小秦嶺北礦帶厚覆蓋層鉆探技術研究

張青海

(河南省地質礦產勘查開發(fā)局第三地質勘查院，河南 鄭州 450000)

1 概況

小秦嶺北礦帶勘查鉆探工程(大湖礦區(qū)和橋上寨礦區(qū))，位于河南省靈寶市陽平鎮(zhèn)，北鄰隴海鐵路，距靈寶、故縣10～30 km，礦區(qū)有簡易公路，交通較為便利。礦區(qū)區(qū)域位于小秦嶺山脈北麓山前基巖與黃土層的交接帶上，屬于山前黃土塬區(qū)的南側。厚覆蓋層區(qū)域處在山前溝槽帶上，上部覆蓋層為第四系沉積物，其厚度700～950 m，地層主要為含塊石、砂礫、粘土，0～300 m砂礫較大，粒徑多為10～50 mm，局部大于50 mm，底部有風化沖積礫石，巖層條件復雜；覆蓋層下部為基巖，基巖屬于中研磨性和弱研磨性地層，巖石級別8～9級，較為完整，可鉆性較差。

該區(qū)域設計鉆孔2個，大湖礦區(qū)ZK12011孔設計孔深1200 m，覆蓋層厚度約700 m；橋上寨礦區(qū)SZK613-1孔設計孔深1500 m，覆蓋層厚度約950 m。鉆探施工中經常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、塌孔等惡性事故，甚至造成鉆孔報廢，嚴重制約鉆探效率，造成鉆探成本過高。因此，針對北礦帶礦區(qū)厚覆蓋層的鉆進技術難點，我們在收集已有鉆孔施工資料及孔內事故處理技術的基礎上，通過沖洗液配制與試驗、孔內鉆具試驗及聘請專家技術指導等方法，開展該區(qū)域鉆探技術研究，總結了一套厚覆蓋層鉆探技術措施。

2 技術難點及前期施工遇到的問題

小秦嶺北礦帶大湖礦區(qū)、橋上寨礦區(qū)巨礫厚覆蓋層鉆探施工中均出現(xiàn)以下技術難點。

2.1 地層因素

(1)覆蓋層成分復雜，斷鉆桿事故多發(fā)。由于覆蓋層主要由滾石、砂礫、粘土等交替堆積而成，其組成成分復雜；滾石由花崗巖、片麻巖、石英巖等混合出現(xiàn)，滾石大小不均，鉆孔表現(xiàn)為100～800 m，滾石比例占覆蓋層厚度的30%～40%，滾石可鉆性級別較高。該礦區(qū)鉆進方法基本采用全孔普通金剛石鉆進和普通金剛石與繩索取心金剛石混合鉆進法，使用?50 mm外絲鉆桿和?71 mm繩索取心鉆桿。施工中斷鉆桿事故頻發(fā)，多個鉆孔出現(xiàn)因斷鉆桿導致報廢部分鉆探工作量或鉆孔報廢重新移位。

(2)覆蓋層水敏性強，鉆孔縮徑卡鉆事故多發(fā)。水敏性地層主要是粘土層，粘土易吸水膨脹發(fā)生孔壁破壞坍塌，而且沖洗液質量下降容易造成鉆頭泥包，導致卡鉆、縮徑等事故多發(fā)。

(3)覆蓋層成孔后易失穩(wěn)，鉆孔坍塌埋鉆事故多發(fā)。在覆蓋層中松散的砂礫層及塊狀的碎石層孔段，當巖石被鉆開形成新的孔眼后，新孔壁的巖石就失去了被鉆掉巖石的支持而喪失平衡，孔壁便形成了自由面。在巖石水平側壓力作用下，松動的巖石就會向孔內移動(完整巖石由于具有一定的結構強度而不易向孔內移動)，導致施工受阻，造成孔壁坍塌、埋鉆等事故發(fā)生。

2.2 鉆孔結構選擇不合理[1]

由于北礦帶厚覆蓋層地質條件極其復雜，覆蓋層比較厚，在換徑技術上，鉆孔結構選擇較為復雜，換徑次數(shù)多，導致孔斜的概率大，鉆孔質量不佳。其鉆孔結構如下：

一開：?150 mm鉆至10 m左右，下入?146 mm孔口管；

二開：?130 mm鉆至200～300 m，下入?127 mm套管；

三開：?113 mm鉆至500～600 m,下入?108 mm套管；

四開：?94 mm鉆至基巖700～950 m,下入?89 mm套管；

五開：?77 mm全繩索取心鉆進至終孔。

2.3 鉆桿選擇問題

北礦帶厚覆蓋層鉆進方法采取金剛石繩索取心與金剛石提鉆取心混合鉆進法，即覆蓋層采用?50 mm外絲鉆桿提鉆金剛石鉆進；覆蓋層下部(基巖)采用?71 mm金剛石繩索取心鉆進。但由于?50 mm鉆桿對孔壁擺動作用，造成鉆孔超徑，易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

2.4 沖洗液選擇問題

在厚覆蓋地層鉆孔造壁的過程中，由于對沖洗液配方和性能指標(密度、失水量、粘度和切力等)沒有做針對性的合理選擇，引起孔壁發(fā)生坍塌、卡鉆、掉塊、埋鉆等孔內事故。

3 鉆探技術對策

為了解決北礦帶厚覆蓋層鉆探技術難題，減少厚覆蓋層鉆探施工的孔內事故，降低鉆探成本，提高鉆探效率，我們從鉆進方法選擇、設備選型、鉆孔結構布置以及沖洗液的選擇等幾個方面著手，采取針對性的技術措施。

3.1 設備的選擇[2-3]

小秦嶺北礦帶鉆孔深度在1200～1500 m，礦層埋藏深度基本在1100 m以深，終孔口徑為77 mm，鉆探工藝以金剛石繩索取心為主，并且覆蓋層厚，地層條件復雜，鉆進難度大，因此從負荷能力、生產能力、經濟性、成本和安全問題考慮，立足于國產鉆探設備，選擇XY-6B型立軸式鉆機；BW-320型泥漿泵；120 kW柴油發(fā)電機；NY-1型泥漿測試儀；JXY-2型測斜儀。

采用SJ71鉆桿，參數(shù)為：兩端鐓粗部分，外徑73 mm，內徑58 mm，鉆桿體的外徑71 mm，壁厚5 mm，長度3 m(±0.03 m)。

3.2 鉆進方法

由于大湖礦區(qū)巨礫厚覆蓋層中塊石、砂礫、粘土等交替堆積，貫穿于整個覆蓋層中，塊石、砂礫在覆蓋層中的比例約為30%，為了提高鉆進效率，采用金剛石繩索取心與金剛石提鉆取心混合鉆進法，即覆蓋層中采用提鉆金剛石鉆進(地質設計覆蓋層不取心，但由于塊石含量大，可鉆性極差，必須取心鉆進)，進入基巖后采用金剛石繩索取心鉆進。

3.3 鉆孔結構[4-5]

3.3.1 鉆桿選擇

根據北礦帶覆蓋層復雜地層及鉆孔結構設計特點，為提高鉆進效率，改變覆蓋層混合鉆進方法，保證鉆具與孔徑相匹配，減少鉆桿的擺動，減少下入套管，減少換徑次數(shù)。采用以?71 mm金剛石繩索取心為主鉆桿鉆進，這種鉆進方法可減少?50 mm鉆桿對孔壁擺動超徑，避免卡鉆、埋鉆事故，節(jié)省大量?50 mm鉆桿費用，避免了打撈事故。

3.3.2 鉆具組合

一開：?71 mm繩索取心鉆桿+?127 mm巖心管+?130 mm金剛石鉆頭；

二開：?71 mm繩索取心鉆桿+?108 mm巖心管+?113 mm金剛石鉆頭；

三開：?71 mm繩索取心鉆桿+?89 mm巖心管+?94 mm金剛石鉆頭；

四開：?77 mm全繩索取心鉆具至終孔。

3.3.3 鉆孔結構與套管程序確定

從確定終孔直徑開始，然后確定套管固孔的孔段、下入套管的深度、直徑和每段深度的孔徑，孔徑和套管直徑的選擇按自下而上的原則進行；預留?60 mm口徑，以便應對復雜地層及孔內事故的處理，確保所需要的終孔直徑。

一開：開孔用?130 mm金剛石鉆頭鉆進，鉆至10 m左右，下入?127 mm套管并固定作為孔口管；

二開：用?113 mm金剛石鉆頭鉆進，鉆至200～300 m，下入?108 mm套管，能有效的控制易塌易漏等問題；

三開：用?94 mm金剛石鉆頭鉆進，鉆至基巖400～950 m，下入?89 mm技術套管，隔離覆蓋層碎石層或斷層，并為基巖繩索取心鉆進提供通道；

四開：用?77 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆進，鉆至終孔。

從鉆孔結構與套管程序來看，針對厚覆蓋層鉆孔繩索取心鉆進必須下套管的特點，增大鉆具的扭矩和鉆桿外徑與孔壁之間間隙，優(yōu)化一級開孔口徑，減少了?150 mm，增加了?94 mm進尺長度，節(jié)約了套管數(shù)量，縮短施工周期，降低勞動強度，節(jié)約成本，保證質量，提升了安全系數(shù)。

3.4 鉆進技術參數(shù)

北礦帶厚覆蓋層金剛石鉆進主要技術參數(shù)見表1。

3.5 沖洗液護壁技術[6-7]

表1 鉆進技術參數(shù)Table 1 Technical Parameters of drilling

覆蓋層主要由滾石、砂礫、粘土等交替堆積而成，形成不穩(wěn)定地層，在厚覆蓋地層鉆孔造壁的過程中，引起孔壁坍塌、縮徑、卡鉆和糊鉆事故。造成事故原因，一是沒有對沖洗液性能指標做針對性的調整和現(xiàn)場試驗，二是沖洗液性能與地層巖性不相適應。為了治理北礦帶厚覆蓋層，防止鉆孔坍塌或漏失、涌水等問題，并且通過理論與實踐相結合，合理選擇沖洗液密度、粘度、失水量等方法進行堵漏。

3.5.1 沖洗液密度的選擇

在巖層松散、坍塌、破碎孔段，當鉆孔形成新的孔眼后，新孔壁的巖石就失去了被鉆掉巖石的支持而喪失平衡。為保證地層穩(wěn)定，根據北礦帶厚覆蓋層的地層復雜特點，沖洗液密度不得低于1.15 kg/L。

3.5.2 沖洗液粘度和靜切力的選擇

對覆蓋層，沖洗液的粘度和切力是兩個重要參數(shù)，它們直接關系到沖洗液的懸浮巖屑、攜帶巖屑、地面沉淀巖屑，以及起下鉆時壓力激動引起孔壁穩(wěn)定問題，對鉆進速度和孔內安全有著重要作用。在沖洗液密度一定的情況下，只要足以懸浮巖屑，粘度和靜切力應盡可能降低。

在覆蓋層正常鉆孔情況下，要求沖洗液的漏斗粘度在18～20 s；在漏失和破碎地層中可以適當提高粘度和切力，覆蓋層25～30 s,水敏性地層20～22 s。

3.5.3 沖洗液失水量的選擇

在鉆孔造壁的過程中，由于沖洗液失水量大，失水濾液對孔壁的浸泡、溶蝕作用就大，易引起孔壁發(fā)生坍塌，使孔壁泥餅結厚以及泥漿稠化而導致泥餅卡鉆和糊鉆事故。為保持孔壁穩(wěn)定，避免事故，必須控制沖洗液失水量，控制可分兩種情況：

(1)水敏性地層要嚴格控制失水量。覆蓋層在水敏性地層中，影響孔壁坍塌的主要原因是沖洗液失水量，特別是水化剝落地層(如風化的花崗巖、片巖、大理巖等)以及水化膨脹地層(如粘土巖、泥巖、頁巖等)。前者遇水成顆粒狀剝落，出現(xiàn)橢圓形，后者遇水膨脹，孔壁縮徑，常引起泥夾糊鉆、夾鉆。這兩種地層失水量必須控制在3～5 mL/30 min,其他水敏性地層可以放寬到6～8 mL/30 min。

(2)破碎性地層和孔隙巖溶地層適當控制失水量。覆蓋層破碎性地層和孔隙巖溶地層，適當控制失水量，使泥皮具有薄而韌的質量，以增加膠結強度和在孔壁上的附著強度，對保持孔壁穩(wěn)定有著重要作用。但是，對破碎性地層無論是松散破碎性地層(如覆蓋層、流砂層、砂礫層等)還是硬脆碎性地層，主要是機械性質不穩(wěn)定，要求沖洗液有較高的粘度和密度，以保持側壓力的平衡。礦區(qū)覆蓋層中這類地層的失水量可控制在7～9 mL/30 min。

3.5.4 沖洗液配方優(yōu)選

3.5.4.1 普通沖洗液(開孔)

開孔段0～10 m，使用普通沖洗液。主要有鈉土粉與碳酸鈉為沖洗液性能調節(jié)劑，能較好抑制粘土遇水膨脹，減少粘土坍塌的可能性，起到穩(wěn)定孔壁的作用。

大湖礦區(qū)配方：1 m3水+60 kg鈉土粉+Na2CO3(少量)。

橋上寨礦區(qū)配方：1 m3水+75 kg鈉土粉+Na2CO3(少量)。

3.5.4.2 PHP-HPAN“雙聚”沖洗液

用于厚覆蓋層10～300 m，“雙聚”沖洗液主要有PHP(水解聚丙烯酰胺)和HPAN(水解聚丙烯晴)為沖洗液性能調節(jié)劑，為分散低固相沖洗液，具有粘度高、失水量少、密度小及含砂量小等特點，起到提粘、降失水的作用。可抑制粘土、砂礫、泥巖層等遇水膨脹，剝落而導致鉆孔縮徑、坍塌等問題，保證孔壁穩(wěn)定性。

配方：粘土∶水∶純堿∶HPAN∶PHP=1∶20∶0.06∶0.1∶0.1～0.2。

3.5.4.3 磺化瀝青沖洗液

磺化瀝青是一種既部分溶于水又溶于油的棕黑色物質，沖洗液中加入磺化瀝青后，可阻止水浸入破碎巖層，抑制粘土膨脹和頁巖、泥巖分散，減少坍塌的可能性，起到穩(wěn)定孔壁的作用。磺化瀝青沖洗液用于厚覆蓋層400～950 m。

基漿配方：清水+膨潤土5%+純堿4%。

磺化瀝青沖洗液：基漿+100～150 mg/L濃度1%的PHP+0.1%～0.3%CMC+0.5%～1%KHm+1%～5%磺化瀝青。

4 孔內事故預防及處理原則

4.1 鉆桿防斷防脫扣技術措施[8-11]

鉆進過程中，鉆桿絲扣處是整個鉆桿柱最薄弱的地方，鉆桿發(fā)生折斷脫扣問題，基本都在這個位置，頻繁的出現(xiàn)鉆桿斷脫現(xiàn)象，極易造成由簡單事故到惡性事故的轉換，因此防鉆桿斷脫技術措施，是深孔鉆進不可忽視的環(huán)節(jié)。

4.1.1 合理控制起鉆間隔

在北礦帶覆蓋層鉆進中，必須控制鉆桿在孔內的連續(xù)工作時間。增大提鉆間隔，延長鉆桿在孔內的工作時間可以提高鉆進效率，但必須合理控制，防止鉆桿在孔內工作時間過長，造成疲勞破壞。鉆桿在孔內最大工作時間控制在72 h。

4.1.2 合理調配沖洗液性能

覆蓋層鉆進中，要加強沖洗液的維護與管理，沖洗液中含砂量大時，采用化學沉渣與自然沉渣凈化，保證沖洗液的排粉與潤滑性能。

4.1.3 絲扣油配方選擇

由于厚覆蓋層地質復雜，鉆桿接頭多，為防止鉆桿絲扣處漏失沖洗液，在絲扣上抹上絲扣油，絲扣油配方：石墨粉∶黃油∶廢機油=1∶2.2∶0.3。

4.1.4 鉆桿在孔內的工作狀況分析

在厚覆蓋層鉆進過程中，鉆桿受力嚴重部位是下部、孔口處和中和點附近。特別是中和點以上鉆桿，在鉆進中承受近200 kN的拉伸力，又承受回轉的扭矩，受力極其復雜，是鉆桿折斷的主要部位。因此，為防止鉆桿斷脫事故，要在這些部位換用連接可靠、狀況較好的鉆桿。

4.2 孔內事故處理原則[12-14]

由于北礦帶厚覆蓋層鉆孔深度大，鉆遇的地層復雜，加之繩索取心鉆進環(huán)狀間隙較小，所以，深孔引發(fā)孔內事故的隱患相對較多。為了事故處理的方便，避免一些簡單事故轉變?yōu)閻盒允鹿?，制定了處理事故的原則：

(1)發(fā)生事故后要準確計算孔深，量準機上余尺，不得強轉、硬拉，一是防止強轉扭斷鉆桿及給反鉆桿帶來困難(特別是繩索取心鉆桿)，二是硬拉會把鉆具拉得更死，或拉脫鉆桿，給后面處理帶來難度。

(2)采用可退式撈矛打撈事故鉆桿，該撈矛進入事故頭后，可自行卡緊鉆桿內壁，亦可在提拉不動事故鉆桿時，退出事故頭，避免絲錐撈鉆桿時將鉆桿頭錐劈和錐死鉆桿的現(xiàn)象。

(3)處理方案要保證不給孔內帶來后患，方案要有連續(xù)性，以爭取處理時間。

5 生產效果

針對小秦嶺北礦帶大湖礦區(qū)ZK12011孔和橋上寨礦區(qū)SZK613-1孔厚覆蓋層鉆孔存在技術難點問題，開展鉆探技術研究，主要任務是對鉆孔結構設計不合理進行優(yōu)化，提出適宜在該礦區(qū)厚覆蓋層地區(qū)繩索取心鉆進方法，合理選擇護壁性能好的沖洗液；總結了解決厚覆蓋層鉆進頻繁斷鉆桿的措施。通過解決以上關鍵鉆探技術問題，降低了厚覆蓋層鉆探施工的孔內事故，降低了鉆探成本，提高了鉆探效率。最終小秦嶺北礦帶厚覆蓋層鉆探施工鉆孔效率：大湖礦區(qū)臺月效率480 m，孔內事故率3.4%，合格孔率100%；橋上寨礦區(qū)臺月效率430 m，孔內事故率4.7%，合格孔率100%。實踐證明，北礦帶厚覆蓋層鉆探技術措施是可行的，獲得了好的鉆探經濟技術效果。

6 結語

通過對小秦嶺北礦帶厚覆蓋層的鉆探技術研究可以看出，我們對復雜地層進行地層成因分析，在鉆探工藝選擇與鉆孔結構設計時充分考慮這些因素，施工中就一定能克服鉆探過程中存在的各種困難，最終完成鉆探任務。