曾石友

(河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊(duì),河南鄭州 450001）

嵩縣多金屬礦區(qū)復(fù)雜地層巖心鉆探施工綜合技術(shù)

曾石友

(河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊(duì),河南鄭州 450001）

總結(jié)了嵩縣多金屬礦區(qū)復(fù)雜地層巖心鉆探的經(jīng)驗(yàn),著重介紹了處理金剛石鉆頭打滑的磨砂方法,在風(fēng)化層中的跟管鉆進(jìn)方法,多級(jí)套管護(hù)孔,水泥護(hù)壁,801堵漏劑與植物膠、鋸末的試用,植物膠鋸末泥漿堵漏,潤(rùn)滑減阻等復(fù)雜地層綜合治理措施。實(shí)踐證明,采取這些技術(shù)措施后,降低了施工成本,提高了鉆進(jìn)效率。

復(fù)雜地層;巖心鉆探;泥漿;護(hù)壁;堵漏

1 概況

嵩縣多金屬礦區(qū)是2009年全國(guó)第一個(gè)整裝勘查項(xiàng)目。礦區(qū)位于嵩縣水溝—萬(wàn)嶺一帶,由3條大致平行的斷裂組成,走向10°～30°,傾向北西,傾角50°～85°。地表出露長(zhǎng)度>5 km,波及寬度500～600 m,單條斷裂寬10～20 m,長(zhǎng)2～5 km,斷裂間距100～150 m;斷裂面陡而平直,每條斷裂內(nèi)可見(jiàn)多條(組）扭裂面,其斷面上發(fā)育水平擦痕及鏡面,顯示逆時(shí)針扭動(dòng)特征。斷裂帶內(nèi)角礫巖、碎裂巖發(fā)育,熱液蝕變強(qiáng)烈,主要發(fā)育硅化、鉀化、方鉛礦化、黃鐵礦化及褐鐵礦化等。鉆孔所遇巖層為:第四系表土層、構(gòu)造角礫巖、安山巖、碎裂安山巖、蝕變帶安山巖、英安巖。

地質(zhì)設(shè)計(jì)鉆孔傾角80°～90°,要求鉆孔孔斜≯1°/100 m。典型鉆孔口徑級(jí)配:“130、“110、“91、“77 mm。主要采用SJ77金剛石繩索取心鉆進(jìn),選用優(yōu)質(zhì)低固相泥漿沖孔。

由于礦區(qū)地層條件特別復(fù)雜,英安巖和石英脈巖性堅(jiān)硬、研磨性弱,中等胎體硬度鉆頭的進(jìn)尺效率為0.05～0.20 m/h,局部屬典型金剛石鉆進(jìn)“打滑”地層。斷層破碎帶在礦區(qū)比較密集,產(chǎn)狀陡立,鉆孔所穿越孔段長(zhǎng)度0.3～100 m不等。鉆進(jìn)中遇上斷層百分之百全孔漏失,接著斷層泥縮徑、孔壁坍塌,卡、埋鉆事故跟蹤而來(lái),幾個(gè)不同性質(zhì)的復(fù)雜地層問(wèn)題集于一個(gè)礦區(qū),使省內(nèi)外許多鉆探施工隊(duì)伍望而卻步,有些施工單位半途而廢。

為確保省局重點(diǎn)工程的進(jìn)度和質(zhì)量,我隊(duì)從2009年3月陸續(xù)進(jìn)駐12臺(tái)XY-4型、3臺(tái)XY-44型鉆機(jī)進(jìn)行鉆探施工。大力引進(jìn)新技術(shù)、新工藝及技術(shù)革新,采取多種措施綜合治理,2009年底順利完成部署的鉆探任務(wù)。

我們?cè)谥卫矸椒ㄉ?從一般措施到新型材料的應(yīng)用,取得了一些新的認(rèn)識(shí)和體會(huì),尤其是嘗試植物膠鋸末泥漿的應(yīng)用成效顯著,降低了施工成本,提高了生產(chǎn)效率。

獲取的主要鉆探經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及鉆孔質(zhì)量指標(biāo)為:鉆孔15個(gè),總進(jìn)尺9023 m;平均孔深601 m,最大孔深857 m;純鉆率33.7%,時(shí)效1.42 m,臺(tái)月效率238 m;巖礦心采取率平均91%,最低76%;優(yōu)質(zhì)孔率100%。

2 綜合治理復(fù)雜地層措施

2.1 處理金剛石鉆頭打滑的磨砂方法

針對(duì)堅(jiān)硬巖層金剛石鉆進(jìn)打滑問(wèn)題,初次試用了幾家軟胎體鉆頭(HRC30～35,粒度80～100目）效果不明顯,而且使用壽命<25 m。而后選用中等胎體硬度鉆頭(HRC38～40,粒度46～80目）,改進(jìn)傳統(tǒng)磨砂法取得了明顯效果。

其做法是:選用“10 mm左右的石英石20～25粒投入孔內(nèi),轉(zhuǎn)速為83～217 r/min,鉆壓比正常鉆進(jìn)略大,時(shí)間在30 s左右,然后不停車(chē)把鉆具提離孔底,如此反復(fù)4～5次即可。鉆頭在孔內(nèi)磨后,金剛石出刃率明顯提高。在堅(jiān)硬“打滑”地層中回次進(jìn)尺量在1 m以上,時(shí)效為1.8～2.5 m。改進(jìn)后的磨砂法避免了傳統(tǒng)方法易導(dǎo)致的卡、燒鉆頭事故的發(fā)生,鉆頭平均壽命提高至35～40 m。

2.2 在風(fēng)化層中的跟管鉆進(jìn)方法

該礦區(qū)有部分鉆孔無(wú)法避開(kāi)風(fēng)化層而就位施工。在風(fēng)化層中施工斜孔,孔口管容易插偏,孔內(nèi)易坍塌,鉆進(jìn)難度大,遇到硬石塊更是難上加難。

針對(duì)上述難題,我們采取了以下幾點(diǎn)措施。

(1）將孔口鑿成“600 mm×800 mm井筒,用水泥砂漿灌注的辦法解決孔口管容易開(kāi)偏和孔口塌陷問(wèn)題。

(2）跟管鉆進(jìn)中,首先用高粘度或固相含量高的泥漿鉆進(jìn),然后以反復(fù)提動(dòng)鉆具方式?jīng)_擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),鉆進(jìn)至一定深度時(shí)下入第一級(jí)護(hù)孔管。

(3）當(dāng)鉆進(jìn)到基巖時(shí),第二級(jí)護(hù)孔管必須坐入孔底,然后用金剛石鉆頭鉆進(jìn)至完整基巖后再下人第三級(jí)護(hù)孔管。在ZK5204孔等3個(gè)鉆孔中使用此法,順利穿過(guò)風(fēng)化層,最大厚度為27.8 m,無(wú)丟失護(hù)孔管現(xiàn)象。

2.3 多級(jí)套管護(hù)孔

多級(jí)套管護(hù)孔以其成本低、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn),適宜在鉆孔穿越有多條斷層破碎帶地層的鉆孔中采用,成為我隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)用于復(fù)雜地層鉆進(jìn)的常用方法與措施。深孔施工在無(wú)法預(yù)知深部地層變化的情況下,不宜過(guò)早地使用終孔口徑,否則,一旦遇到新的斷層破碎帶,就會(huì)帶來(lái)更大的風(fēng)險(xiǎn),或造成重大經(jīng)濟(jì)損失。多級(jí)套管護(hù)孔應(yīng)注意以下幾個(gè)事項(xiàng)。

(1）認(rèn)真作好鉆孔設(shè)計(jì),明確各級(jí)套管的下入目的與深度;

(2）周全考慮套管的起拔難度,制定套管事故的處理方法;

(3）仔細(xì)檢查套管絲扣的完好性和擰緊程度,把絲扣較差的套管調(diào)整到上部;

(4）準(zhǔn)確判斷坐管條件,如巖面風(fēng)化程度、沉渣厚度和殘留巖心長(zhǎng)度等,要求套管坐穩(wěn)坐實(shí);

(5）下管隔離斷層破碎帶時(shí),如孔內(nèi)有大量坍塌物不便清除,不應(yīng)將套管作為鉆具使用,強(qiáng)行開(kāi)車(chē)掃孔到底,否則會(huì)發(fā)生卡埋套管事故,清理孔底的正確方法是:從未坐穩(wěn)的套管內(nèi)下鉆具掃孔,當(dāng)鉆具進(jìn)尺數(shù)米后,不論套管是否到位坐實(shí),都應(yīng)提升鉆具提動(dòng)套管,使管外坍塌物掉入鉆孔內(nèi),確保套管到位;

(6）切實(shí)做好套管上端管口的密封工作,采用海帶、麻布及纖維素等纏繞密塞措施,防止鉆渣沉積在套管與孔壁之間,增加拔管阻力。

本礦區(qū)施工中優(yōu)先采用多級(jí)套管護(hù)孔措施,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。總計(jì)下入套管7368.50 m。其中“127 mm套管404.05 m,“108 mm套管1137195 m,“89 mm套管5826.50 m,遺留孔內(nèi)套管1006.27 m,取出率達(dá)86.34%。

2.4 水泥護(hù)壁

水泥漿灌注也是我隊(duì)常用的護(hù)孔措施之一,據(jù)歷年數(shù)據(jù)資料顯示,護(hù)孔成功率達(dá)87.4%。

ZK8805孔為構(gòu)造角礫巖、安山巖蝕變帶、碎裂安山巖等地層,在333.40～375.80 m孔段(“77 mm口徑）遇上F11大斷層,其傾角為58°～79°。該孔因孔壁坍塌發(fā)生了多起斷桿、埋鉆事故,采用灌注水泥漿進(jìn)行護(hù)壁。

選用42.5普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥,水灰比0.50。48 h后取出最長(zhǎng)水泥灰心1.62 m,注漿效果較為理想。但是,當(dāng)掃孔鉆具穿過(guò)注漿層后,再次發(fā)生了孔壁坍塌。

分析水泥護(hù)壁失敗的原因是,孔壁坍塌范圍小,在孔壁上形成的水泥層較薄易被鉆桿擊碎,從而使裸露的安山巖蝕變帶在沖洗液的沖刷下再次涌入孔內(nèi)。找出失敗的原因后,使用稀泥漿沖刷破碎帶和蝕變帶,使孔壁坍塌范圍加大,將孔底坍塌物清理干凈后,選用42.5普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥、水灰比0.50的水泥漿。48 h后取出最長(zhǎng)水泥灰心2.12 m,注漿效果較為理想。鉆具穿過(guò)注漿層后,沒(méi)有發(fā)生孔壁坍塌,該孔終孔深度為711.33 m。

2.5 801 堵漏劑與植物膠、鋸末的試用

ZK2804孔從230 m開(kāi)始鉆遇破碎帶,沖洗液大部分漏失。當(dāng)SJ77繩索取心鉆具頂漏鉆進(jìn)至342.73 m時(shí),孔內(nèi)沖洗液突然全部漏失。我們?cè)囉昧私髌监l(xiāng)光輝鉆井助劑材料廠(chǎng)生產(chǎn)的801堵漏劑、植物膠和鋸末,采用混合使用的護(hù)堵方法。

配制方法:在泥漿中添加801堵漏劑(3%）、植物膠(6%）和鋸末(7%）,在高速泥漿攪拌機(jī)中攪拌30 min,使用前用大泵量循環(huán)漿液。

使用情況:在鉆進(jìn)過(guò)程中泵壓較高,消耗該混合漿液約5 m3后,孔口返水量約1/3;消耗用該混合漿液10～12 m3后,孔口返水量幾乎能達(dá)到100%。

2.6 植物膠鋸末泥漿堵漏

2.6.1 配制方法

(1）發(fā)生小漏失(孔口返漿2/3）,可在基漿中加入3%鋸末;發(fā)生中等漏失(孔口返漿1/2～1/ 3）,可在基漿中加入5%鋸末。

(2）將土粉、植物膠、鋸末加入高速泥漿攪拌機(jī)中攪拌30 min。

2.6.2 使用方法及效果

預(yù)先將鉆具置于孔底漏失層位,開(kāi)泵將漿液送至孔底后開(kāi)始鉆進(jìn)。當(dāng)漿液到達(dá)孔底時(shí)泵壓會(huì)突然升高,此時(shí)應(yīng)打開(kāi)回水管調(diào)節(jié)泵壓,使泵壓比正常鉆進(jìn)高出1～2 MPa。在鉆進(jìn)一段時(shí)間后,孔口返漿量加大。不能流入裂隙通道的粗鋸末被鉆具研碎后排出孔外。該堵漏方法在ZK2804等6個(gè)孔中應(yīng)用取得了明顯效果。

2.7 潤(rùn)滑減阻

在泥漿中加入1%洗衣粉,可以起到潤(rùn)滑減阻、泵壓降低、轉(zhuǎn)速提高的作用,不破壞泥漿性能,提高鉆進(jìn)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

(1）由于地層復(fù)雜多變,若對(duì)于復(fù)雜地層認(rèn)識(shí)不夠、工藝措施傳統(tǒng)單一,難以取得較好的效果,應(yīng)采取“辨證論治”、靈活運(yùn)用的思路方法,才能最大限度地降低施工成本,提高鉆進(jìn)效率。

(2）一般孔壁巖石沒(méi)有經(jīng)過(guò)水化,其結(jié)構(gòu)狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定的。植物膠低固相沖洗液之所以對(duì)穩(wěn)定孔壁效果顯著,其根本原因在于水溶液中的植物膠分子,在巖石顆粒表面有很好的吸附成膜性,對(duì)巖石顆粒具有很強(qiáng)的膠結(jié)作用,起到了抑制巖石顆粒進(jìn)一步水化的作用。

(3）使用植物膠鋸末堵漏取得了明顯效果。

(4）植物膠鋸末泥漿應(yīng)用于中深孔繩索取心鉆進(jìn),成效明顯,對(duì)于解決孔壁穩(wěn)定和泥漿漏失將有更大的應(yīng)用前景。

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Comprehensive Technology of CoringDrilling in Complex Formation of Poly-metallicDeposit in Song County

ZENG Shi-you(Forth Geological Prospecting Team of Henan Geology andMineralBureau,Zhengzhou Henan 450001,China）

The paper summed up the coring drilling experience in complex for mation of poly-metallic miming area in Song County and emphatically introduced the comprehensive treatmentmeasures of quartz grinding method for diamond bit slip-ping;drillingwith s imultaneous casing in weathered layer;different size casing for hole protection;wall cementing;801 LCM,plant gum and sawdust for leaking stoppage.The construction costwas lowered and drilling efficiencywas improved by these technicalmeasures.

complex formation;coring drilling;mud;wall protection;leaking stoppage

P634.5

:A

:1672-7428(2010）11-0016-03

2010-04-14;

2010-05-25

曾石友(1973-）,男(漢族）,河南盧氏人,河南省地礦局第四地質(zhì)探礦隊(duì)鉆探公司副總經(jīng)理、工程師,探礦工程專(zhuān)業(yè),從事巖心鉆探、水文水井鉆探等工作,河南省鄭州市高新區(qū)科學(xué)大道81號(hào),z.s.y.1018@163.com。