四川爾呷地吉鉛鋅礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)

劉 兵

（湖南省遙感地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所，湖南 長沙 410035）

1 工程概況

四川爾呷地吉鉛鋅礦區(qū)巖心鉆探項(xiàng)目是我單位2018 年承接的商業(yè)項(xiàng)目，位于四川省涼山州甘洛縣沙岱鄉(xiāng)舍底村。鉆探施工區(qū)屬二半山地形，嶺高谷深，一般海拔1600～2850 m，自然條件惡劣，施工條件艱苦。礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖心破碎，裂隙發(fā)育，施工中常發(fā)生鉆孔坍塌、卡鉆、掉塊、埋鉆、跑鉆、取不到巖心等事故。為了充分了解并解決施工難題，我們結(jié)合以往復(fù)雜地層鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真分析事故頻發(fā)的原因，在鉆探施工工藝上進(jìn)行了積極探索和有效改進(jìn)［1-5］，從而有效克服了該礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)難題，確保了鉆進(jìn)質(zhì)量，提高了鉆探生產(chǎn)效率。

2 地層簡述

礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，由老至新出露地層有震旦系上統(tǒng)、寒武系、奧陶系、志留系以及第四系。根據(jù)目前竣工鉆孔的取心情況，主要有殘坡積層、灰黑色頁巖、紫紅色薄層狀頁巖、粉砂巖、灰綠色頁巖及灰白色厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等巖性。礦區(qū)鉛鋅礦體呈層狀、似層狀、透鏡狀，產(chǎn)于震旦系上統(tǒng)燈影組三段第二巖性層頂部層間破碎帶中［6］。礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，位于南北向甘洛-小江斷裂（本區(qū)內(nèi)稱為馬拉哈斷裂）北段與馬拉哈背斜的復(fù)合部位。主要褶皺構(gòu)造為沙岱向斜，沙岱向斜在形成前就發(fā)生過推覆構(gòu)造，在多個(gè)鉆孔中揭示地層重復(fù)兩次，可能為一疊瓦式逆沖推覆構(gòu)造；在沙岱向斜形成后，又被多條斷層破壞。礦區(qū)受區(qū)域性斷層影響，發(fā)育有不同級次的斷層，構(gòu)造復(fù)雜，活動期次多，多發(fā)育于背斜核部，表現(xiàn)為逆沖斷層。有多個(gè)鉆孔揭露3～4 個(gè)斷層，單個(gè)斷層最大厚度可達(dá)180 m，有幾個(gè)鉆孔揭露的斷層總厚度達(dá)400～500 m，斷層多為各種巖石碎塊，角礫與泥、砂質(zhì)物混雜填充物，結(jié)構(gòu)極其松散。

3 施工設(shè)備及管材

根據(jù)礦區(qū)基本情況、地層巖性、鉆孔深度及終孔直徑等，施工選用的鉆機(jī)為XY-4/XY-44T 型立軸式巖心鉆機(jī)［7］，能夠滿足1000 m 以淺的NQ 鉆具巖心鉆探施工，XY-6B 型立軸式巖心鉆機(jī)，能夠滿足2000 m 以淺的NQ 鉆具巖心鉆探施工，深度1000 m以淺鉆孔選用BW-160 型泥漿泵，深度1500 m 以淺鉆孔選用BW-250 型泥漿泵，深度1800 m 以淺鉆孔選用BW-320 型泥漿泵，配套柴油動力發(fā)電機(jī)、除砂器、污水泵及自制攪拌桶等。設(shè)備配置情況見表1。管材包括?71 mm 鉆桿3000 m、?91 mm 鉆桿1500 m、?114 mm 鉆桿1000 m、?89 mm 套管1500 m、? 108 mm 套管1000 m、?127 mm 套管400 m、?146 mm套管250 m。

表1 鉆探施工設(shè)備Table 1 Drilling equipment

4 鉆孔施工問題及處理措施

4.1 施工情況

ZK4522 孔，開孔采用?110 mm 鉆進(jìn)至32.25 m穿過第四系后下入?108 mm 套管。采用?95 mm口徑HQ 繩索取心鉆進(jìn)至230.52 m，使用清水+0.3%聚丙烯酰胺+1%～2%植物膠無固相泥漿沖洗液施工。221～230.52 m 段掉塊、垮塌事故頻發(fā)，反復(fù)掃孔到底，鉆孔嚴(yán)重卡鉆憋車，無法繼續(xù)施工。下入?89 mm 套管，后采用?76 mm 口徑NQ 繩索取心鉆進(jìn)至253.2 m 時(shí)，在240～251 m 處出現(xiàn)垮塌，采用425 硅酸鹽水泥，泵送水泥漿灌注護(hù)壁，鉆進(jìn)至500.46 m 時(shí)，320 m 和480 m 左右處出現(xiàn)坍塌（斷層內(nèi)巖心較破碎，見圖1），掃孔強(qiáng)行通過，鉆進(jìn)至558.25 m 處時(shí)，因打撈鋼絲繩斷裂提鉆，下鉆到250 m 左右下不去，開始掃孔，中間在320、480 m 左右陸續(xù)掃孔，連續(xù)灌注水泥2 次，期間卡鉆憋車現(xiàn)象頻發(fā)，在掃孔至510 m 處時(shí)，鉆桿卡死在孔內(nèi)。事故特征表現(xiàn)為鉆具轉(zhuǎn)不動、串不動、水不通，判斷為坍塌卡鉆、抱鉆事故。通過反絲鉆桿處理，在處理到257 m 時(shí)，事故頭因鉆孔跨塌找不到，從而放棄處理，造成該孔提前結(jié)束施工。

圖1 ZK4522 孔破碎地層巖心Fig.1 Cores from broken strata in ZK4522

ZK4737 孔，使用清水+0.3% 聚丙烯酰胺+1%～2% 植物膠無固相泥漿沖洗液施工，在?76 mm 口徑鉆進(jìn)到512 m 時(shí)，因沖洗液無法平衡地層壓力，導(dǎo)致地下水倒灌在孔內(nèi)，造成沖洗液嚴(yán)重稀釋，致使480～495 m 處碳泥質(zhì)砂巖水敏性地層大量吸水膨脹出現(xiàn)嚴(yán)重縮徑事故。

ZK7545 孔，在313～352 m 鉆遇流砂層，該段出現(xiàn)巖心采取率低，流砂巖屑太多，泥漿攜帶能力不足，發(fā)生嚴(yán)重卡鉆、抱鉆事故，且沖洗液護(hù)不住該流砂地層段孔壁，發(fā)生坍塌、無法加桿等事故。后續(xù)處理該段流砂地層孔內(nèi)坍塌卡鉆事故20 多天，因該段流砂地層已全部垮塌，無法處理而報(bào)廢。

4.2 事故原因分析

結(jié)合以往復(fù)雜地層鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真分析發(fā)現(xiàn)，造成ZK4522、ZK4737、ZK7545 鉆孔事故頻發(fā)的主要原因有：（1）施工前期對該地區(qū)地層復(fù)雜程度了解不足，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。（2）遇到鉆孔坍塌、掉塊盲目灌水泥，尤其是ZK4522 孔在320 m 左右泥質(zhì)充填堆積物地層，隨時(shí)可能掉塊和坍塌，不一定是在剛鉆遇時(shí)，可能是鉆穿過后，且同徑灌水泥后，再用同徑的鉆具去掃孔不一定形成有效的水泥保護(hù)層厚度。ZK4522 孔在480 m 處施工時(shí)，對什么地層灌水泥漿固井把握不準(zhǔn)，穿過該地層沒有及時(shí)灌注水泥漿進(jìn)行固井護(hù)壁，造成鉆孔在此處再次掉塊、垮塌。（3）ZK4737 孔全孔漏失，地下水豐富，裂隙裂縫大且十分發(fā)育，常規(guī)沖洗液配方無法平衡地層壓力，導(dǎo)致地下水倒灌孔內(nèi)，致使碳泥質(zhì)砂巖水敏性地層大量吸水膨脹，導(dǎo)致鉆孔嚴(yán)重縮徑。（4）ZK7545 孔在面對流砂地層施工時(shí)，沒有及時(shí)下入技術(shù)套管封隔或者采取跟管鉆進(jìn)的方法施工。

4.3 事故處理措施

4.3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)收集到的礦區(qū)地質(zhì)資料及地層特征，同時(shí)考慮地質(zhì)條件的復(fù)雜性，盡可能簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，使鉆桿與鉆孔合理級配，以增加鉆桿在孔內(nèi)的穩(wěn)定性，避免或減少鉆桿折斷事故的發(fā)生［8-9］。采用三級套管四級成孔工藝，如圖2 所示，ZK4737 鉆孔用?150 mm 復(fù)合片鉆頭開孔鉆進(jìn)至48.92 m（表土及強(qiáng)風(fēng)化層）后下?146 mm 套管封隔；換?122 mm 金剛石繩索取心鉆進(jìn)至258.23 m（穩(wěn)定地層）后下?108 mm套管封隔；換?95 mm 金剛石繩索取心鉆進(jìn)至419.56 m（基巖），下?89 mm 套管；然后換?76 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至566.65 m 終孔。這種方式可以在保證安全鉆完孔的前提下盡可能地提高鉆進(jìn)效率。

圖2 ZK4737 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of ZK4737 borehole

4.3.2 沖洗液配方

鉆孔沖洗液已成為鉆探工作中實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、低耗、全面完成勘探任務(wù)的一項(xiàng)重要因素［10-12］。沖洗液性能的優(yōu)劣，直接影響著鉆進(jìn)速度、鉆探技術(shù)質(zhì)量、孔內(nèi)的安全程度和材料消耗［13］。通過邀請泥漿廠家現(xiàn)場指導(dǎo)，最終形成了不同的沖洗液配方，具體配方根據(jù)鉆遇地層情況進(jìn)行調(diào)整。

（1）斷層及破碎帶，應(yīng)選用粘度大、攜渣能力強(qiáng)并具有護(hù)壁和堵漏性能的沖洗液。具體配方（以1 m3水的質(zhì)量為分母，取質(zhì)量百分比，下同）：1 m3水+5%～10% 膨 潤 土+0.3% 純 堿+3% 植 物 膠+0.5% KP 共聚物+0.4%潤滑劑+0.02%聚丙烯酸鉀。沖洗液性能：粘度25～30 s、密度1.08～1.12 g/cm3，失水量5～9 mL。

（2）碳泥質(zhì)砂巖及其他水敏性地層：1 m3水+4%～5% 膨 潤 土+0.3% 純 堿+0.4% 植 物 膠+0.8% KDG 泥頁巖抑制劑+0.5% KP 共聚物+0.4%潤滑劑+0.02%聚丙烯酸鉀。沖洗液性能：失水量7～8 mL、粘度22～26 s、pH 值9、密度1.06～1.10g/cm3。發(fā)現(xiàn)少量涌水時(shí)可添加重晶石粉。

（3）流砂等特松散、易坍塌地層：1 m3水+10%膨潤土+0.3%純堿+5%植物膠+0.5% KP 共聚物+0.02%聚丙烯酸鉀+1%～3%重晶石粉。沖洗液性能：粘度30 s 以上、密度1.2 g/cm3以上，原則上只要單管鉆進(jìn)能施工就行。

（4）基巖及其他較穩(wěn)定地層：1 m3水+0.3%植物膠+0.5% KP 共聚物+0.4%潤滑劑+0.02%聚丙烯酸鉀。沖洗液性能：粘度20～25 s、密度1.02～1.03 g/cm3，失水量9.3 mL。

注意事項(xiàng)：

（1）提前攪拌浸泡。粘土和高分子聚合物、無機(jī)物溶解過程原理不盡相同。采購的粘土為鈉土，攪拌浸泡在純堿作用下完成水化過程；而高分子材料需純堿溶解，其大分子長鏈才能充分展開，在沖洗液中發(fā)揮吸附和交聯(lián)作用等。

（2）注重添加順序。按先無機(jī)后有機(jī)，分子量由小到大等順序添加，避免因添加劑之間阻溶和不理想交聯(lián)而導(dǎo)致絮凝等現(xiàn)象。

（3）攪拌要充分。各種添加劑之間的交聯(lián)和作用必須具備充分的接觸條件，每項(xiàng)材料添加后至少要保持10～20 min 充分?jǐn)嚢钑r(shí)間。

4.3.3 水泥漿護(hù)壁［14-16］

根據(jù)ZK4522 孔320 m 和480 m 左右處地層巖心（圖1），可以確定水泥漿護(hù)壁層位，應(yīng)在穿過這兩處后立即進(jìn)行水泥護(hù)壁，穩(wěn)定住這兩處的孔壁。主要采用高標(biāo)號水泥（425 硅酸鹽水泥）進(jìn)行固孔、護(hù)壁。一般水泥漿的水灰比在0.4 左右，攪拌均勻后，加入1.5%～3%食用鹽繼續(xù)攪拌10～15 min 以提高水泥速凝早強(qiáng)效果。水泥漿流動度15～16 cm，可泵期2 h，根據(jù)該礦區(qū)平均氣溫16°，候凝時(shí)間根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需36～48 h。

具體操作方法是將鉆桿下入距孔底1 m 左右，用清水對孔內(nèi)進(jìn)行清洗，按配方配置攪拌好水泥漿量，然后將水泥漿通過鉆桿泵送至孔內(nèi)，水泥漿泵送完后再泵送替水，直至泵送完，將鉆桿提離水泥漿面一定高度后即可清洗鉆桿和管路，水泥護(hù)壁完畢。水泥漿護(hù)壁后，要緩慢勻速提鉆，防止抽吸力和“激動”壓力過大作用破壞井壁。

水泥漿量采用下式計(jì)算：

式中：G——封孔所需水泥漿的質(zhì)量；V1——封孔段長度范圍內(nèi)鉆孔的體積；V2——封孔段長度范圍內(nèi)工作管的體積；K——富裕系數(shù)，取1.2；γ——封孔用水泥漿的密度，經(jīng)測定水灰比0.32～0.4 時(shí)，水泥漿密度γ≈2 g/cm3。

替水量的控制是非常重要的，常用的計(jì)算公式如下：

式中：V——替水量，L；L——鉆桿長度，m；t——靜水位距孔口距離，m；V地——地面管路容積，約40～50 L；Q——每米鉆桿容積，?50 mm 鉆桿每米取1.20 L，?42 mm 鉆桿每米取0.80 L；K——壓水系數(shù)，常取0.8。

4.3.4 套管護(hù)壁［17-18］

鉆進(jìn)過程中一般使用上述沖洗液配方能取得較好的效果，但遇斷層破碎帶時(shí)，因裂隙發(fā)育，地層大多是搬運(yùn)堆積物，漏失嚴(yán)重，造成沖洗液堵漏護(hù)壁效果不理想。這不僅對穩(wěn)定鉆孔孔壁影響很大，而且埋下了極大的施工隱患。所以下入技術(shù)套管護(hù)壁堵漏、隔離斷層破碎帶等特殊復(fù)雜地層既能減少沖洗液的漏失，提高沖洗液的利用率和使用效果，也能及時(shí)預(yù)防孔內(nèi)事故。

根據(jù)該礦區(qū)實(shí)際情況下入各級套管應(yīng)注意以下幾個(gè)施工工序：

（1）下入技術(shù)套管前，應(yīng)根據(jù)下入段孔壁穩(wěn)定情況判斷是否在底管上帶套管靴。

（2）下入技術(shù)套管需在套管上均勻涂抹2～5 mm 厚黃油，充填套管與孔壁間的環(huán)空間隙，穩(wěn)定孔壁，減少因后續(xù)施工套管對孔壁的撓動及鉆孔結(jié)束施工時(shí)起拔套管的阻力，可有效解決因套管起拔難、遺留在孔內(nèi)量大而造成施工成本急劇增加的問題。

（3）項(xiàng)目部應(yīng)備好水利割刀。因特殊復(fù)雜地層丟失部分技術(shù)套管是鉆探施工中很常見的操作，這也是基于處理技術(shù)套管帶來的成本遠(yuǎn)大于套管本身成本的前提下不得已而為之的。而水利割刀能有效解決處理技術(shù)套管帶來的成本與套管本身成本之間的矛盾，既能極大地減少處理技術(shù)套管帶來的成本，又能盡可能多地起拔套管減少套管本身的成本。

5 取得的成效

5.1 鉆孔完成情況

本次共施工12 個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺為7867.92 m。通過采取合理可行的處理措施，解決了該礦區(qū)鉆探施工中遇到的復(fù)雜情況，鉆孔施工效率和質(zhì)量明顯提高，施工情況見表2。

表2 施工效果對比Table 2 Comparison of drilling results

5.2 鉆孔技術(shù)指標(biāo)及質(zhì)量評述

巖（礦）心采取率為87.9%，礦心采取率為94%，保證了巖（礦）心采取的完整性，符合設(shè)計(jì)要求。

鉆孔彎曲度及孔深校正：鉆孔按《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2016）及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆孔彎曲度的測量和孔深校正，使用的儀器為JTL-40GX（W）型無線遙感光纖陀螺測斜儀（電子式），保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、精確性，各鉆孔數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)和規(guī)程要求。

其他質(zhì)量指標(biāo)均符合甲方質(zhì)量要求。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

爾呷地吉鉛鋅礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層破碎、裂隙發(fā)育，局部水溶、水敏，施工中經(jīng)常遇到鉆孔坍塌、漏失、縮徑、掉塊等鉆探難題。通過上述鉆探生產(chǎn)的試驗(yàn)和實(shí)踐，總結(jié)了以下幾個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)措施可為其他類似鉆探施工提供參考：

（1）該礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、裂隙發(fā)育明顯，施工難度極大，鉆孔施工前應(yīng)做好充分的考察工作，詳細(xì)查閱以往鉆孔施工的巖心和地質(zhì)資料，判斷該礦區(qū)斷層埋藏大致分布的區(qū)域、深度和厚度。每個(gè)鉆孔應(yīng)根據(jù)地層復(fù)雜情況及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，正確選用設(shè)備機(jī)具材料，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到合理級配。

（2）鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保障鉆孔能否順利施工的關(guān)鍵也是鉆孔施工的方向標(biāo)，該礦區(qū)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向是否合理往往決定鉆孔的成敗。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)該礦區(qū)鉆孔采用四開的鉆孔結(jié)構(gòu)，是解決該礦區(qū)巖層破碎、裂隙斷層發(fā)育、水敏坍塌等復(fù)雜地層的有效手段。

（3）重視沖洗液在鉆孔施工中起到的作用，做好沖洗液試驗(yàn)，根據(jù)不同地層及時(shí)選配更換沖洗液配方，明確鉆孔坍塌、漏失、縮徑、掉塊等鉆探難題還需從沖洗液入手，才能達(dá)到較好的效果。

（4）水泥漿護(hù)壁大多發(fā)生在井壁失穩(wěn)井段，采用水泥漿護(hù)壁是穩(wěn)定井壁的一種有效的技術(shù)工藝，但是風(fēng)險(xiǎn)很大，稍有不慎可能造成二次事故。因此采用水泥漿護(hù)壁工藝必須制定可靠周密的施工方案，計(jì)算好水泥漿量和替水量，嚴(yán)格按照方案迅速、準(zhǔn)確、高效處理。

（5）在鉆探實(shí)際應(yīng)用中，下入技術(shù)套管是解決鉆孔坍塌、掉塊、超徑、縮徑、漏失等復(fù)雜問題的最終技術(shù)措施也是最有效措施。但技術(shù)套管在復(fù)雜地層回收低、處理周期長且在項(xiàng)目成本中占比很大，因此下入技術(shù)套管前應(yīng)制定可靠回收率高的施工方案，并且嚴(yán)格執(zhí)行。實(shí)際運(yùn)用中水利割刀能有效提高技術(shù)套管回收率且節(jié)約項(xiàng)目施工成本及處理技術(shù)套管周期。

（6）鉆探施工過程中，運(yùn)用技術(shù)手段預(yù)防事故發(fā)生才是鉆探施工的重中之重，任何處理事故的技術(shù)手段都有造成二次事故的可能，不一定行之有效，應(yīng)注重在施工過程多思考，采取多手段預(yù)防可能發(fā)生的事故，才是提高鉆探施工成孔的有效途徑。