泥漿性能,提高鉆進效率。

3 結(jié)語

(1）由于地層復(fù)雜多變,若對于復(fù)雜地層認識不夠、工藝措施傳統(tǒng)單一,難以取得較好的效果,應(yīng)采取“辨證論治”、靈活運用的思路方法,才能最大限度地降低施工成本,提高鉆進效率。

(2）一般孔壁巖石沒有經(jīng)過水化,其結(jié)構(gòu)狀態(tài)是相對穩(wěn)定的。植物膠低固相沖洗液之所以對穩(wěn)定孔壁效果顯著,其根本原因在于水溶液中的植物膠分子,在巖石顆粒表面有很好的吸附成膜性,對巖石顆粒具有很強的膠結(jié)作用,起到了抑制巖石顆粒進一步水化的作用。

(3）使用植物膠鋸末堵漏取得了明顯效果。

(4）植物膠鋸末泥漿應(yīng)用于中深孔繩索取心鉆進,成效明顯,對于解決孔壁穩(wěn)定和泥漿漏失將有更大的應(yīng)用前景。

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[3] 王文臣,等.無固相鉆井液的研制與護壁作用機理[J].地質(zhì)與勘探,1990,(4）.

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[5] 劉維平,胡遠彪.牡丹江金廠礦區(qū)鉆井液選用與堵漏技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2009,36(6）.

Comprehensive Technology of CoringDrilling in Complex Formation of Poly-metallicDeposit in Song County

ZENG Shi-you(Forth Geological Prospecting Team of Henan Geology andMineralBureau,Zhengzhou Henan 450001,China）

The paper summed up the coring drilling experience in complex for mation of poly-metallic miming area in Song County and emphatically introduced the comprehensive treatmentmeasures of quartz grinding method for diamond bit slip-ping;drillingwith s imultaneous casing in weathered layer;different size casing for hole protection;wall cementing;801 LCM,plant gum and sawdust for leaking stoppage.The construction costwas lowered and drilling efficiencywas improved by these technicalmeasures.

complex formation;coring drilling;mud;wall protection;leaking stoppage

P634.5

:A

:1672-7428(2010）11-0016-03

2010-04-14;

2010-05-25

曾石友(1973-）,男(漢族）,河南盧氏人,河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊鉆探公司副總經(jīng)理、工程師,探礦工程專業(yè),從事巖心鉆探、水文水井鉆探等工作,河南省鄭州市高新區(qū)科學大道81號,z.s.y.1018@163.com。