全面鉆進(jìn)工藝在甘肅陽(yáng)山礦區(qū)失返性漏失地層中的應(yīng)用

羅 龍，曹灶開(kāi)，楊 科，樊臘生

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川成都610036；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610036）

1 地質(zhì)概況

甘肅陽(yáng)山礦區(qū)主要由第四系殘坡積物、碎裂巖、鈣（碳）泥質(zhì)千枚巖、灰?guī)r、斜長(zhǎng)花崗斑巖、硅質(zhì)巖及石英砂巖脈組成。其中，第四系覆蓋層厚度較大，且發(fā)育大量滾石，滾石以灰?guī)r為主；千枚巖呈淺灰色、細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，絹云母化、硅化較強(qiáng)，千枚理發(fā)育，局部碎裂；灰?guī)r呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬；斜長(zhǎng)花崗斑巖呈淺灰色、斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，硅化較強(qiáng)，局部破碎；硅質(zhì)巖及石英砂巖硅化極強(qiáng)，分布較少。地層軟硬互層交替變化頻繁，各向異性明顯，地層傾角60°～80°。

第四系由馬蘭黃土和殘坡積物組成，馬蘭黃土為淺黃色粉砂質(zhì)亞粘土，厚5～10m，風(fēng)積而成；殘坡積物由灰?guī)r和粘土等組成，厚度為130～300m。千枚巖夾砂巖，主要巖性為灰白—淺紫—灰黑色千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾薄層狀、透鏡狀砂巖，巖層多受擠壓破碎；鈣泥質(zhì)千枚巖夾少量灰?guī)r、砂巖巖石變形較強(qiáng)烈，局部可見(jiàn)碳酸鹽膠結(jié)的角礫巖帶。在千枚巖及千枚巖夾薄層灰?guī)r、砂巖層中多見(jiàn)碎裂石英脈，主要由石英、絹云母及碳酸鹽集合體組成，石英含量占70%～80%。破碎帶主要為蝕變鈣泥質(zhì)千枚巖。

2 工程概況及施工難點(diǎn)

在礦區(qū)葛條灣—安壩礦段上布置了3個(gè)鉆孔，鉆孔位置距離G212國(guó)道約3km，位于PD211坑道一側(cè)，山高坡陡，交通極為不便。

ZK2616，設(shè)計(jì)孔深480m，2020年6月22日開(kāi)孔，終孔孔深480.03m，鉆孔周期46.5d,由2號(hào)機(jī)臺(tái)組織施工。采用CSD1800X全液壓鉆機(jī)、BW-250型泥漿泵、1.2m3泥漿攪拌桶等設(shè)備進(jìn)行施工，柴油機(jī)供電。

ZK2620,設(shè)計(jì)孔深690m，2020年5月10日開(kāi)孔，終孔孔深700.15m，鉆孔周期59.6d,由3號(hào)機(jī)臺(tái)組織施工。采用XY-44A型巖芯鉆機(jī)、BW-250型泥漿泵、SGZ-13型鉆塔、SQ114/8型液壓動(dòng)力鉗、JSJ-1000型繩索取芯絞車(chē)、1.2m3泥漿攪拌桶等設(shè)備，電網(wǎng)供電。

ZK2216，設(shè)計(jì)孔深870m，2020年6月29日開(kāi)孔，終孔孔深900.51m，鉆孔周期48d,由1號(hào)機(jī)臺(tái)組織施工。采用HXY-6B型巖芯鉆機(jī)、BW-250型泥漿泵、HCX-18型直斜兩用塔、SQ114/8型液壓動(dòng)力鉗、1.2m3泥漿攪拌桶等設(shè)備進(jìn)行施工，電網(wǎng)供電。

在葛條灣—安壩礦段，由于地層較為復(fù)雜，給鉆探施工帶來(lái)較大困難，在上部覆蓋層施工中，面臨許多困難，容易發(fā)生機(jī)器故障、斷鉆、燒鉆事故。

（1）礦區(qū)第四系覆蓋較厚，含灰?guī)r滾石，孔壁易坍塌，掉塊頻繁，漏失嚴(yán)重。

（2）地層復(fù)雜，特別是在軟硬互層頻繁中鉆進(jìn)時(shí)，容易造成鉆具跑斜，給鉆進(jìn)帶來(lái)很大困難，甚至導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。

（3）由于地層孔隙、裂隙較為發(fā)育，存在多個(gè)不整合面和夾層，井壁垮塌嚴(yán)重，容易造成卡鉆事故。

（4）在頂漏鉆進(jìn)時(shí)，由于缺少鉆井液的潤(rùn)滑，鉆桿與孔壁之間摩擦阻力增大，鉆桿和鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)負(fù)荷較大，鉆進(jìn)較為困難。

（5）由于漏失嚴(yán)重，沖洗液無(wú)法懸浮鉆屑并帶出孔底，巖粉難以排除，導(dǎo)致巖粉堆積，重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率。

（6）巖芯管投放困難,由于孔內(nèi)沖洗液的漏失，不能直接將內(nèi)管投放到位，只有采取相關(guān)措施才能投放到孔底，增加了輔助時(shí)間，嚴(yán)重影響了施工效率。

3 施工方法

3.1 礦區(qū)傳統(tǒng)施工方法

在陽(yáng)山礦區(qū)葛條灣—安壩礦段，ZK2616、ZK2620采用傳統(tǒng)的“繩索取芯鉆進(jìn)+跟管工藝+擴(kuò)孔工藝”鉆進(jìn),對(duì)鉆孔上部失返性漏失層進(jìn)行封隔。主要鉆進(jìn)方法如下。

3.1.1 ZK2616施工方法

（1）下?146mm套管。采用用?150mm金剛石鉆頭開(kāi)孔，鉆至13.57m，下入?146mm套管。

（2）下?114mm套管。PQ（?122mm）自孔深13.57m頂漏鉆進(jìn)至104.40m，下入?114mm套管，在鉆進(jìn)孔深14m處發(fā)生失返性漏失。

（3）下?89mm套管。HQ（?96mm）自孔深104.40m頂漏鉆進(jìn)至206.36m，下入?89mm套管。

（4）NQ取芯鉆進(jìn)。從孔深206.36m鉆進(jìn)至480.03m，采用“膨潤(rùn)土+純堿+植物膠+纖維素”泥漿鉆進(jìn)。

3.1.2 ZK2620孔施工方法

（1）下?146mm套管。用?150mm合金鉆頭開(kāi)孔，鉆至孔深13.02m，下入?146mm套管。PQ（?122mm）自孔深13.02m鉆進(jìn)至16.70m發(fā)生失返性漏失，起拔?146mm套管，?150mm擴(kuò)孔后再下入?146mm套管。PQ（?122mm）自孔深16.70m頂漏鉆進(jìn)至20.80m，起拔?146mm套管，?150mm擴(kuò)孔后再下入?146mm套管（圖1）。

圖1 ZK2620覆蓋層孔鉆孔結(jié)構(gòu)

（2）跟進(jìn)?114mm套管。PQ自孔深20.80m頂漏鉆進(jìn)至110.88m，下?114mm套管。HQ（?96mm）下鉆至孔深99.80m，掃孔未進(jìn)，起拔?114mm套管，更換單根后再下入?114mm套管。HQ自孔深110.88m頂漏鉆進(jìn)至130.18m，跟進(jìn)?114mm套管至孔深126.48m。

（3）下?95mm套管。HQ從孔深130.18m頂漏鉆進(jìn)至162.73m，下入?95mm×6mm直連套管。NQ（?76mm）從孔深162.73m頂漏鉆進(jìn)至206.36m；送內(nèi)管，脫卡無(wú)效，鋼絲繩拉斷，提鉆后發(fā)現(xiàn)內(nèi)管掉入孔底；起拔?95mm套管，HQ鉆具擴(kuò)孔，處理打撈中HQ鉆桿多次脫扣、HQ彈卡室斷裂等，反復(fù)處理后，反絲鉆桿打撈出內(nèi)管及鉆具。

HQ鉆具研磨、擴(kuò)掃至孔深206.36m，進(jìn)入基巖（千枚巖），下入?95mm直連套管。

（4）NQ取芯鉆進(jìn)。NQ從孔深206.36m鉆進(jìn)至610.16m，采用“膨潤(rùn)土+純堿+植物膠+纖維素”泥漿鉆進(jìn)。NQ從孔深610.16m鉆進(jìn)至700.16m終孔，采用“純堿+聚丙烯酰胺”清水頂漏鉆進(jìn)。

3.2 新方法的的探索

在地質(zhì)許可的情況下，覆蓋層（失返性漏失層）不采取巖芯，采用“全面鉆進(jìn)為主，繩索取芯鉆進(jìn)+跟管鉆進(jìn)”為輔的工藝方法，快速通過(guò)漏失返地層，該施工方法在ZK2216中進(jìn)行應(yīng)用，方法如下：

（1）下?168mm套管。用?172mm合金鉆頭開(kāi)孔，鉆至孔深4.49m。用全面鉆進(jìn)工藝，全面鉆具組合見(jiàn)圖2（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所提供），?152.4mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)至孔深8.59m。擴(kuò)、掃孔后，下入?168mm套管（圖3）。

圖2 ?152.4mm牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)鉆具組合

圖3 ZK2216覆蓋層鉆孔結(jié)構(gòu)圖

（2）?146mm套管。?152.4mm牙輪鉆頭自孔深8.59m，全面鉆進(jìn)至孔深17.89m,?152.4mmPDC全面鉆頭自孔深17.89m,全面鉆進(jìn)至75.56m，約孔深64m處發(fā)生失返性漏失。

?152.4mm牙輪鉆頭自孔深75.56m頂漏全面鉆進(jìn)至孔深119.62m、121.22m時(shí)，HQ鉆桿各脫扣1次，孔深121.22m處打撈成功后，下入?146mm套管至孔深115.16m。

采用PQ（?122mm）繩索取芯自孔深121.22m頂漏鉆進(jìn)至124.22m，提鉆后，轉(zhuǎn)動(dòng)下壓?146mm套管至121.22m。

（3）跟進(jìn)?114mm套管。PQ自孔深124.22m頂漏鉆進(jìn)至127.73m，下入?114mm套管（未帶套管鉆頭）。HQ（?96mm）自孔深127.73m頂漏鉆進(jìn)至129.83m，提出?114mm套管，下入薄壁鉆頭+?114mm套管自孔深127.73m跟進(jìn)至129.83m。HQ自孔深129.83m頂漏鉆進(jìn)至132.93m，跟進(jìn)?114mm套管至132.83m。HQ自孔深132.93m鉆進(jìn)至136.63m。跟進(jìn)?114mm套管至135.75m。

（4）HQ取芯鉆進(jìn)。HQ自孔深136.63m鉆進(jìn)至168.71m，穿過(guò)失返性地層。HQ自孔深168.71m采用繩索取芯鉆進(jìn)至332.51m。采用“膨潤(rùn)土+純堿+植物膠+纖維素”泥漿鉆進(jìn)。

（5）NQ取芯鉆進(jìn)。NQ從孔深332.51m鉆進(jìn)至900.51m，終孔，采用“膨潤(rùn)土+純堿+植物膠+纖維素”泥漿鉆進(jìn)。

4 施工效果分析

在葛條灣—安壩礦段,ZK2616、ZK2620采用傳統(tǒng)的“繩索取芯鉆進(jìn)+跟管工藝+擴(kuò)孔工藝”鉆進(jìn)，ZK2216以“全面鉆進(jìn)為主，繩索取芯鉆進(jìn)+跟管為輔”的工藝方法，施工后，對(duì)3個(gè)鉆孔施工效果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析（表1）。

從表1可看出：

表1 葛條灣—安壩礦段第四系的灰?guī)r夾粘土的失返性漏失層位封隔效果統(tǒng)計(jì)

（1）采用“全面鉆進(jìn)為主，繩索取芯鉆進(jìn)+跟管為輔”的工藝方法，較礦區(qū)傳統(tǒng)的鉆進(jìn)方法（取芯鉆進(jìn)結(jié)合跟管工藝、擴(kuò)孔工藝）對(duì)失返性地層的封隔效率要高，且封隔效果較好。

（2）全面鉆進(jìn)能快速穿過(guò)失返性漏失層，下套管進(jìn)行封隔，防止了孔壁的坍塌，施工時(shí)井內(nèi)比較安全。

（3）采用牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)由于鉆頭工作面較大，鉆進(jìn)時(shí)較為穩(wěn)定，大大降低了井故發(fā)生概率。

（4）在地質(zhì)許可的情況下，采用全面鉆進(jìn)，輔助時(shí)間少、有利于提高施工效率。

5 結(jié)論與建議

（1）礦區(qū)傳統(tǒng)的跟管工藝及擴(kuò)孔工藝在干孔中實(shí)施存在有較大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)干孔中鉆進(jìn)，阻力加大，容易導(dǎo)致井故發(fā)生。

（2）通過(guò)“全面鉆進(jìn)為主，繩索取芯鉆進(jìn)+跟管為輔”工藝方法在陽(yáng)山礦區(qū)的有益實(shí)踐，找到了應(yīng)對(duì)礦區(qū)失返性漏失層鉆進(jìn)的有效施工方法，為下一步對(duì)該地層提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

（3）全面鉆進(jìn)方法在該地層有較好的適應(yīng)性，施工效率高、封隔效果好，安全有保證，在地質(zhì)許可情況下，在該礦區(qū)可推廣使用。