祁恩強， 朱金軍

(西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊，陜西 寶雞 721004)

梯子崖-富子嶺礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探技術(shù)問題與對策

祁恩強， 朱金軍

(西北有色地質(zhì)勘查局七一七總隊，陜西 寶雞 721004)

陜西省鳳縣梯子崖-富子嶺鉛鋅多金屬礦區(qū)，其地層主要為產(chǎn)狀較陡的千枚巖，局部含方解石或石英脈，斷層破碎帶發(fā)育，井壁穩(wěn)定性差，施工中孔斜嚴重，許多鉆孔因孔斜而達不到設(shè)計目的，防斜、治斜和泥漿護壁為該礦區(qū)施工方面的主要技術(shù)難題。文章從孔斜預(yù)防、定向造斜、護壁堵漏等方面介紹了所采取的工藝措施和取得的效果。

鉆孔偏斜；定向鉆進；偏斜器；護壁堵漏；巖心鉆探

0 引言

陜西省鳳縣梯子崖-富子嶺礦區(qū)由于礦體受背斜構(gòu)造限制，鉆孔多為斜直孔和彎曲孔，地層主要為產(chǎn)狀較陡的千枚巖，局部含方解石或石英脈，斷層破碎帶發(fā)育，井壁穩(wěn)定性差，施工中普遍存在著嚴重的孔斜，許多鉆孔因孔斜而達不到設(shè)計目的，影響了對該礦區(qū)“熱水噴流沉積-改造型”鉛鋅銅礦床的地質(zhì)條件和賦礦規(guī)律的進一步驗證。防斜、治斜和泥漿護壁為該礦區(qū)施工方面的主要技術(shù)難題。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件及設(shè)計要求

礦區(qū)地處秦嶺主脊南部，為中高山地形，山脈多呈東西向延展，與區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線一致，地形陡峻，溝壑縱橫，相對高差300～700 m。地層從下至上主要為中泥盆統(tǒng)結(jié)晶灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r及硅化灰?guī)r，上泥盆統(tǒng)含炭千枚巖、鐵白云質(zhì)千枚巖、綠泥質(zhì)千枚巖，侵入巖主要為石英閃長巖、花崗閃長巖，巖石級別為Ⅵ類。

鉆孔深度800～1500 m，方位角220°～280°，傾角75°～82°，終孔口徑75～95 mm，方位和傾角每50 m測量一次，頂角允許彎曲≯1°/100 m，方位角偏差要求穿過礦層(下盤)點，不得偏線左右25 m，平均巖心采取率≥70%，近礦圍巖和礦心采取率≥85%，巖心采取率為0時，采取措施補采。近礦圍巖及在礦體中鉆進提鉆采心間隔≤1 m，孔深驗證間隔每100 m一次，誤差≯1‰。

2 施工中存在的主要技術(shù)問題

2.1 鉆孔自然彎曲嚴重

礦體受背斜和走向制約，兩翼鉆孔全部為不同傾角的斜孔或斜直孔，2000—2014年累計完成鉆探工作量1.3萬余米，90%以上的鉆孔會遇到不同程度方位跑斜和傾角上漂，因彎曲無法達到設(shè)計目的而報廢工程量達5%～8%，施工中由于防斜和造斜處理，鉆探效率總體不高，臺月效率僅220～350 m，對施工進度和質(zhì)量影響很大。

2.2 鉆遇地層水敏性強，漏失嚴重

鉆進主要地層為千枚巖，可鉆性較好，但其水敏性強，尤其是斷層破碎帶部位的巖心呈軟塑狀，干燥后呈散狀，若泥漿性能調(diào)控不好，鉆孔縮徑或井內(nèi)巖粉太多成為正常鉆進隱患。地層斷層破碎帶發(fā)育，含水豐富，施工中出現(xiàn)涌水或泥漿增多現(xiàn)象，有的出現(xiàn)滲漏或突然漏失；鉆進中出現(xiàn)進尺變快，巖心采取率低，有的無法取到巖心或鉆具無法到達孔底。遇到上述情況時，如若操作不當，就會發(fā)生夾鉆、燒鉆、鉆桿脫扣或折斷事故。

3 鉆探工藝

3.1 主要設(shè)備

HXY-44T型、HXY-42T型塔機一體、HXY-6B型鉆機，BW-250型水泵，SN14-8N型擰管機。地標S75、S95和NQ、HQ繩索取心鉆桿。BD-14、DD-1型定向儀，LZ65、LZ71型螺桿鉆具。XJL-42、BZM照相、KXP-1型數(shù)字測斜儀。

3.2 鉆進方法

除第四系覆蓋層使用硬質(zhì)合金或單管金剛石鉆具開孔外，其它采用金剛石繩索取心鉆進工藝施工。沖洗液以低固相為主，地層條件較好的使用清水作為沖洗液，破碎或漏失地層，使用固相泥漿。

3.3 針對性技術(shù)措施

3.3.1 鉆孔彎曲防治方法

受構(gòu)造應(yīng)力影響，千枚巖地層具有蠕變特性，是引發(fā)鉆孔異常彎曲的主因。同時地層片理發(fā)育，鉆孔軸線與地層傾向夾角小(片狀巖心)，鉆孔順層趨勢明顯；局部軟硬互層孔段，從采取巖心表面就可以看到彎曲程度(見圖1)。對策是統(tǒng)計分析已完工鉆孔測斜數(shù)據(jù)，找到了“傾角上漂方位西偏”的彎曲規(guī)律及幅度，后續(xù)鉆孔施工時采取初級定向制定施工方案，基本可以滿足孔深500 m以淺的鉆孔防斜需要。

3.3.1.1 合理設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)

盡量使用大口徑鉆進。經(jīng)過對同一地區(qū)相同地層條件下測斜數(shù)據(jù)的比較分析，相對于?75 mm(NQ)、?60 mm(BQ)口徑而言，?122 mm(PQ)和?95 mm(HQ)口徑的鉆具本身剛性較大，導向性好，鉆桿鉆具不易彎曲，在第四系覆蓋層和軟硬互層頻繁、斷裂破碎帶等易斜地層中鉆進時防斜、抑斜效果明顯。

圖1 ZK20805孔1013 m處的巖心

800～1200 m深的鉆孔，常用結(jié)構(gòu)為?150 mm×?122.5 mm×?95 mm×?75 mm，其中?130和?60 mm作為備用口徑。開孔用?150 mm，見完整地層后下?146 mm套管，用?122.5 mm大口徑穩(wěn)斜鉆進300～400 m后下?114 mm套管，用?95 mm口徑鉆進600～800 m或至終孔，如果?75 mm口徑終孔時則下?89 mm套管。

大口徑鉆孔結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟，但其鉆桿鉆具的抑制孔斜作用，在強促斜地層條件下運用還是必要、合理的。

3.3.1.2 保證設(shè)備安裝質(zhì)量

設(shè)備安裝做到周正、水平、穩(wěn)固和“三點一線”是基本要求。本文所指的設(shè)備安裝是指根據(jù)方位和傾角跑斜規(guī)律和幅度，在安裝時采取的一種預(yù)偏安裝措施。

做法：根據(jù)傾角1°～3°/100 m上漂、方位角5°～8°/100 m向西偏斜幅度，結(jié)合孔深推算出開孔的方位和傾角，或者從設(shè)計目標靶點倒推計算出實際開孔位置，再安裝鉆機施工。如礦區(qū)ZK2401和ZK2402孔，設(shè)計孔深均560 m，傾角90°，考慮鉆孔目的和垂直孔沒有方位控制指標，實際開孔時有意將傾角改為89°，方位290°，目的是讓鉆孔方位與控礦背斜鞍部走向一致，有利于鉆孔中靶。ZK2401孔施工時方位沒有預(yù)偏，鉆至500 m時因方位偏斜嚴重沒有鉆到礦體而報廢。ZK2402孔是在原地盤補充設(shè)計的鉆孔，目的和ZK2401孔一樣，安裝時孔位沿線平移1.70 m，方位向南預(yù)偏15°，以278°方位、89°傾角開孔。施工中控制鉆進時效，以7～9 kN鉆壓勻速鉆進，25 m測斜一次，加密監(jiān)視孔斜幅度，在孔深228.55～243.60、331.79～338.45 m糾方位3次，方位控制在310°以內(nèi)，終于見礦。2個孔測孔數(shù)據(jù)見表1。

表1 ZK2401、ZK2402孔測斜數(shù)據(jù)

3.3.1.3 合理選用鉆頭

選用鋸齒、同心圓尖齒、外階梯唇面的金剛石繩索取心鉆頭，以減小鉆壓和增大破碎巖石自由面，達到小鉆壓高時效的目的，避免大鉆壓鉆進促使傾角上漂過快。胎體硬度HRC25～28、30～35，粒度46～60混目，含石英脈或硅化巖地層選用HRC18～20、60～100目的鉆頭。出現(xiàn)打滑或進尺很慢時，通過鉆桿向孔底投入適量砂輪渣塊強制研磨出刃，一般都有效果。

3.3.1.4 操作注意事項

要減小鉆壓平穩(wěn)鉆進，不求進尺快，時效控制在0.8～1.2 m。使用正直鉆具，定期檢查鉆具外徑磨損情況，及時更換磨損嚴重的異徑接頭和上、下擴孔器。同時注意檢測鉆桿接手外徑，磨損過大的應(yīng)及時更換，發(fā)揮接手的扶正作用。

3.3.1.5 螺桿鉆具造斜鉆進

造斜鉆進是鉆孔軌跡偏離設(shè)計方向時人為采取的糾正鉆進方法，內(nèi)容包括造斜軌跡設(shè)計、螺桿鉆具定向和鉆進、測控、穩(wěn)斜鉆進等。使用的鉆具有LF-54、LZ65、LZ73型，配0.75°、1°彎外管，定向儀為BD-14、DD-1、DXY-2型(圖2)，其中DXY-2型數(shù)字儀可實現(xiàn)隨鉆定向并檢測鉆具面向角、鉆孔頂角和方位，精度較高。

實例ZK4001孔，設(shè)計深度860 m，傾角89°，方位280°，終孔口徑75 mm，全孔采用金剛石繩索取心鉆進工藝，使用無固相沖洗液，鉆孔設(shè)計目的和施工過程見圖3。為了防斜，開孔采用?122.5 mm大口徑鉆至150 m，方位和傾角控制得比較好，下?114 mm套管后，用?95 mm繼續(xù)鉆進至402 m時方位332.5°北偏52.5°，傾角上漂1°成88°，孔斜在要求范圍之內(nèi)。下?89 mm套管后換?75 mm繼續(xù)鉆進，在406～420 m孔段糾方位3次，穩(wěn)斜鉆進至450 m方位327°、傾角85°，繼續(xù)穩(wěn)斜鉆進。但在685～700、737～742、761～773 m遇到3層堅硬的硅化巖脈地層(參見圖4)，導致鉆孔傾角上漂較快，750 m時方位343°、傾角80.5°，距目標礦層很近，按要求繼續(xù)鉆進至859.53 m，測方位347°、傾角70.5°，沒有探到礦體，于是架橋建造孔底，用定向分支孔的方法，再次探索了深部隱藏的礦體部位。

圖2 DXY-2型定向儀

圖3 ZK4001孔施工過程示意圖

圖4 硅化巖脈

分支孔施工要點如下。

(1)選擇有利造斜孔段，安裝鋼木楔子，灌注水泥封堵架橋。

685～773 m段有3層堅硬巖脈地層，不利于造斜鉆進，于是選擇在580～600 m孔段定向偏孔，在642 m處安裝鋼木楔子架橋封孔，按0.5水灰比灌注10袋水泥。

鋼木楔子：用長度600 mm、?73 mm的套管，上端車成反扣，和?73 mm鉆桿接手相連接，底端焊接鋼板擋住木塞，將套管割成圖5所示的形狀，把制作好的各部件依次安裝，注意讓木楔兩半圓側(cè)面與鋼楔寬面對應(yīng)，楔子下部鋼體上鉆眼用鋼釘與木楔固定，楔體與鉆桿柱連接，下鉆至642 m處，取3～4.5 m長、?54 mm鉆桿一根，在鉆桿接手上焊接U形環(huán)

圖5 鋼木楔子

與絞車鋼繩連接用作沖擊錘，用絞車將沖擊錘從鉆桿內(nèi)下放到楔體處，上下反復(fù)提降將鋼錐打入木楔體內(nèi)，直止木楔體撐開套管楔體與井壁擠死固定。提出沖擊錘，正傳鉆桿柱卸開楔體留在孔內(nèi)。再將鉆桿柱向上提離楔體1～2 m，再次下入沖擊錘探測楔體位置沒有變化時，架橋成功。

灌注水泥：按設(shè)計的封孔長度計算水泥量，購買新出廠水泥，按0.5水灰比分批次攪拌，添加2%NaCl(占水泥量)，用泥漿泵從鉆桿內(nèi)壓入。灌注過程中，按每次灌注量準確計算需要提出鉆桿的長度，保證鉆桿在水泥漿里的合理埋深。

灌注要在批次水泥漿量的最小可泵期內(nèi)完成，灌完全部水泥漿后，必須壓入清水替漿。替漿量：

Q替=(H-h0-h)q+Q地

式中：Q替——總替水量，L；H——鉆桿長度，m；h0——孔內(nèi)靜水位距孔口距離，m；h——預(yù)計水泥漿返回井壁間隙的高度，m，一般取10～20 m；q——每米鉆桿內(nèi)容積，L；Q地——地面管線容積，取50～60 L。

替漿量的控制直接影響灌漿質(zhì)量和鉆桿柱的安全，太多會稀釋孔內(nèi)的水泥漿，太少鉆桿內(nèi)的漿液沒有被全部壓出，有可能凝固在鉆桿內(nèi)造成事故。替漿結(jié)束后，可邊提鉆邊沖洗鉆桿。

灌漿過程中，用塑料瓶取適量水泥漿液樣品，放置水箱中養(yǎng)護，便于對照參考孔內(nèi)水泥的凝固程度，候凝48 h后便可試透孔，鉆取水泥心判斷凝固程度，強度滿足要求后，透鉆至設(shè)計偏孔深度，可進行定向造斜鉆進。

(2)定向和造斜鉆進：螺桿鉆具下井前要做好地表啟動和運轉(zhuǎn)試驗，觀測溢流閥開啟、關(guān)閉是否靈活，啟動泵壓、鉆具運轉(zhuǎn)是否正常。正常后依次連接平穩(wěn)下鉆，在接手螺紋處涂抹絲扣油擰緊?？刂沏@頭距孔底30～50 cm后，下定向儀定向。

造斜鉆進時，給進速度要慢，使鉆頭處于掃孔狀態(tài)，有利于鉆頭側(cè)向切削鉆進。完全出新孔的最小造斜鉆進長度，按照鉆具配置彎外管度數(shù)進行測算，?75 mm孔徑中偏出新孔時最小理論鉆進長度：

L=D/(tanα×β)

式中：L——最小鉆進長度，cm；D——造斜鉆頭直徑，取7.1 cm；α——彎外管度數(shù)，取0.75°；β——造斜率，取0.8。

由計算得知：鉆出新孔時的進尺≮6.78 m。

圖6為造斜進尺時的巖心圖片。

圖6 造斜時的巖心圖片

3.3.1.6 套管楔子糾斜

適合于200～300 m淺孔糾斜鉆進使用。淺孔施工中一般采用較大口徑開孔鉆進，如果鉆孔出現(xiàn)偏斜時，可以在換徑鉆進前下套管時使用套管楔子，定向安裝于孔底，改變換徑后鉆孔的方位或傾角。

根據(jù)需要可用鉆桿或套管料制作，做成全孔套管楔或局部楔子，頂角以1°～2°為宜，不宜太大。楔面用割下那部分，修割后焊接在套管內(nèi)壁上，過渡斜面上部用焊條堆焊而成(見圖7)，過渡段用手砂輪打磨修整，自然過渡到楔面上。割掉約束鉆具進入斜面的那部分套管，以利于鉆出新孔。制作好的楔子用鉆具做通過實驗(見圖8)。

圖7 2°套管楔子剖面示意圖

圖8 ?114 mm套管楔子，S95鉆具進入楔面

套管楔子糾斜鉆進時，鉆具最好不配擴孔器，選用外錐唇面的孕鑲金剛石鉆頭。鉆頭上楔子面鉆進操作應(yīng)采用小鉆壓，慢速給進，掌握鉆頭完全上了楔子面后，再逐步恢復(fù)到正常鉆進操作。

3.3.2 鉆孔護壁堵漏

本礦區(qū)千枚巖地層水敏性較強，泥漿失水量指標調(diào)控不好，易出現(xiàn)縮徑。遇到斷層破碎帶時，孔壁易出現(xiàn)垮塌掉塊，井內(nèi)事故多發(fā)，施工中常采用套管、泥漿護壁和灌注水泥固結(jié)堵漏。

3.3.2.1 套管護壁

套管用?146、114、108、89 mm 4種規(guī)格。第四系覆蓋地層用?146 mm套管隔離，其它孔段根據(jù)鉆孔深度、穿越地層復(fù)雜程度選擇使用。特別破碎孔段必須使用套管護壁，如施工白楊溝ZK20805孔時就是采用套管和泥漿護壁措施，才成功完成了深度1335 m的鉆孔施工。該孔使用?75 mm繩索取心工藝和優(yōu)質(zhì)泥漿成功鉆穿680～840 m的連續(xù)破碎帶地層，在鉆至1128 m時，破碎帶位置孔壁開始失穩(wěn)，出現(xiàn)垮塌，在760～780 m段形成了“大肚子”，連續(xù)發(fā)生3次斷鉆事故，斷頭被淹埋絲錐無法到達，經(jīng)多次透孔才成功撈出，經(jīng)過多次掃孔才到達1128 m孔底，但鉆機負荷明顯增大，不能再強行鉆進，就用S71鉆桿作套管，換SA56繩索取心鉆至1335 m處終孔。

該孔下入套管太多，終孔后套管起拔困難，還是680～840 m段連續(xù)破碎帶段孔壁垮塌和縮徑夾持所致，使用水力割管器分別在760、680 m割斷鉆桿仍起拔不動，又在650 m處割斷后才提拔出鉆桿，孔內(nèi)遺留鉆桿478 m。

教訓：復(fù)雜地層施工必須使用優(yōu)質(zhì)泥漿護壁，下入套管時可在其外壁涂抹黃油或在鉆孔內(nèi)灌滿植物膠、切削膏制作的濃漿液。施工期間，做好孔口各級套管間的封閉，防止巖粉進入對套管形成加塞，有利于終孔后的起拔。

3.3.2.2 重視泥漿護壁

雖然低固相或無固相泥漿已被廣泛使用于本礦區(qū)鉆探施工，當遇到特別破碎的地層時，就需要及時調(diào)配使用特殊性能的固相泥漿。2010年施工設(shè)計孔深800 m的ZK20803孔時，使用無固相泥漿鉆進到366 m時遇破碎帶發(fā)生卡鉆事故，事故頭被埋，處理無效報廢。重新開孔鉆到688.93 m，雖已穿過破碎帶，還是出現(xiàn)了上部破碎帶卡鉆事故，井壁坍塌掩埋了事故頭，處理無效而報廢。

2014年施工ZK20805孔時認真汲取ZK20803孔教訓，在鉆進至650 m時，為穿越斷層配置使用了高粘度、大密度固相泥漿，成功鉆穿了680～840 m的千枚巖斷層破碎帶地層，平均巖心采取率>75%(參見圖9)，為正常施工奠定了基礎(chǔ)。

圖9 801～803 m處的巖心

泥漿配比(1 m3泥漿)：3%～4%膨潤土+2%～3%燒堿(占土量)+0.2%～0.4%纖維素+2%～3%腐植酸鉀+1%～2%切削膏。泥漿性能參數(shù)：密度1.2～1.26 g/cm3，粘度35～37 s，失水量7.5 mL，pH值7.5～9。

由于該泥漿密度和粘度較大，使用過程中用離心除泥除砂機定時清除不易沉淀的巖粉，定時檢測泥漿性能指標，達不到要求指標時及時更換。鉆進中適當降低轉(zhuǎn)速，防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮，以免影響打撈巖心及內(nèi)管的投放。

3.3.2.3 灌注水泥堵漏

深孔施工中遇到小的斷裂破碎帶出現(xiàn)孔壁坍塌掉塊、泥漿漏失時，采用灌注水泥漿或加鋸末的水泥漿進行堵漏處理。水泥漿水灰比0.5，添加1.5%～3%(占水泥)NaCl或CaCl2作為早強劑(提前用水溶解備用)，按50 kg水泥加1～2 mL三乙醇胺作速凝劑。灌注水泥漿堵漏和固結(jié)破碎帶效果較好。

4 涌水鉆孔應(yīng)急處理

繩索取心鉆進遇到涌水的情況時有發(fā)生，造成內(nèi)管投放困難或無法送入孔底鉆具內(nèi)，可用增大泥漿密度方法處理。把膨潤土和重晶石粉(600～800目)按1∶1攪拌后加入泥漿中，加量可通過檢測泥漿密度和觀測涌水量的變化適時控制，循環(huán)過程中發(fā)現(xiàn)有重晶石粉沉淀時，可適當增大膨潤土加入量。

也可嘗試使用以下方法。

(1)鉆孔涌水量不大時，通過加長打撈桿長度增加重力把內(nèi)管壓送到孔底鉆具內(nèi)，或者嘗試合車后用水泵送水的辦法壓入。

(2)投放內(nèi)管前，加鉆桿后把鉆具放到孔底，待鉆桿內(nèi)涌水變小后再投入或送入內(nèi)管，但前提條件是孔底必須干凈，防止夾鉆、埋鉆事故發(fā)生。

(3)在嘗試(1)、(2)方法仍不能投入內(nèi)管時，用繩索鉆具單管鉆進的方法，鉆過涌水孔段后再使用繩索取心鉆進法繼續(xù)鉆進。

5 結(jié)語

(1)嚴重的鉆孔彎曲直接影響到施工質(zhì)量，雖然糾斜鉆進工藝過程繁雜，成本高，但可以保證施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。認真總結(jié)礦區(qū)鉆孔彎曲規(guī)律，做好施工工藝設(shè)計，最大限度地減小孔斜幅度十分必要。

(2)配制和使用優(yōu)質(zhì)泥漿，可以有效預(yù)防水敏性千枚巖地層及其破碎帶造成鉆孔縮徑、坍塌，減少井內(nèi)事故的發(fā)生，保證巖心采取率，提高施工質(zhì)量。

(3)認真分析施工過程中遇到的具體工程問題，及時采取針對性的技術(shù)措施，是探礦工作者的職責。

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DrillingTechnicalProblemsandCountermeasuresintheComplexFormationsofTiziya-Fuziling

QIEn-qiang,ZHUJin-jun

(717 Branch, North West Mining and Geological Exploration Bureau for Non-ferrous Metals, Baoji Shaanxi 721004, China)

The formations are mainly of steep occurrence of phyllite in Tiziya-Fuziling lead-zinc polymetallic ore area, locally containing calcite or quartz veins with fault fracture zone development and poor wall stability, the design requirements could not be met because of common severe drilling hole bending. The hole deviation prevention, deviation correction and slurry protection are the major construction technical problems in this mining area. This paper introduces the technical measures taken in hole deviation prevention, directional deflection, wall protection and plugging, as well as the results achieved.

hole deviation; directional drilling; deflecting wedge; hole wall protection and loss shut-off; core drilling

2016-11-11；

2017-07-14

祁恩強，男，漢族，1963年生，隊勘探公司經(jīng)理，高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)勘查鉆探工程和巖土工程施工技術(shù)工作，陜西省寶雞市金臺大道5號，gkc717@sina.com。

P634

B

1672-7428(2017)09-0001-06