康保地區(qū)鉆探實踐與體會

李瑞東，李培林，孫秀梅，饒劍輝，李凱，曹艷麗

(河北省地礦局探礦技術研究院，河北 三河 065201)

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康保地區(qū)鉆探實踐與體會

李瑞東，李培林，孫秀梅，饒劍輝，李凱，曹艷麗

(河北省地礦局探礦技術研究院，河北 三河 065201)

本文主要介紹了康保北沙城地區(qū)鉆探施工技術措施，針對該區(qū)構造復雜，地層傾角大，易引起孔斜，同時多數(shù)鉆孔為斜孔，使鉆孔防斜難度加大，采取了一系列綜合措施，順利完成施工任務。

水敏性；地層；鉆探；防斜

1 工程概況

2015年5～9月期間，我隊承擔了多金屬成礦情況鉆探驗證工作。為查明異常區(qū)多金屬成礦詳情，依據(jù)地表槽探工程結果，分別對北沙城Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)進行深部鉆探驗證。

1.1 構造與簡要地層特征

工作區(qū)屬于華北地塊與其北部陸緣活動帶結合部位。出露地層由老至新主要有：新太古代紅旗營子群、古元古代化德群、二疊紀、上侏羅統(tǒng)、第三紀及第四紀地層。區(qū)內(nèi)褶皺構造、斷裂構造均較發(fā)育，褶皺構造主要分布在化德群戈家營子組地層和二疊紀額里圖組地層中，褶皺軸向均為北東向；斷裂構造以北東向為主，北西向次之。區(qū)內(nèi)巖漿巖極發(fā)育，以元古代晚期侵入巖、華力西期旋回侵入巖為主，少量燕山期侵入巖。

Ⅰ區(qū)上部第四系覆蓋層多由灰黃色風塵砂，褐黃、灰綠色黏質(zhì)砂土、亞黏土、黃土等組成。厚度從0～50 m變化不等，無覆蓋層直接出露的基巖風化嚴重。下面是較完整的花崗斑巖(巖漿侵入巖，長石30%～40%，石英50%～60%，少量黑云母，可鉆性8～9級)，下面是交替出現(xiàn)的完整板巖層(多為絹云千板狀板巖)、碎屑巖層(多為中粗粒長石巖屑砂巖，砂級碎屑約占70%～75%，充填物為方解石或石英細脈，可鉆性6～8級)，時而出現(xiàn)原巖為絹云千板狀板巖的破碎蝕變帶，主要為泥質(zhì)，較破碎，局部呈泥狀。

Ⅱ區(qū)上部有的是較薄的第四系覆蓋層，有的是土黃色砂質(zhì)泥巖，泥質(zhì)結構塊狀構造，較為松散，巖心多呈碎塊狀，下面基巖是交替出現(xiàn)的完整板巖層，碎屑巖層。

含礦層：金屬礦物閃鋅礦，主要賦存于花崗斑巖夾層中，主要為閃鋅礦，方鉛礦，脈石礦物為石英長石；黃褐色銀鉛礦體賦存于泥質(zhì)板巖之破碎蝕變帶中，礦石呈細?；驁F塊狀；有較強褐鐵礦化，綠泥石頭化，高嶺土化，巖心較破碎，部分呈泥狀局部呈蜂窩狀；方鉛礦、黃銅礦少量，多為斑點和細脈狀，局部沿裂隙面充填黃鐵礦，蝕變巖石具碳酸巖化、綠簾石化等。

1.2 鉆孔及鉆探工作量

北沙城Ⅰ區(qū)共施工2個鉆孔。ZK0-1鉆孔，方向235°，傾角85°，設計孔深200 m，終孔深度200.15 m，鉆孔與巖層夾角40～60°；ZK1-1鉆孔，方向235°，傾角85°，設計孔深350 m，終孔深度351.6 m，鉆孔與巖層夾角45～47°。

北沙城Ⅱ區(qū)分別施工了3個鉆孔。ZK2-1孔深511.5 m，傾角90°，方向180°；ZK3-1孔深421 m，鉆孔傾角85°，方向140°；ZK4-1孔深321.7 m，傾角80°，方向140°。

1.3 地質(zhì)鉆孔技術要求

(1)覆蓋層和基巖段全部取心，巖心采取率大于75%，礦心采取率大于85%；

(2)全孔按要求進行簡易水文觀測工作，正常鉆進時每小時觀測1次沖洗液消耗量，上鉆后、下鉆前要觀測孔內(nèi)水位，詳細記錄孔內(nèi)的漏水和消耗水情況，如遇鉆孔漏水、塌孔等異常情況，要及時作好記錄；

(3)終孔后按照規(guī)程測井及測斜，在孔深100 m以內(nèi)孔斜不大于1°，以后每增加100 m孔深孔斜不大于0.6°；

(4)鉆進見礦、終孔要求進行準確的鉆具丈量工作，誤差若小于1.5‰要進行合理平差，誤差若大于1.5‰時要重復丈量不少于兩次，并及時校正孔深；

(5)各項原始記錄做到及時、正確、清楚、完整，不得涂改，且劃改不得超過兩次，嚴禁在原始記錄上亂寫亂畫；

(6)所取巖心按順序排放，及時貼標，及時鑒定，對標志層詳細分層仔細描述；

(7)按鉆探施工通知書要求施工，現(xiàn)場進行定點，開孔方位與設計一致，誤差不得超過5 m；

(8)勘探施工結束后，對所施工鉆孔必須進行封閉，封孔必須封至第四系，封孔質(zhì)量按規(guī)程規(guī)定進行檢驗，必須保證合格。

1.4 技術難點

(1)該區(qū)構造復雜，地層傾角大，易引起孔斜，同時多數(shù)鉆孔為斜孔，使鉆孔防斜難度加大；

(2)地層多為具有水敏性地層，破碎地層尤其是含礦破碎蝕變帶，易掉塊，取心難，易發(fā)生巖心堵塞現(xiàn)象，影響鉆探效率；

(3)形成于花崗斑巖中的鉛鋅礦體層厚及夾層厚都較小，巖心易打丟；

(4)石英斑巖石英含量較高，鉆進有一定困難；

(5)礦區(qū)地形復雜，有的鉆孔布設在60°山坡上，鉆探用水需要從山下運上去，而基巖與覆蓋層交界處易漏失；

(6)5個鉆孔1 803 m，要求100天完成野外鉆探工作，工期要求緊。

2 鉆探工藝及技術措施

借鑒以往經(jīng)驗，我們以防坍塌、防孔斜、防堵塞為重點，確定鉆孔結構、沖洗液類型和配方、技術措施和施工工藝。

2.1 施工設備的選擇

根據(jù)鉆孔設計深度在500 m左右，以及本單位現(xiàn)有設備情況，選用主要設備有XY-44 型鉆機，BW-250型泥漿泵，穩(wěn)壓罐，液壓A型鉆塔，泥漿攪拌機，震動篩，JSN-2B型旋流振動除砂器，1000 m繩索絞車等；全孔均采用?71 mm繩索鐓粗鉆桿配相應口徑鉆具鉆進，套管包括?146 mm、?127 mm、?108 mm、?89 mm等規(guī)格，各種打撈錐，套管封堵泥球。

2.2 鉆孔結構及鉆進方法

盡管該區(qū)某些鉆孔無覆蓋層，但出露基巖風化嚴重，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，針對本區(qū)水敏地層較多情況，為及時有效下入套管來保護鉆孔孔壁，及時對漏失、水敏、坍塌掉塊地層封閉，采用了較大的開孔口徑來保證能下入多級套管，各級鉆進用較大直徑的鉆頭，加大鉆孔孔壁與鉆桿環(huán)狀間隙。所以全部鉆孔均為一開?152 mm，配?146 mm套管，備用預留孔徑?133 mm，配?127 mm套管，二開?116 mm，配?108 mm套管，三開?96 mm，配?89 mm套管，四開?77 mm，采用繩索鉆進。

足夠的孔壁環(huán)狀間隙適應稠泥漿鉆進和較大泵量鉆進，防止泵壓增大，保證較深孔的取心率和孔底干凈，防止起下鉆時造成的泵壓沖激效應，防止水敏地層縮徑造成起下鉆具受阻。一開采用?71 mm 鐓粗繩索鉆桿及?146 mm單管鉆具，用?152 mm鋼絲合金鉆頭鉆進，使鉆具與孔壁環(huán)狀間隙均超過3 mm；二開采用?71 mm鐓粗繩索鉆桿及?108 mm 單管鉆具，用?116 mm鋼絲合金鉆頭鉆進，使鉆具與孔壁環(huán)狀間隙超過4 mm；三開采用?71 mm 鐓粗繩索鉆桿及?89 mm單管鉆具，用?95 mm鋼絲合金鉆頭鉆進，使鉆具與孔壁環(huán)狀間隙超過3 mm；四開采用繩索鉆進，應用?71 mm鐓粗繩索鉆桿和?73 mm外管繩索鉆具，用?77.4 mm鉆頭?77.8 mm護孔器鉆進，使鉆具與孔壁環(huán)狀間隙實際達到2.5～3.5 mm。

2.3 套管護壁措施

根據(jù)地層情況合理確定各級鉆進的長度及套管深度，嚴格把控下放質(zhì)量，提高套管護壁可靠性和效果。在未發(fā)生漏失、縮徑、坍塌掉塊時一直正常鉆進，出現(xiàn)異常跡象后做好下套管準備，該長度應盡量超過換層位置3 m以上，并參照鉆孔理想柱狀圖確定套管下放的深度，防止出現(xiàn)薄夾層完整基巖，防止剛下完套管不久又出現(xiàn)漏失或坍塌。注意有蝕變破碎帶的要超過蝕變破碎帶3 m后再下套管。

2.4 換徑時注意防斜

由于跨級鉆進，為防止孔斜使用特制的導向鉆具，如圖1所示。該鉆具在普通單管鉆具的上方L處連接兩級扶正器后再連接鉆桿，保證下級孔徑開鉆的對中性。

圖1 導向鉆具

2.5 控制鉆探工藝參數(shù)，防止孔斜

由于鉆壓過大直接引起鉆孔頂角偏斜嚴重，轉速過高則易引起方位偏移。本區(qū)鉆探多數(shù)孔段采用低鉆壓、低轉速控制鉆進時效，開孔時轉速152 r/min，?116 mm 鉆進時217 r/min，?96 mm鉆進時217 r/min，?77 mm鉆進時316 r/min，換徑初期利用扶正鉆具時轉速也采用低一檔的；前兩開鉆進選用泵量96 L/min，后兩開鉆進基本為60 L/min，但應視具體情況而定，孔壁不穩(wěn)定，有坍塌掉塊跡象立刻降低一檔泵量，同時低一級轉速。

2.6 選擇適用鉆頭

由于采用了低鉆壓、低轉速、小泵量的鉆進規(guī)程，勢必造成時效降低現(xiàn)象甚至不進尺，為此我們專門訂做了幾種特殊鉆頭。

(1)本級鉆進采用階梯式?116 mm鋼絲鉆頭，以提高鉆進方向的導正性，仍用單管鉆進提高鉆速，防止堵塞。

(2)鋸齒深水口金剛石鉆頭，在板巖和碎屑巖地層鉆進中，有效低唇面面積小，所需要鉆壓很低，鉆頭不憋壓，不糊鉆，適應高黏度泥漿，可以用較高的泵量，取得了較好效果。

(3)針對石英含量較高的石英斑巖，選用大水口低溫金剛石鉆頭。

在低轉速、低鉆壓下，采用大水口來減少切削面積，增加金剛石切削顆粒的比壓，保證有效切削，使用我院低溫配方低硬度鉆頭，使鉆頭保持較高鋒利度。

2.7 選擇低固相抑制性鉆孔沖洗液體系

由于本地區(qū)地層大部分為泥巖、砂巖等典型水敏性地層，縮徑、破碎掉塊及巖屑剝離產(chǎn)生的超徑等現(xiàn)象極易發(fā)生，也容易導致孔斜率增大，如何配比泥漿，快速、穩(wěn)定鉆穿此類地層也是防斜施工的重點。針對本地區(qū)水敏地層特點，采用較高密度的泥漿以形成壓差，有利于抑制和穩(wěn)定掉塊、巖屑剝離地層孔壁。本泥漿體系具有失水量小、在孔壁形成的泥皮致密等特點，降低了水敏地層不穩(wěn)定情況的發(fā)生。配置1 m3泥漿：800 L 水+100 kg鈉土+0.2‰～0.4‰高黏CMC 1～2 kg+2‰護壁劑10 kg+5‰腐植酸鉀25 kg+純堿。泥漿性能：密度1.05 g/cm3，漏斗黏度28～35 s，pH值9～10，濾失量8～10 mL/30min，泥皮厚度0.6 mm。

為保證沖洗液的日常維護管理，配備專職泥漿工程師，每個小班配有專人配制和監(jiān)測鉆孔沖洗液性能，對孔內(nèi)返出的鉆孔沖洗液性能測試2～3次，并且作好記錄，根據(jù)測試數(shù)據(jù)變化情況調(diào)整處理劑的加量，加純堿控制pH 值在9～10。每個小班用新配制的鉆孔沖洗液替換掉1～2 m3孔內(nèi)返出的沖洗液，始終保持鉆孔沖洗液性能滿足地層護壁要求。加強觀察和檢測，發(fā)現(xiàn)性能降低時要及時調(diào)整，發(fā)現(xiàn)地層變化時也要及時調(diào)整。如由于縮徑造成起下鉆具阻力增大時，應適當多加入腐植酸鉀，減少濾失量；在破碎掉塊地層應適當增加膨潤土、護壁劑以增加孔壁穩(wěn)定性；在巖粉剝離較多超徑地層應增加膨潤土、CMC以增大泥漿密度、黏度。

在沖洗液循環(huán)系統(tǒng)設施方面，挖了兩個2 m×2 m×1.5 m泥漿池(鋪有防滲塑料膜)，兩個10 m長循環(huán)槽，配備離心式除泥機和旋流除砂器，有效降低沖洗液中的固相含量。

2.8 提下鉆操作，及時回灌

為防止由于抽吸作用造成孔壁坍塌，提下大鉆和繩索取心鉆進提內(nèi)管時必須同時回灌沖洗液。在井口套管上制做一個回灌裝置，使沖洗液基本以鉆進狀態(tài)的泵量進行回灌，沿鉆具與孔壁環(huán)狀間隙充入孔內(nèi)。

2.9 繩索鉆進加強鉆具維護

每班都要檢查兩套輪換使用的內(nèi)管總成，保持軸承轉動靈活，卡簧與巖心直徑每回次都要對比，及時更換卡簧，使取心率保持較高水平。

3 效果和體會

(1)該礦區(qū)5月20日進場，5月23日開鉆，9月10日完工，其中ZK3-1鉆孔由于測井延誤一周，如期完成鉆探任務。破碎帶有少數(shù)回次取心率85%～90%，其余100%；整孔孔斜除ZK2-1(500 m)1.7°外，均低于0.6°；施工ZK0-1鉆孔時，3層礦層均極破碎，通過調(diào)整泥漿性能護住孔壁，順利終孔；測井時由于縮徑使測井探頭投放不到位，通過掃一段、測一段的方法完成全部測井。之后的鉆孔對破碎帶加強了水泥灌注，使其他鉆孔測井順利。本次施工基本遵循施工工藝設計，通過嚴格操作，加強質(zhì)量監(jiān)督，較好地克服了該區(qū)施工困難，取得了較好效果。

(2)在松散的第四系和水敏性較強、易縮徑的第三系地層中鉆進，應選擇較大的外管與孔壁環(huán)狀間隙，降低頻繁的提下鉆具對松軟地層孔壁破壞作用，防止孔壁坍塌、掉塊引起超徑和鉆桿折斷事故。

(3)鉆進中不要只追求高時效，而要以保持泥漿的性能為主要控制點，一旦固相含量增加，就應降低鉆進時效，優(yōu)化泥漿性能，加強循環(huán)，排除孔底積聚巖屑。

(4)選擇具有針對性沖洗液配方，保護松軟煤系地層鉆進孔壁，但目前尚沒有哪一種配方能真正長時間起到護壁作用，需要隨時監(jiān)測和調(diào)整。

(5)下入套管一定要牢固，防止折斷和脫扣，提前檢查待下套管質(zhì)量，微小的疏忽會帶來重大的事故；不要輕易起拔套管進行二次下入，更不要隨意更改已下完套管狀態(tài)和規(guī)格，應盡可能一次性深下套管。

(6)簡化事故處理方法，選用更穩(wěn)妥無風險的方法。鉆進中如發(fā)現(xiàn)在某一孔段有2～3次斷鉆桿事故發(fā)生，判斷可能是孔壁坍塌超徑。由于有預留一級孔徑，可直接下入次一級套管，避開了較軟地層灌注后透孔、掃孔工作消耗大量時間和易發(fā)生孔斜的風險。

2016-09-28

李瑞東(1985-)，男，助理工程師，從事鉆探工程施工和技術研究工作，河北省三河市燕郊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)京榆大街239號，E-mail：251913142@qq.com。

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