新疆乌拉根矿区复杂地层绳索取心钻进技术

乔彦斌

(北京中资环钻探有限公司，北京 100012)

新疆乌拉根矿区复杂地层绳索取心钻进技术

乔彦斌

(北京中资环钻探有限公司，北京 100012)

在分析了新疆乌拉根矿区绳索取心钻探技术难点的基础上，介绍了在调整钻头、钻具级配，泥浆应用，操作技术等方面采取的技术方法，并对比了钻探技术效果。

复杂地层;绳索取心钻进;烧钻;卡钻;钻孔漏失;乌拉根矿区

1 概述

1.1 乌拉根矿区地质情况

新疆乌拉根矿区位于塔里木盆地西端、天山南麓与昆仑山北麓两大山系的结合部位，属高山区，海拔最低处2000 m，最高2547 m。乌拉根盆地北以盐厂北断裂为界，南以克孜勒苏断裂为界，西至吉根断裂，东至乌恰县西15 km处。由于挤压作用，东西向拉长，南北向压缩，东西长近100 km，南北宽15～30 km，面积大于2000 km2。区内矿产资源丰富，主要有铜、铅锌、铁矿、锶、石油、天然气、煤和石膏等矿产。区内褶皱构造发育，主要表现为复式背向斜构造，区域上断裂极为发育，地层复杂。乌拉根矿区就位于乌拉根盆地的核心部位，该矿为中新生代典型的浅成低温热液型铅锌矿。

1.2 区域地质勘探情况

该区域地质工作最初始于1941年，20世纪50年代初，苏联专家在该区进行大规模地质调查、重磁力普查工作，并对喀什构造进行了详查。后来国内地质人员陆续做了些基础地质工作。21世纪初，随着我国经济建设的迅速发展带来的对原材料的迫切需求，该区域的地质勘探工作量逐年增加。但由于2008年的全球经济危机，导致有色金属产品价格大跌，地质勘探工作大幅减少，随着2009年下半年金属矿产品价格的回升，又掀起了一波地质勘探热潮。该矿区2011年设计钻探任务为12000 m，现有6台钻机同时施工。

2 施工设备及钻探工艺概况

施工设备:我公司使用2台YDX－3G型全液压动力头履带钻机;另一公司使用XY－44、XY－5、XY－6型钻机等共4台，配套BW－250型泥浆泵和6135柴油发电机组。钻机施工能力:Φ75 mm口径的钻进深度＞1000 m，而该矿区设计最深孔为570 m，要求Φ75 mm口径终孔，满足要求。

钻探工艺:采用绳索取心钻进工艺:绳索取心钻具采用国际通用的Q系列标准钻具，钻具结构设计合理、间隙配合良好，可以较好地保证岩心采取率。根据项目情况，我们选用了3种口径的绳索取心钻具:PQ、HQ和NQ。采用Φ146 mm套管+Φ152 mm合金钻头开孔，下好Φ146 mm井口管。然后使用PQ钻具进行绳索取心钻进，并根据地层和孔深设计适时更换下一级口径，同时采用多层套管护壁。套管采用Φ146、114、89和71 mm口径，环状间隙配合紧密，较好的预防孔斜和保证钻孔质量。

泥浆:绳索取心钻进时采用无固相泥浆，主要添加成分为聚丙烯酰胺、切削膏。其主要性能参数:粘度为20～30 s，密度为1.02～1.08 kg/L，失水量为8～20 mL/30 min，pH值为8～10，固相含量为0。根据不同地层层位岩性特点，适时适当地改变泥浆性能参数。

3 钻探施工中的主要困难和解决方法

3.1 施工中存在的主要问题

我方钻机于2010年5月25日进驻该矿区，由于矿区地形陡峭，局部切割剧烈，钻场道路和钻场修建困难，耗时长，矿区前期准备工作不足，停机待孔至6月12日。在待孔期间，我们详细了解了矿区地层特点，岩石物理特性，前些年钻探存在的困难及注意事项，并观察了部分岩心样品。据此，我们在原有准备工作的基础上进一步改进了相应的技术措施。在3个多月的钻探施工中发现的主要问题和预想基本一致，现简述如下。

3.1.1 泥岩层和石膏层缩径、烧钻问题

在乌拉根矿区地层中，含有厚大的泥岩和石膏层位，根据钻孔岩心情况，泥岩层0.3～20 m不等，石膏层0.5～26 m不等。该地区泥岩与石膏的共同特点是遇水膨胀(见图1)，引起钻孔缩径，缩径后导致钻杆在孔内阻力增大，严重时卡钻，缩径层以下的钻杆、钻具无法提出，造成钻孔报废、管材报废等巨大的经济损失。由于施工用钻头主要为孕镶金刚石钻头，钻遇泥岩时，泥巴容易将钻头水口糊死，以致钻头得不到循环泥浆的冷却而烧钻，尤其是在高转速钻进时，短短十几秒就能造成严重烧钻。

图1 膨胀的泥岩岩心

3.1.2 含砾砂岩和砂砾岩取心困难、掉块卡钻问题

乌拉根铅锌矿的主要含矿层位为一套古新统(以乌拉根组〈E1w〉为代表)，以砂岩、含砾砂岩、砂砾岩、膏盐层和介壳灰岩、泥灰岩、白云岩等岩层为主。其中含砾砂岩、砂砾岩岩层的岩石特点是:胶结松散，稍遇水就散，而且在取心后放入岩心箱内，其本身含的水分丧失后也会散开(见图2、图3)。故而对泥浆性能参数具有较高的要求，如果泥浆失水量大，则会将岩心泡散，导致卡簧无法卡取岩心或者岩心丢失严重。

图2 散开的砂砾岩

图3 胶结松散的砂砾岩断面

同时，在全孔漏失无法堵漏，钻进至含砾砂岩、砂砾岩层以下时，由于泥浆不能上返无法进行护壁，钻杆柱转动后与孔壁产生摩擦和碰撞，势必要使孔壁上松散的碎屑、颗粒等脱落，脱落较多或者有大颗粒，就很容易造成卡钻事故。

3.1.3 裂隙和溶洞发育以致泥浆漏失严重问题

由于乌拉根矿区构造属于海相沉积型，生物介壳灰岩、灰岩、白云岩等较为发育，加之后期地质作用改造剧烈，褶皱和断裂极为发育，浅层低温热液改造，以及地下水的影响，在灰岩层中岩石裂隙发育，裂隙的宽度从1～15 mm不等，取上的岩心自然两半，裂隙面布满黄褐色的水锈，并有数量较多的小溶洞(见图4、图5)。裂隙与溶洞的大量存在导致钻孔泥浆漏失严重。

图4 宽大的岩石裂隙

图5 发育的小溶洞

3.2 施工过程及所采取的解决方法

3.2.1 解决缩径、烧钻问题

采用加大钻头直径，并配备加大扩孔器，同时在钻具外管上增加加大的扶正器。以Φ75 mm口径为例，正常钻头外径尺寸为75 mm，通过加大钻头外径，使得外径达到Φ76或77 mm，从而预留出缩径间隙，延长缩径时间，确保了套管下入孔内后与孔壁之间的环状间隙，不会导致套管由于钻孔缩径被夹死的情况。同时，由于有套管作为护壁支撑，采用下一级口径则可以继续钻进至设计孔深。但在缩径特别严重的地层，难免有套管被夹死不能提出而被遗弃，只能用反丝钻杆将缩径层上部没有夹死的套管提出。

对于烧钻问题，主要原因在操作人员的技术水平上。因此，要求操作班长在钻进时一定要集中注意力，时刻注意钻机各仪表盘数据、泥浆泵泵压、钻探标尺反应的进尺速度，以及钻柱在孔内的声音变化。出现任何异常现象，包括但不限于仪表盘异常波动、泵压表压力突然升高、钻探标尺反应的进尺速度突然加快、钻柱在孔内的声音发生突变，都应该迅速上拉钻柱，然后再观察异常现象是否消失。等各种情况正常后，再缓慢向下钻进。

3.2.2 解决含砾砂岩和砂砾岩层取心问题以及掉块卡钻问题

调整泥浆性能参数，主要是增加泥浆粘度和密度，以充分地将岩粉携带出孔外，同时平衡地层压力，保持孔壁的稳定。降低泥浆失水量，防止岩心在钻进时间内被自由水泡散，保持岩心的完整性。同时，采用较大口径进行钻进，由于岩心直径较粗，岩心的整体物理力学性能会较为稳固，也能保持岩心的完整性。

在全孔漏失顶漏钻进的情况下，为防止上部的含砾砂岩、砂砾岩岩层掉块卡钻，需要下套管护壁，或者实施跟管钻进，以确保孔壁的稳定性，保证钻进至设计孔深。

3.2.3 解决泥浆漏失问题

由于裂隙与溶洞的大量存在导致钻孔泥浆漏失严重。在该矿区，我们针对钻孔漏失问题的原则是:小漏则堵，大漏则护，堵不住并没法护就顶漏钻进。具体为:针对较小的漏失情况，使用锯末、橡胶粒、棉籽壳、骆驼等牲畜粪等与高分子量的聚丙烯酰胺搅拌粘稠，进行堵漏，效果非常明显。针对较大的漏失情况，则采用套管护壁，在熟悉了矿区地层后，一般都在穿过漏失层后10 m左右，下入套管，然后换下一级口径进行钻进。严重的时候采用跟管钻进方法，但跟管钻进较为繁琐，而且耽误时间，一般不采用。由于使用水泥封闭方法耗时太长，而且容易出事故，故没有考虑使用。在堵漏没有效果、套管又无法跟进的情况下，只能进行顶漏钻进。由于该矿区岩石总体较软，岩石可钻性超过6级的岩层并不多，故花时间和财力进行堵漏不如直接顶漏快速钻进效果好。

顶漏钻进中，就要求操作班长要有丰富的经验，在施工中要严格控制操作程序，否则会造成井内事故。

4 钻探技术效果

通过采取以上方法和措施，在我方已经钻进完成的6个钻孔中取得了明显效果:台月效率556.23～898.33 m，平均730.43 m;小时效率1.02～1.78 m，平均1.42 m;纯钻时间利用率57.67%～84.54%，平均70.82%。详细钻孔情况及效果见表1。

表1 新疆乌拉根矿区钻探技术效果

另一公司4台钻机钻进情况:1号钻机在SZK24－2钻孔于240 m处烧钻，处理40余天未果，移孔重新开钻;2号机在SZK5－3钻孔于近300 m处烧钻，处理事故过程中埋钻，造成“铁眼”，处理10余日未果，移孔重新开钻;3号机钻进基本顺利，历时42天完成SZK40－2钻孔，孔深427 m，但时效仅0.42 m;4号机钻进水文钻孔，不在此做对比。

通过对比，说明我们采用的技术措施收到了良好的效果。

5 结语

在新疆乌拉根地区的绳索取心钻探中，采用常规规格的钻头、常规材料的泥浆，孔内事故率高、风险高、成本高，而用目前的这套技术参数和工艺方法，效果非常显著。大大降低了孔内事故率，保证了很高的岩矿心采取率，降低了堵漏成本，同时缩短了堵漏时间，从而大大提高了钻进效率，使得施工成本和风险大大减少。因此该方法是很值得在类似地区进行推广的一种有效方法。

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［5］汤凤林.岩心钻探学［M］.湖北武汉:中国地质大学出版社，1991.

Wire-line Coring Drilling Technology in Complex Formation in Xinjiang Wulagen Mining Area

QIAO Yan-bin (Beijing Sinodrill Co.，Ltd.，Beijing 100012，China)

Based on the analysis on technical difficulties in wire-line coring drilling in Xinjiang Wulagen mining area，the paper introduced the technical methods in bit adjusting，drilling tool grading，mud application and operation technique，and the drilling effects were compared.

complex formation;wire-line core drilling;bit burnt;drill rod sticking;loss of circulation;Wulagen mining area

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0018－03

2011－07－22;

2011－11－08

乔彦斌(1984－)，男(汉族)，陕西人，北京中资环钻探有限公司工程师，勘查技术与工程专业，从事探矿工程技术和相关管理工作，北京市朝阳区安外北苑五号院四区北地大厦一层，sinoeric@126.com。