浅论神农架地区岩溶复杂地层钻探施工技术

陈 兵,姚 燕,张 峰,秦 斌,丁长洲

(1.湖北省鄂西北地质矿产调查所,湖北襄樊 441007;2.湖北省地质科学研究所,湖北武汉 430034)

浅论神农架地区岩溶复杂地层钻探施工技术

陈 兵1,姚 燕2,张 峰1,秦 斌1,丁长洲1

(1.湖北省鄂西北地质矿产调查所,湖北襄樊 441007;2.湖北省地质科学研究所,湖北武汉 430034)

针对神农架地区岩溶复杂地层,分析了岩溶地层的特点,有针对性地提出泥浆护壁、长钻具穿越溶洞、套管隔离溶洞岩芯钻探施工工艺方法。此法在神农架沐浴河矿区ZK207孔中进行了验证,突破了岩溶地区钻探施工的难题,满足了地质要求。

岩溶;复杂地层;泥浆护壁;长钻具;套管隔离

0 引言

神农架地区矿产资源丰富,已发现有大型的磷矿和铅锌矿床,随着地质找矿工作的深入,钻探工程越来越多。但该地区属变质岩地区,其震旦系灯影组灰岩及白云岩中岩溶、断层、节理发育,溶洞多呈串状垂直分布,单个溶洞最深达48 m,岩溶破碎带连续厚度达150 m以上,钻探施工难度大,完孔率低,报废工作量大,钻探成本极高。

从2006年3月至2008年9月通过大量室内试验、野外试验,拟定技术方案,在神农架沐浴河矿区ZK207孔(终孔孔深362.41 m)现场验证了泥浆护壁、长钻具穿越溶洞、套管隔离溶洞等钻探技术措施,基本解决了复杂岩溶破碎地层钻进的难题。试验孔台月效率达到302.18 m,质量满足地质要求,取得了良好的经济及社会效益。

1 神农架地区岩溶地层的特点

经过对神农架花椒树坪铅锌矿区、神农架沐浴河铅锌矿区、神农架新华乡柳树袍磷矿区以往钻孔资料的收集整理,分析了该地区地层中岩溶及破碎带的地质特性。

(1)岩溶主要集中在震旦系灯影组灰岩或白云岩地层中,深度一般在300 m以内,个别钻孔在500～600 m仍有岩溶发育,但规模不大,多为3～4 m单个小溶洞。

(2)溶洞多呈串状分布,深度大小不一,从0.1～48 m,单孔溶洞最多可达20多个,溶洞中钻具易折断、易孔斜。

(3)溶洞充填物按由浅到深呈现的特征为:上部—下部溶洞为无胶结、卵砾石状岩溶碎屑—中粗砂状岩溶碎屑—可塑状粘土夹岩块—软可塑状粘土。钻进时遇无胶结岩溶碎屑无法成孔,粘土类充填物钻进时易缩径掉块,扫孔时易形成新孔。

(4)因断层、节理等的影响,岩石较破碎,矿区施工时冲洗液全孔漏失。

2 工艺技术方案

笔者在综合研究以上地层特点的基础上,通过室内、外试验制定了详细的技术方案。即泥浆护壁—长钻具穿越大溶洞—套管隔离或布袋法水泥隔离。

2.1 各类型岩溶充填物护壁泥浆的配制

无胶结岩溶碎屑物中使用高触变性胶冻泥浆。

护壁原理:高触变性泥浆在钻进中呈液体特点,渗入松散地层,静置时呈胶体特征,有效胶结松散岩溶充填物,造孔护壁[1]。

可塑粘土夹砾石及粘土中使用低固相、低失水量,良好防坍效果的低固相高分子泥浆。

护壁原理:高分子低固相泥浆失水量小,阻止了粘土矿物的吸水膨胀,腐植酸钾具有良好的抑制泥质矿物水化膨胀的效果,泥皮薄而坚韧,护壁防坍效果良好。

破碎易掉块地层中使用高分子无固相冲洗液。

护壁原理:高分子无固相冲洗液,采用大分子量A处理剂与腐植酸钾配制而成,粘度随钻孔岩石破碎程度可调,高分子材料分子链长,对破碎孔壁有良好的交联作用,腐植酸钾对岩石裂隙中的粘土矿物有很好的防塌及抑制水化膨胀的效果。配制的浆液具有护壁、润滑双重效能,在绳索钻进中无钻杆内结皮现象,性能优良[2]。

通过200多次室内试验和野外钻孔试验优选出泥浆性能指标及配方,见表1。

表1 泥浆性能指标及配方表Table 1 Mud property and formula table

2.2 溶洞穿越工艺

在溶洞穿越的过程中极易产生钻具折断、孔斜、埋钻事故。

工艺方法为:钻进过程中遇到溶洞后先探孔,发现溶洞中有充填物改为相应的泥浆护壁,钻具换为加长钻具或绳索取芯钻具轻压慢转钻进。钻具的长度必须超过溶洞的深度,以防止产生孔斜导致钻具折断、钻孔报废。

钻具可采用套管接长,丝扣部分用丝扣胶粘结以防甩脱。遇溶洞底部或突出的岩溶洞壁应立即减压钻进,待钻头在岩石上刻取出台阶后再逐步加大钻进压力,防止产生孔斜。

2.2.1 套管隔离

溶洞穿过后钻进完整基岩不少于1 m,提钻下入套管。

方法:溶洞部位必须使用长套管,空洞部位尽量无接头或将接头部位置于空洞下部,套管丝扣使用高强丝扣胶粘结以防脱扣,套管外壁涂抹油脂及高分子材料以顺利起拔,套管口及底部采用柔性材料封隔,钻进过程中每班需检查套管,遇脱扣后立即处理。

2.2.2 下入套管后钻进工艺

下入套管后尽量选择绳索钻杆、内丝钻杆钻进,以减少钻杆在钻进过程中对套管敲打造成的套管折断。

具体工艺方法:下套管后第一回次下钻时在钻具、钻杆上涂抹润滑油脂以在套管内壁形成润滑膜。空洞较大超过6 m及空洞处有套管接头的钻孔则限制转速,钻机转速不超过500 r/min,以防打断套管。

2.2.3 布袋法隔离

如遇溶洞空洞位置太深(神农架花椒树坪铅锌矿区ZK009孔曾在540 m处遇4 m空洞),可选用布袋法在溶洞内下入布袋灌入水泥浆造壁,待凝固后再透孔施工,用布袋法施工工艺完成室内试验,效果良好。

3 钻孔试验及应用

选择神农架沐浴河矿区ZK207孔进行生产试验,对岩溶破碎地层钻进工艺进行综合验证。

神农架沐浴河矿区位于神农架林区宋洛乡,ZK207孔位于岩溶塌陷区(大天池)边缘,距简易公路直线距离3 km,无道路到达施工孔位。施工用水距孔位达2 km,高差600 m,用水十分困难。该孔设计孔深410 m,顶角90°。

3.1 地层情况

ZK207孔地层主要由细晶白云岩、白云岩、薄层状灰岩、薄层状含碳灰岩、碳质页岩等组成。0～101.80 m:细晶白云岩;101.80～172.85 m:碎裂白云岩,岩石破碎,溶洞发育;172.85～217.80 m:细晶白云岩,裂隙、溶洞发育;217.8～296.50 m:薄层状灰岩,岩石破碎,溶洞发育;296.50～334.22 m:薄层状含碳灰岩;334.22～348.80 m:碳质页岩;348.80～351.35 m:铅锌矿层;351.35～362.61 m:碎裂白云岩,岩石破碎。在白云岩及部分薄层状灰岩中断层、裂隙、溶洞发育,地层十分复杂,全孔漏失,稳定水位328.20 m。

孔深98.88～100.88 m时,取出2 m黄泥,106.58 m处开始见溶洞。106.58 m～272.30 m区段,1 m以上的溶洞共有11处,充填物主要为粘土夹碎石,其中191.75 m～205.85 m每钻进0.3～0.5 m掉钻0.2～0.6 m,裂隙、溶洞十分发育,205.85～214.85 m有一个9 m的溶洞,上部6 m空洞,下部3 m含中砂状充填物,充填物松散无胶结。

3.2 设备使用情况

设备及钻具配备见表2。

表2 钻探设备及钻具配备表Table 2 Drilling equipment and drilling tools outfit

3.3 钻孔结构

3.4 施工工艺、方法

由于此孔冲洗液全部漏失,0～150 m孔段采用清水顶漏钻进至150.08 m时由于孔内垮孔,无法继续钻进,用91 mm扩孔,扩孔采用无固相泥浆至105.19 m时有下钻不到底坍塌、掉块的现象。换用低固相泥浆顶漏扩孔、钻进至156.42 m,粘土粉用完,采用无固相泥浆护壁钻进至166.01 m时,因山下储备的泥浆材料用完,下入89 mm的套管。换S75低固相泥浆顶漏钻进至205.85 m遇9 m溶洞内含充填物,因垮孔无法钻进,换用胶冻泥浆钻进,顺利穿过溶洞。低固相泥浆钻进至229.65 m地层较完整下入73.5 mm套管,变径为S59绳索钻进至终孔。钻探工艺参数见表3。

表3 钻探工艺参数表Table 3 Parameter table of drilling technology

为了起拔顺利,下入的套管采取内外涂抹油脂及高分子材料,一个班完成全部套管的起拔任务,溶洞空洞部位采用外墩粗套管,未出现套管折断现象。

3.5 施工情况及效果

钻孔自2007年11月23日开工至12月30日终孔,终孔孔深362.61 m。

钻进基本数据见表4。

表4 钻进基本数据表Table 4 Basic data of drilling

钻孔质量情况:

(1)岩矿芯采取率:岩芯采取率>80%,矿芯采取率90%,满足了地质要求。

(2)钻孔弯曲度:终孔时最终顶角89°,偏斜1°,满足地质要求。

(3)孔深矫正、封孔、简易水文观测、原始班报表均满足地质要求,一次性通过质量验收。

4 结论和建议

(1)低固相及无固相泥浆满足复杂地层绳索取芯钻进的需要,能在孔壁上形成一定强度的泥皮,适合破碎地层;无固相冲洗液组成材料用量少,加量在1‰～2‰之间,粘度易调,配置工艺简单,相对运输成本较低(特别在山区减少人力运输),适合使用;胶冻泥浆虽粘度高但触变性好、造壁护壁性好,对无胶结充填物钻进效果良好。

(2)对于冲洗液全漏失复杂孔段,可采用顶漏钻进,待穿过后再处理,比见漏就堵,见溶洞就处理,从经济和效率上要合算。但是在复杂地层顶漏钻进,要求操作人员要认真操作,随时注意孔内情况,以免发生孔内事故,特别是在溶洞的孔段,要保持低转速、低压力钻进,否则溶洞处容易发生断钻杆事故,处理起来十分困难。

(3)本孔采用四级钻孔结构,三级套管护壁。因此造成钻进辅助时间过长,主要是因为本孔处于神农架林区高山之上,物资运输十分困难,如果采用泥浆顶漏钻进,施工成本将大大增加,待料时间也会过长,同样达不到降低辅助时间的效果,在运输条件比较方便的地区可以用冲洗液顶漏钻进,穿过岩溶破碎带后再下入套管,以简化钻孔结构。

(4)在如此复杂的钻孔中施工,未发生一起孔内事故,即泥浆护壁—长钻具穿越大溶洞—套管隔离或布袋法水泥隔离的施工技术方案是成功而有效的。

[1] 曾祥熹,陈志超.钻孔护壁堵漏原理[M].北京:地质出版社,1986:142-163.

[2] 汤松然.钻井液培训教材[M].北京:地质出版社,2007:110-140.

(责任编辑:于继红)

D iscussion on Drilling Construction Technology of Complex Karst Stratum in Shennongjia

CHEN Bing1,YAO Yan2,ZHANG Feng1,QIN Bin1,DING Changzhou1
(1.Geological Survey of Northwestern Hubei,Xiangfan,Hubei441007;2.Hubei Institute of Geological Scievce,Wuhan,Hubei430034)

Aiming atcomplex karst stratum in Shennongjia,the authors analyze the characteristicsof karst stratum,propose pointedly construction technology and method of core drilling such as mud protection,long drilling tool crossing through karst cave and casing isolated karst cave.These methods are verified in ZK207 hole,break through difficult problem of drilling construction in karst area,meet geological requirement.

karst;complex stratum;mud protection;long drilling tool;casing isolation

P634.5;P642.25

A

1671-1211(2010)04-0398-03

2010-01-26;改回日期:2010-06-04

陈兵(1970-),男,工程师,探矿工程专业,从事探矿工程、岩土工程施工和管理。E-mail:497821599@qq.com