貴州省開陽(yáng)礦業(yè)整裝項(xiàng)目超深孔鉆進(jìn)實(shí)踐

夏建湘

（湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四〇八隊(duì)，湖南 郴州 423000）

開陽(yáng)磷礦擬投入鉆探進(jìn)尺5.8萬米，設(shè)計(jì)孔深在900—2000米之間。整裝勘查區(qū)位于貴州省中部，行政區(qū)劃隸屬于貴州省開陽(yáng)縣、息烽縣和甕安縣。ZK309孔，孔深1830.18米，位于貴州省開陽(yáng)縣馮三鎮(zhèn)四坪村瓦廠林組，屬高原中山侵蝕、溶蝕地形地貌，地形切割中等，最高海拔約1713米，最低海拔約1073m，區(qū)內(nèi)植被覆蓋率較高。屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅登逅由嫌?，水系較發(fā)育。年平均氣溫12.8℃。年平均降雨量1419.51mm。

1 鉆進(jìn)施工過程中存在的主要困難

鉆探工期緊，工作量大，大體要求在1年時(shí)間內(nèi)完成5萬米鉆探工作量。這就要求盡可能的提高鉆進(jìn)效率，避免報(bào)廢工作量。

地層復(fù)雜，節(jié)理、裂隙及溶蝕孔洞發(fā)育、構(gòu)造斷裂帶發(fā)育、巖石破碎、存在鉆進(jìn)全過程中沖洗液漏失問題。

巖性組合復(fù)雜，風(fēng)化帶、蝕變帶、構(gòu)造破碎帶、巖石軟硬不勻，結(jié)構(gòu)松散，局部存在斷層泥，水敏性地層縮徑、垮塌，施工中存在鉆進(jìn)困難，孔壁不穩(wěn)，易發(fā)生掉塊、坍塌、縮徑、漏失等嚴(yán)重影響鉆進(jìn)安全的孔內(nèi)事故，以往施工中發(fā)生多起因坍塌而報(bào)廢鉆孔的事故。

下部灰質(zhì)粘土巖、砂屑磷塊巖、粘土巖、白云巖斷裂帶易發(fā)生堵芯、憋泵、回次進(jìn)尺少、鉆進(jìn)效率低、取芯困難等問題。

2 ZK309深孔鉆探施工情況及鉆進(jìn)處理

2.1 開孔前準(zhǔn)備

平整場(chǎng)地時(shí)為保證鉆機(jī)坐穩(wěn)坐牢，對(duì)塔腳地基進(jìn)行了加固，避免底盤不穩(wěn)導(dǎo)致孔斜和鉆塔傾覆事故，并對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行了水泥硬化。泥漿池尺寸為3m×2m×1.5m，挖筑時(shí)嚴(yán)格按尺寸數(shù)字施工，并保持方正，便于在以后施工過程中計(jì)算和觀察泥漿的消耗量。兩個(gè)沉淀池為2m×2m×1.5m.循環(huán)槽長(zhǎng)度15m，槽高30mm,寬32mm稍大于平頭鏟寬度，便于用平頭鏟清除巖屑。整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)均搭好雨棚，方便泥漿材料的存放、保管和杜絕雨水流進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)。鉆機(jī)安裝周正、穩(wěn)固，確保天車、立軸、孔口中心三點(diǎn)成一條直線，場(chǎng)內(nèi)設(shè)備分布合理、適用，安全設(shè)施齊全，于2013年10月8日開孔。

2.2 上部地層（151m以淺）的鉆進(jìn)過程

開孔鉆遇覆蓋層主要為松散沉積地層，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)性較差。采用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，泥漿配比為：水1m3+低粘增效粉5%+高粘度羚甲基纖維素0.5%+廣譜護(hù)壁劑0.5%+聚丙烯酸鉀0.3%。該泥漿性能：粘度26s，密度1.05g/ cm3，失水量9ml/30min，使用效果好，鉆進(jìn)順利，未出現(xiàn)漏水、孔壁不穩(wěn)的情況，鉆至16m開始見白云巖基巖，再繼續(xù)鉆進(jìn)至30m位置遇完整巖心，下入第一層Ф127mm套管30m.

然后換用Ф110mm普通金剛石鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中遇白云巖、灰?guī)r漏失，并伴有掉塊現(xiàn)象，考慮到Ф110mm金剛石單管鉆具鉆進(jìn)效率不高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，取芯困難，單管鉆具強(qiáng)度有限等因素，鉆至51m巖心完整時(shí)，下入第二層Ф108mm活動(dòng)技術(shù)套管，考慮到技術(shù)套管有加深的可能，為確保活動(dòng)套管順利起拔，在下入活動(dòng)技術(shù)套管時(shí)采用了“披衣穿襪”式的處理措施，用廢機(jī)油和黃油等材料混合的自制潤(rùn)滑劑涂滿套管表面，以便于起拔和加強(qiáng)密封效果，將套管最下端0.5m范圍內(nèi)纏繞一層干海帶，外部用麻布纏緊，用來防止巖粉進(jìn)入活動(dòng)套管間隙內(nèi)，套管底部也一同包起，防止下入套管過程中干海帶和麻布向上滑動(dòng)，影響底部密封效果，麻布外層也涂上自制潤(rùn)滑劑。經(jīng)過“披衣穿襪”式的處理措施處理后，順利的下入了Ф108mm活動(dòng)技術(shù)套管51m。

然后換Ф95mm繩索取芯鉆進(jìn)工藝?yán)^續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中遇白云巖、砂巖、灰?guī)r破碎、漏水，隨鉆堵漏無效，至150m深位置時(shí)鉆孔全漏失，穿過該破碎、漏水層至151m位置時(shí)，起拔活動(dòng)套管，起拔過程十分順利，證明采用的“披衣穿襪”式處理措施有效，接著換用Ф110mm鉆具帶導(dǎo)向擴(kuò)孔至151m后，重新下入第二層Ф108mm技術(shù)套管共計(jì)151m。

2.3 Ф95mm孔徑繩索取芯鉆進(jìn)工藝及處理措施

（1）護(hù)壁堵漏技術(shù)措施

該孔由于存在構(gòu)造斷裂帶發(fā)育，巖層存在裂隙發(fā)育，巖石破碎等復(fù)雜情況，鉆孔漏水一直是施工過程中重大問題之一，在鉆進(jìn)140—150m孔深段過程中，由于巖心破碎，漏水嚴(yán)重等問題采用水泥封堵過一次，耗時(shí)6天，剛開始孔口返水還正常，然后又逐步失返，隨著鉆桿回轉(zhuǎn)敲打孔壁，掉塊、卡鉆現(xiàn)象仍有發(fā)生，證明這次水泥封堵周期長(zhǎng)，效果不理想，造出的水泥孔壁不牢固，不得不在151m位置拔出Ф108mm活動(dòng)套管，再擴(kuò)孔至151m后，重新下Ф108mm套管151m。

根據(jù)該孔的地質(zhì)條件和地層特點(diǎn)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析漏失現(xiàn)象，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，分析認(rèn)為漏失通道為微裂隙或者裂隙，且裂隙直徑不會(huì)太大，漏失類型屬于滲透性漏失，針對(duì)漏失情況研究出一套適合該孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)的護(hù)壁堵漏技術(shù)，有效地解決了該孔的護(hù)壁堵漏問題。

第一種：觀察孔口返漿減少量在1/3內(nèi)，發(fā)生輕微漏失，可在上面泥漿配制方案基礎(chǔ)配方另外再加入隨鉆堵漏劑，具體加量視漏失程度而定（5—15kg/m3）.

繩索取芯液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)與傳統(tǒng)鉆進(jìn)技術(shù)施工效果指標(biāo)對(duì)比表：

第二種：明顯觀察到孔口返漿迅速減少，減少量在1/2左右，屬中等漏失，需添加惰性堵漏材料，具體配方：水1m3+低粘增效粉4%+高粘度羚甲基纖維素0.8%+廣譜護(hù)壁劑0.3%+聚丙烯酸鉀0.2%+高效潤(rùn)滑劑（GLUB）0.5%+鋸末、棉絮、纖維類惰性材料2—3%。

第三種：全漏失，該孔共出現(xiàn)全漏失5次，Ф95mm孔徑段3次，Ф75mm孔徑段2次，采用“高粘堵漏劑壓差法”專程堵漏方案均取得明顯的堵漏效果。

（2）鉆進(jìn)過程

順利下入Ф108mm技術(shù)套管后，下部巖層仍存在斷裂破碎帶較多，巖石破碎、裂隙發(fā)育、水敏性地層縮徑、擴(kuò)徑、坍塌等嚴(yán)重影響孔內(nèi)安全的施工隱患，為了保證鉆進(jìn)效率，巖心采取率和鉆孔垂直度，采用Ф95mm繩索取芯鉆進(jìn)工藝，選用高胎體長(zhǎng)壽命的薄壁孕鑲金剛石繩索取芯鉆頭（46/60的HRC30—35的鉆頭）鉆進(jìn)，采用上面所述的泥漿配比方案和護(hù)壁堵漏技術(shù)，鉆進(jìn)中雖然還存在漏失和輕微掉塊現(xiàn)象，但總體上保持進(jìn)尺穩(wěn)定，孔壁穩(wěn)定，孔底干凈。鉆進(jìn)至540m巖心完整，下入第三層Ф89mm活動(dòng)技術(shù)套管540m，所下入的套管采用上面所述的“披衣穿襪”法進(jìn)行處理后，下入過程安全順利。

再換用Ф75mm繩索取芯鉆進(jìn)工藝?yán)^續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至孔深700m后，開始出現(xiàn)巖粉增多，堵芯憋泵，回次進(jìn)尺減少，回轉(zhuǎn)阻力增大，鉆進(jìn)效率降低等諸多問題，現(xiàn)場(chǎng)分析認(rèn)為在砂巖夾粘土巖，鈣質(zhì)粘土巖夾粘土質(zhì)砂巖斷裂帶出現(xiàn)坍塌，針對(duì)該問題調(diào)整泥漿配比方案，具體配比：水1m3+低粘增效粉3%+高粘度羚甲基纖維素0.5%+廣譜護(hù)壁劑1.5%+聚丙烯酸鉀0.5%+高效潤(rùn)滑劑1%。泥漿性能：密度1.03g/ cm3，粘度28s，失水量5ml/30min。調(diào)整后的泥漿有效地抑制濾水量，快速穩(wěn)定造壁，增加破碎地層碎塊的膠結(jié)能力，對(duì)掉塊、坍塌現(xiàn)象起到了較好的抑制效果，同時(shí)降低摩阻力，提高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速可用650r/min，鉆壓控制在15KN左右，泵量50—70L/min，在該段鉆進(jìn)過程中孔外出現(xiàn)一次BW—250型泥漿泵軸承損壞的機(jī)械故障和孔內(nèi)連續(xù)發(fā)生三次斷鉆桿事故，下入公錐都較順利撈出段落鉆桿，分析認(rèn)為該處出現(xiàn)垮孔產(chǎn)生“大肚子”，鉆穿該層至750m，孔深位置出現(xiàn)完整巖心后，重新起拔Ф89mm活動(dòng)套管，由于下套管時(shí)處理措施有效，540m套管全部順利拔出。

再換用Ф95mm繩索取芯鉆具擴(kuò)孔至750m孔深位置后，重新下入第三層Ф89mm活動(dòng)技術(shù)套管750m，隔離該破碎坍塌帶。

2.4 下部地層（750m以深至終孔）的鉆進(jìn)

在上段鉆孔施工中，鉆進(jìn)比較困難，鉆屑多且鉆渣顆粒粗大，而金剛石繩索取芯鉆進(jìn)鉆孔與鉆具的環(huán)狀間隙小，泥漿粘度增大后泵壓迅速升高，泵壓高造成孔內(nèi)激動(dòng)壓差大，對(duì)孔壁穩(wěn)定破壞嚴(yán)重，為此，在重新下入Ф89mm套管后，采用將Ф75mm繩索取芯鉆頭加大到Ф77mm，由于環(huán)狀間隙的增大，改善了環(huán)空流態(tài)，降低了泵壓，有利于復(fù)雜地層鉆進(jìn)保持孔壁穩(wěn)定，提高鉆進(jìn)效率。同時(shí)BW—250型泥漿泵已不能滿足要求，更換使用BW—320型泥漿泵。

以往我隊(duì)曾經(jīng)多次使用過液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，但因?qū)δ酀{體系的配制和管理使用未能滿足液動(dòng)潛孔錘使用要求，當(dāng)時(shí)液動(dòng)潛孔錘質(zhì)量本身也有不足等原因，在深孔鉆進(jìn)中未能發(fā)揮出明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)低粘增效粉配制泥漿體系的成功有效運(yùn)用，對(duì)泥漿性能的控制日益成熟，最后決定采用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的SYZX75型繩索取芯液動(dòng)潛孔錘鉆具鉆進(jìn)下部地層。

液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)在碎巖過程中，既有回轉(zhuǎn)方向的回轉(zhuǎn)力，又有軸向方向的沖擊力，而這種向下作用的沖擊力，強(qiáng)化了鉆進(jìn)規(guī)程，加大了鉆頭破巖速度，有效清除破碎地層巖心的自行卡堵，延長(zhǎng)了回次進(jìn)尺，攻克堅(jiān)硬致密地層的打滑和防止鉆孔彎曲，提高了巖（礦）的采取率，具有鉆孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高的巨大優(yōu)勢(shì)。

SYZX75型繩索取芯液動(dòng)錘是由雙噴嘴復(fù)合液動(dòng)錘與繩索取芯鉆具結(jié)合而成的。液動(dòng)錘采用了容積式?jīng)_擊工作原理，大幅度地減少了沖程阻力，沖錘行程15—25mm，自由行程5—8mm，工作泵壓0.5—2mpa，沖擊頻率25—40Hz，沖擊力10—50J。沖洗液最好使用無固相沖洗液，但因該孔地層復(fù)雜，裂隙較多，巖心破碎與軟硬互層時(shí)常交替出現(xiàn)，為保證鉆進(jìn)順利，仍采用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿。同時(shí)，采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)，泥漿潤(rùn)滑性能也非常關(guān)鍵，對(duì)失水量和含砂量的要求更高，泥漿配方：水1m3+低粘增效粉3%+高粘度羚甲基纖維素0.3%+廣譜護(hù)壁劑1%+聚丙烯酸鉀0.3%+高效潤(rùn)滑劑0.5%。泥漿性能：密度1.02g/ cm3，粘度25s，失水量6ml/30min。

繩索取芯液動(dòng)錘鉆進(jìn)使用的鉆壓和轉(zhuǎn)速略低于普通繩索取芯金剛石鉆進(jìn)，初壓8—10KN，正常鉆壓控制在10—13KN，轉(zhuǎn)速316—970r/min，由于繩索取芯液動(dòng)錘鉆進(jìn)時(shí)液動(dòng)錘是靠泥漿泵產(chǎn)生的高壓流驅(qū)動(dòng)，工作范圍內(nèi)可根據(jù)地層的可鉆性調(diào)節(jié)相應(yīng)的泵量，在所鉆地層條件允許的情況下，采用較大的泵量，一般為50—90L/min，正常泵壓在3—4mpa范圍內(nèi)。

使用繩索取芯液動(dòng)錘鉆進(jìn)以后，加大了對(duì)泥漿性能維護(hù)力度，更換了更細(xì)一級(jí)的振動(dòng)篩篩網(wǎng)，增加了清除巖屑的頻率，，每班至少測(cè)定一次泥漿性能，根據(jù)泥漿使用情況及時(shí)調(diào)整維護(hù)，由于措施得力，液動(dòng)錘僅小型維修過三次，實(shí)現(xiàn)了深部復(fù)雜破碎地層鉆探生產(chǎn)效率明顯提高的效果，于2013年12月26日順利終孔，終孔孔深1830.18米。

3 總結(jié)

ZK309深孔地層復(fù)雜，構(gòu)造斷裂帶發(fā)育、巖層破碎、漏失嚴(yán)重，通過使用低粘增效粉配制的低固相泥漿體系的綜合治理實(shí)踐，順利解決該孔深部復(fù)雜破碎地層的鉆進(jìn)難題。該孔采用的護(hù)壁堵漏技術(shù)措施工藝簡(jiǎn)單，實(shí)用有效，有力保障了鉆孔的順利施工。繩索取芯液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)應(yīng)用成功，臺(tái)月效率788.32m，巖心采取率95.16%，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)效率高，鉆孔質(zhì)量好，巖心采取率高，鉆頭時(shí)效高、壽命長(zhǎng)，鉆孔垂直度高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為今后的深孔復(fù)雜地層施工提供了快捷、安全的鉆進(jìn)處理技術(shù)，為今后推廣使用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。