新疆坡北礦區(qū)ZK2－6孔鉆探施工技術(shù)

蓋志鵬，羅 剛，賈宏福，王 磊，付兆友

(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，新疆哈密839000)

1 概況

新疆坡北礦區(qū)ZK2－6孔屬深部找礦項(xiàng)目，設(shè)計(jì)孔深1650 m，設(shè)計(jì)傾角90°，終孔口徑≮75 mm，巖礦心采取率≮80%。于2011年由A機(jī)臺(tái)進(jìn)行第一次施工，期間在施工至839 m，因孔壁嚴(yán)重剝落超徑而發(fā)生斷鉆桿事故，找不到事故頭而失敗。2012年由B機(jī)臺(tái)進(jìn)行第二次施工，在施工至890 m時(shí)，因沖洗液性能的突變，導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，發(fā)生斷鉆桿事故，處理無果，以失敗告終。同年由我單位進(jìn)行第三次施工，以95 mm口徑施工，采用凈化水進(jìn)行沖洗液的配制，大大提高了沖洗液的性能，成功穿過強(qiáng)蝕變帶，在893 m下入91 mm套管，換77 mm口徑繼續(xù)施工。在施工至1074 m時(shí)，在937 m處鉆桿折斷，在處理斷鉆桿事故的過程中，因操作問題，發(fā)生卡鉆事故，處理失敗。2013年我單位用XY－6B型鉆機(jī)對(duì)ZK2－6孔重新施工，通過優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)，采用多功能復(fù)合劑MBM和抗鹽GTQ沖洗液體系等技術(shù)措施，于2014年10月完成了該孔的施工。

2 環(huán)境概況與礦區(qū)地質(zhì)

2．1 環(huán)境概況

工作區(qū)地處歐亞大陸腹地，屬典型的大陸性極端干旱氣候。氣溫四季及晝夜溫差極大，年平均氣溫5～6℃。春、秋季風(fēng)沙大，對(duì)工作有一定影響，風(fēng)力一般3～4級(jí)，最大可達(dá)7級(jí)。夏季酷熱干旱，6～9月份最高氣溫可達(dá)50～60℃，月平均氣溫28～31℃。冬季嚴(yán)寒，最低氣溫在12月至翌年2月，最低氣溫－30℃，月平均氣溫－13～25℃。每年4～10月為最佳野外工作時(shí)間。

2．2 礦區(qū)地質(zhì)

工區(qū)超基性巖體地表大部分被第四系沖洪積砂礫石層覆蓋，局部偶見有超基性巖零星露頭。礦化帶內(nèi)巖石蝕變較強(qiáng)，蝕變類型主要有:蛇紋石化、纖閃石化、伊丁石化、滑石化、透閃石化、綠泥石化;該蝕變帶的巖石松軟、疏脆，膠結(jié)性差，吸水易膨脹剝落，孔壁極不穩(wěn)定，鉆進(jìn)過程中常出現(xiàn)孔壁剝落，坍塌、超徑等現(xiàn)象，是導(dǎo)致無法加桿、埋鉆、鉆桿折斷等事故的主要因素。

工區(qū)經(jīng)歷了多次的構(gòu)造變動(dòng)，褶皺和斷裂極為發(fā)育。褶皺以區(qū)域性緊密線狀褶皺為主，斷裂構(gòu)造主要呈北東向、北東東向，區(qū)域性深大斷裂為該區(qū)主要構(gòu)造格架，控制著區(qū)內(nèi)地層、構(gòu)造、巖漿巖的分布。

3 礦區(qū)鉆進(jìn)難點(diǎn)

(1)地層局部蝕變強(qiáng)烈，遇水剝落，超徑嚴(yán)重，易發(fā)生斷鉆桿事故。深部孔段會(huì)鉆遇強(qiáng)烈蝕變帶，由于蝕變地層頻繁出現(xiàn)，連續(xù)不斷，層厚0．5～30 m。蝕變層易受沖蝕剝離形成“超徑”，如果沖洗液使用不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)孔壁坍塌及剝落現(xiàn)象，護(hù)壁極其困難。鉆進(jìn)蝕變破碎時(shí)，回次進(jìn)尺短(每回次40～60 cm)，取心次數(shù)頻繁，鉆進(jìn)效率低，不利于孔壁穩(wěn)定。超徑嚴(yán)重孔段易發(fā)生斷鉆桿事故。

(2)沖洗液性能維護(hù)困難。因受地下水(鹵水)的侵蝕，常見沖洗液材料配制的沖洗液性能極不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)為新沖洗液循環(huán)不久后，粘度降低、失水量增大、攜帶巖粉能力變差等。沖洗液中的固相材料絮凝沉淀、粘度降低易造成孔壁不穩(wěn)，發(fā)生埋鉆事故。失水量增大加劇了蝕變地層(水敏性地層)失穩(wěn)。采用增加重晶石用量提高沖洗液密度護(hù)壁的方法則又造成泵壓增高，水泵工作負(fù)荷大，沖洗液性能亦不能保持穩(wěn)定。

(3)蝕變地層巖粉顆粒粗，排出困難，鉆頭壽命短。施工過程中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)蝕變地層遇水會(huì)發(fā)生一定的徑向膨脹，經(jīng)鉆具回轉(zhuǎn)后剝落在沖洗液中，造成沖洗液中巖粉多，從而導(dǎo)致泵壓高，造成施工效率低。蝕變地層中產(chǎn)生的大顆粒巖粉(見圖1)多懸浮在深部孔段以及沉淀在孔底，不能被沖洗液攜帶出孔內(nèi)，形成“二次磨損”，加之孔壁不穩(wěn)定，提鉆后會(huì)發(fā)生掉塊，每次下鉆都要掃孔，造成鉆頭壽命過短;在掃孔過程中，易發(fā)生鉆桿折斷和埋鉆事故。

圖1 蝕變地層大顆粒巖粉

(5)安全隱患多。施工至深部孔段后，孔內(nèi)阻力大、鉆具質(zhì)量大，致使設(shè)備動(dòng)力不足，器具強(qiáng)度保險(xiǎn)系數(shù)降低;泵壓高，導(dǎo)致水泵高壓部分、鉆桿連接薄弱處損壞幾率變大，施工中發(fā)生過水泵泵頭、三通以及多處鉆桿接手被高壓水流損壞的情形，給施工安全帶來了諸多挑戰(zhàn)。

4 鉆進(jìn)工藝

4．1 鉆孔結(jié)構(gòu)

ZK2－6孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不超過鉆機(jī)扭矩和提升力時(shí)，P系列盡量達(dá)到最深孔，以保證后期施工的順利。另外考慮到深孔施工泵壓可能偏高會(huì)抵消鉆頭上單位鉆壓，同時(shí)為保證一定的環(huán)狀間隙利于巖粉排出，以及避免因泵壓過高導(dǎo)致水泵損壞，終孔口徑增大到77、78 mm。最終采用的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ZK2－6孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4．2 鉆進(jìn)方法

該孔各階段鉆進(jìn)方法如下。

4．3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)(見表1)

表1 ZK2－6孔鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)表

隨著孔深的增加，適當(dāng)減小壓力，在強(qiáng)蝕變層施工時(shí)，轉(zhuǎn)速不宜太快，一般采用260～360 r/min。轉(zhuǎn)速太快，易發(fā)生堵心。泵量宜小，避免泵壓過高無法鉆進(jìn)，還防止泵量過大在孔壁超徑孔段形成渦流沖刷孔壁。

轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素。在一定條件下，轉(zhuǎn)速越快，鉆速也越高。由于鉆機(jī)性能、鉆桿質(zhì)量、孔內(nèi)阻力和鉆孔軌跡等因素影響，隨著孔深的增加，轉(zhuǎn)速應(yīng)逐步下降。

4．4 沖洗液

4．5．1 沖洗液性能要求與選型

在蝕變破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液都必須具有良好的護(hù)壁、攜帶與清除巖粉的能力，且性能要保持穩(wěn)定。以避免巖粉在下部孔段以及孔底的積蓄，避免鉆頭的過度磨損以及預(yù)防泵壓高和埋鉆事故的發(fā)生。用一般的泥漿材料配制沖洗液，受鹵水影響，沖洗液性能很難保持穩(wěn)定，攜帶巖屑能力差。為了保證沖洗液的性能穩(wěn)定，需要抗鹵水侵的沖洗液材料。經(jīng)過對(duì)各種沖洗液材料的多次實(shí)驗(yàn)，最后選用MBM—GTQ材料與鹵水配制沖洗液，該沖洗液能滿足施工要求，沖洗液在處理斷鉆桿事故的過程中，孔壁無剝落，給事故處理提供了優(yōu)越的條件。

4．5．2 沖洗液配制

(1)建立泥漿站。為保證沖洗液性能，我們?cè)谄卤惫^(qū)建設(shè)了泥漿站。以XY－4型鉆機(jī)為沖洗液攪拌機(jī)，攪拌轉(zhuǎn)速100～200 r/min，一次攪拌量可達(dá)10 m3。站內(nèi)配備沖洗液測(cè)試儀器，以保證沖洗液性能穩(wěn)定。

(2)MBM－GTQ沖洗液的攪拌泥漿站建立以后，進(jìn)行了試攪拌，材料量由少到多并記錄沖洗液性能，以驗(yàn)證試驗(yàn)配方并優(yōu)選出最佳配方。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 MBM鹵水泥漿體系室內(nèi)試驗(yàn)

4．5．3 沖洗液配方及性能

最終使用的MBM－GTQ沖洗液基本配方:1 m3鹵水+2～3 kg純堿+40～50 kg多功能劑MBM+2．5 kg抗鹽共聚物GTQ。

泥漿性能:失水量14 mL/30 min，漏斗粘度35 s，pH 值 9，密度 1．07 g/cm3。

為了防止孔壁剝落過快，巖粉過多，可以適當(dāng)提高沖洗液密度，其目的是提高液柱壓力，平衡地層壓力，預(yù)防并避免壓力失衡;若沖洗液粘度過高導(dǎo)致泵壓過高無法鉆進(jìn)則使用稀釋劑降低粘度。若需要提高粘度，加入適量抗鹽共聚物;若要加大沖洗液密度，可加入重晶石粉。

4．5．4 沖洗液使用與維護(hù)

(1)性能測(cè)試。由技術(shù)人員或機(jī)長(zhǎng)做好對(duì)沖洗液性能的測(cè)定，每班至少測(cè)定2次(鉆遇復(fù)雜地層則增加測(cè)定次數(shù))，結(jié)合地層變化情況，對(duì)沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。

(2)性能調(diào)整。根據(jù)地表沖洗液性能指標(biāo)情況、施工地層的變化，補(bǔ)充新液或更換新漿，禁止直接在沖洗液中加入清水。原則上孔內(nèi)需要什么就補(bǔ)什么，保留有效固相去除無效固相。

(3)巖粉清除。按照現(xiàn)場(chǎng)地形盡量增大沖洗液循環(huán)系統(tǒng)的容積。循環(huán)槽長(zhǎng)度≮20 m、沉淀池容積≮1 m3、泥漿池容積≮3 m3。沉淀池設(shè)置在循環(huán)槽拐彎處，保證沖洗液更好地凈化，及時(shí)清除有害固相。

4．6 孔內(nèi)事故的預(yù)防及處理

4．6．1 孔內(nèi)事故的預(yù)防

預(yù)防孔內(nèi)事故的關(guān)鍵是保證沖洗液的質(zhì)量及循環(huán)暢通，保持孔內(nèi)清潔。預(yù)防卡、埋、燒鉆事故必須做到以下幾點(diǎn)。

(1)根據(jù)巖層特性，正確掌握沖洗液與套管的配合使用。

(2)金剛石鉆頭鉆進(jìn)，應(yīng)保證鉆桿絲扣連接密封，水泵要保證良好的工作狀態(tài)，在易坍塌巖層提鉆時(shí)要進(jìn)行鉆孔回灌，預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生。要正確操作，隨時(shí)注意孔內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)異常就及時(shí)判斷和處理。

(3)開車、磨孔前(掃彈卡、斷頭等)務(wù)必輕壓力，緩慢嘗試幾次釋放離合器，確認(rèn)無反車現(xiàn)象再開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4)每班檢測(cè)沖洗液性能參數(shù)，適時(shí)更換，以保證沖洗液性能的穩(wěn)定。

4．6．2 孔內(nèi)事故的處理過程

(2)偏斜成功后，在鉆進(jìn)至866 m時(shí)，由于提鉆時(shí)操作失誤，粗徑鉆具跑鉆掉入孔內(nèi)，打撈無效后，在844 m處第二次進(jìn)行偏斜。

(3)偏斜成功后，鉆進(jìn)至967 m時(shí)，由于831～849 m之間超徑嚴(yán)重，發(fā)生鉆桿折斷事故，打撈無效后，在841 m處進(jìn)行第三次偏斜。

5 施工組織與管理

5．1 生產(chǎn)組織

為了順利完成此次深孔施工任務(wù)，單位成立了坡北銅鎳礦鉆探施工項(xiàng)目部，項(xiàng)目部以“三控三管一協(xié)調(diào)”為主要內(nèi)容，負(fù)責(zé)機(jī)臺(tái)施工，確保機(jī)臺(tái)生產(chǎn)任務(wù)的全面完成。

5．2 技術(shù)管理

施工中，項(xiàng)目部建立了完善的管理體系，重點(diǎn)從鉆探設(shè)計(jì)編寫、鉆探施工方法選擇、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)確定、泥漿性能檢測(cè)與維護(hù)使用、鉆孔質(zhì)量保證措施落實(shí)與監(jiān)控、事故預(yù)防以及鉆孔施工數(shù)據(jù)收集、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算、鉆孔技術(shù)資料收集歸檔等方面開展技術(shù)管理工作，加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)鉆探技術(shù)管理，指導(dǎo)了機(jī)臺(tái)生產(chǎn)，保證了鉆孔順利完工。

技術(shù)管理方法和具體措施如下。

(1)技術(shù)會(huì)議。結(jié)合施工過程中出現(xiàn)的問題，由項(xiàng)目部發(fā)起并組織現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)會(huì)議，研究分析問題原因提出技術(shù)方案和措施。

(2)技術(shù)指導(dǎo)。由鉆探技術(shù)人員指導(dǎo)機(jī)臺(tái)嚴(yán)格按照鉆孔設(shè)計(jì)開展鉆孔施工，明確技術(shù)要求。指導(dǎo)施工過程中的鉆頭選擇、鉆進(jìn)參數(shù)選擇、沖洗液配置和維護(hù)、事故預(yù)防和隱患排查等關(guān)鍵環(huán)節(jié)工作，做到技術(shù)落實(shí)、措施可控。

(3)質(zhì)量保證措施。由項(xiàng)目部監(jiān)督機(jī)臺(tái)按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)規(guī)定以及深孔施工技術(shù)方案開展工作，保證鉆孔質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

(4)施工數(shù)據(jù)收集整理與歸檔。由項(xiàng)目部建立鉆孔數(shù)據(jù)收集要求和具體內(nèi)容，由現(xiàn)場(chǎng)鉆探技術(shù)員負(fù)責(zé)收集和整理。按照坡北銅鎳礦地質(zhì)項(xiàng)目組要求，由鉆探施工項(xiàng)目部協(xié)調(diào)落實(shí)相關(guān)部門、人員及時(shí)填寫鉆探技術(shù)檔案，由鉆探技術(shù)員負(fù)責(zé)具體管理，提交單位檔案室和相關(guān)部門歸檔。

6 環(huán)境保護(hù)

坡北工區(qū)位于羅布泊腹地，區(qū)內(nèi)鮮有動(dòng)植物。環(huán)保工作主要是避免和減少對(duì)施工區(qū)和生活區(qū)周圍環(huán)境的破壞。

6．1 現(xiàn)場(chǎng)三廢處理

在工地低矮處挖建廢液池，將現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械廢液、循環(huán)系統(tǒng)廢液、生活廢水、廢沖洗液引入廢液池，然后用石灰固化并掩埋處理。

6．2 保護(hù)當(dāng)?shù)氐牡孛蔡卣?/h3>

車輛盡量利用已有道路行駛，杜絕車輛在原始地貌(戈壁灘)上隨意碾軋。

6．3 終孔后恢復(fù)場(chǎng)地地貌

對(duì)生產(chǎn)中產(chǎn)生建筑垃圾，生活垃圾做掩埋處理。

7 結(jié)語

鉆探施工是一項(xiàng)涉及地上、地下眾多因素且又隱蔽的工程，只有各個(gè)因素有效、協(xié)同發(fā)揮作用才能保證施工順利進(jìn)行。坡北工區(qū)ZK2－6孔在施工中遇到了諸多困難，但最終得以完工。

坡北工區(qū)ZK2－6鉆孔的終孔，標(biāo)志著我單位對(duì)破碎蝕變地層的施工有了重大突破。我單位在深孔復(fù)雜地層施工技術(shù)方面取得了階段性的成果。

(1)深孔復(fù)雜地層施工技術(shù)水平再上一個(gè)新臺(tái)階，員工操作技術(shù)水平趨于成熟。

(2)以MBM—GTQ為主的沖洗液體系，解決了在鹵水條件下配制性能穩(wěn)定的沖洗液的難題、解決了鉆遇強(qiáng)烈蝕變地層保護(hù)孔壁的難題。實(shí)踐證明，它是一種有效且經(jīng)濟(jì)的方法，它的成功起到了良好的示范作用，值得推廣。

(3)采用技術(shù)手段和MBM—GTQ沖洗液體系相結(jié)合，完成了210 m的蝕變層鉆進(jìn)，蝕變層最厚達(dá)30 m。為以后在深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(4)掌握了深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)工藝技術(shù)，深孔鉆探事故處理經(jīng)驗(yàn)更加豐富，處理水平進(jìn)一步提高。

［1］ 付 帆，胡繼良，王新萍，等．地質(zhì)鉆探新型多功能復(fù)合劑研究與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(S2):153－156．

［2］ 紀(jì) 衛(wèi)軍，陶士先，黃衛(wèi)東，等．抗鹽共聚物在柴達(dá)木盆地西部千米科學(xué)深鉆施工中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1):29－30．

［3］ 高 元宏，楊樹強(qiáng)，陳佰輝，等．青海夏日哈木礦區(qū)地層鉆進(jìn)特點(diǎn)與鉆探工藝研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(10):36－40．

［4］ 孫 孝剛，王聰，代敏兵，等．高瓦斯涌水超厚煤系復(fù)雜地層的鉆地施工［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(10):45－46．

［5］ 鄭 思光．遷安紅山鐵礦破碎復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(8):15－18，22．

［6］ D Z/T 0227—2010，地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程［S］．

［7］ 李世忠．鉆探工藝學(xué)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1989．

［8］ 宋 世杰，陳師遜，楊芳．三山島海上金礦勘查工程ZK3410孔坍塌原因與處理［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(2):26－28，32．

［9］ 張 云峰，張敏，郝峰．新疆準(zhǔn)東煤田復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(12):6－8．