新疆坡北矿区ZK2－6孔钻探施工技术

盖志鹏，罗 刚，贾宏福，王 磊，付兆友

(新疆地质矿产勘查开发局第六地质大队，新疆哈密839000)

1 概况

新疆坡北矿区ZK2－6孔属深部找矿项目，设计孔深1650 m，设计倾角90°，终孔口径≮75 mm，岩矿心采取率≮80%。于2011年由A机台进行第一次施工，期间在施工至839 m，因孔壁严重剥落超径而发生断钻杆事故，找不到事故头而失败。2012年由B机台进行第二次施工，在施工至890 m时，因冲洗液性能的突变，导致孔壁失稳，发生断钻杆事故，处理无果，以失败告终。同年由我单位进行第三次施工，以95 mm口径施工，采用净化水进行冲洗液的配制，大大提高了冲洗液的性能，成功穿过强蚀变带，在893 m下入91 mm套管，换77 mm口径继续施工。在施工至1074 m时，在937 m处钻杆折断，在处理断钻杆事故的过程中，因操作问题，发生卡钻事故，处理失败。2013年我单位用XY－6B型钻机对ZK2－6孔重新施工，通过优化钻孔结构，采用多功能复合剂MBM和抗盐GTQ冲洗液体系等技术措施，于2014年10月完成了该孔的施工。

2 环境概况与矿区地质

2．1 环境概况

工作区地处欧亚大陆腹地，属典型的大陆性极端干旱气候。气温四季及昼夜温差极大，年平均气温5～6℃。春、秋季风沙大，对工作有一定影响，风力一般3～4级，最大可达7级。夏季酷热干旱，6～9月份最高气温可达50～60℃，月平均气温28～31℃。冬季严寒，最低气温在12月至翌年2月，最低气温－30℃，月平均气温－13～25℃。每年4～10月为最佳野外工作时间。

2．2 矿区地质

工区超基性岩体地表大部分被第四系冲洪积砂砾石层覆盖，局部偶见有超基性岩零星露头。矿化带内岩石蚀变较强，蚀变类型主要有:蛇纹石化、纤闪石化、伊丁石化、滑石化、透闪石化、绿泥石化;该蚀变带的岩石松软、疏脆，胶结性差，吸水易膨胀剥落，孔壁极不稳定，钻进过程中常出现孔壁剥落，坍塌、超径等现象，是导致无法加杆、埋钻、钻杆折断等事故的主要因素。

工区经历了多次的构造变动，褶皱和断裂极为发育。褶皱以区域性紧密线状褶皱为主，断裂构造主要呈北东向、北东东向，区域性深大断裂为该区主要构造格架，控制着区内地层、构造、岩浆岩的分布。

3 矿区钻进难点

(1)地层局部蚀变强烈，遇水剥落，超径严重，易发生断钻杆事故。深部孔段会钻遇强烈蚀变带，由于蚀变地层频繁出现，连续不断，层厚0．5～30 m。蚀变层易受冲蚀剥离形成“超径”，如果冲洗液使用不当，会出现孔壁坍塌及剥落现象，护壁极其困难。钻进蚀变破碎时，回次进尺短(每回次40～60 cm)，取心次数频繁，钻进效率低，不利于孔壁稳定。超径严重孔段易发生断钻杆事故。

(2)冲洗液性能维护困难。因受地下水(卤水)的侵蚀，常见冲洗液材料配制的冲洗液性能极不稳定。主要表现为新冲洗液循环不久后，粘度降低、失水量增大、携带岩粉能力变差等。冲洗液中的固相材料絮凝沉淀、粘度降低易造成孔壁不稳，发生埋钻事故。失水量增大加剧了蚀变地层(水敏性地层)失稳。采用增加重晶石用量提高冲洗液密度护壁的方法则又造成泵压增高，水泵工作负荷大，冲洗液性能亦不能保持稳定。

(3)蚀变地层岩粉颗粒粗，排出困难，钻头寿命短。施工过程中发现，强蚀变地层遇水会发生一定的径向膨胀，经钻具回转后剥落在冲洗液中，造成冲洗液中岩粉多，从而导致泵压高，造成施工效率低。蚀变地层中产生的大颗粒岩粉(见图1)多悬浮在深部孔段以及沉淀在孔底，不能被冲洗液携带出孔内，形成“二次磨损”，加之孔壁不稳定，提钻后会发生掉块，每次下钻都要扫孔，造成钻头寿命过短;在扫孔过程中，易发生钻杆折断和埋钻事故。

图1 蚀变地层大颗粒岩粉

(5)安全隐患多。施工至深部孔段后，孔内阻力大、钻具质量大，致使设备动力不足，器具强度保险系数降低;泵压高，导致水泵高压部分、钻杆连接薄弱处损坏几率变大，施工中发生过水泵泵头、三通以及多处钻杆接手被高压水流损坏的情形，给施工安全带来了诸多挑战。

4 钻进工艺

4．1 钻孔结构

ZK2－6孔钻孔结构设计，在不超过钻机扭矩和提升力时，P系列尽量达到最深孔，以保证后期施工的顺利。另外考虑到深孔施工泵压可能偏高会抵消钻头上单位钻压，同时为保证一定的环状间隙利于岩粉排出，以及避免因泵压过高导致水泵损坏，终孔口径增大到77、78 mm。最终采用的钻孔结构如图2所示。

图2 ZK2－6孔钻孔结构设计

4．2 钻进方法

该孔各阶段钻进方法如下。

4．3 钻进技术参数(见表1)

表1 ZK2－6孔钻进技术参数表

随着孔深的增加，适当减小压力，在强蚀变层施工时，转速不宜太快，一般采用260～360 r/min。转速太快，易发生堵心。泵量宜小，避免泵压过高无法钻进，还防止泵量过大在孔壁超径孔段形成涡流冲刷孔壁。

转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素。在一定条件下，转速越快，钻速也越高。由于钻机性能、钻杆质量、孔内阻力和钻孔轨迹等因素影响，随着孔深的增加，转速应逐步下降。

4．4 冲洗液

4．5．1 冲洗液性能要求与选型

在蚀变破碎地层钻进时，冲洗液都必须具有良好的护壁、携带与清除岩粉的能力，且性能要保持稳定。以避免岩粉在下部孔段以及孔底的积蓄，避免钻头的过度磨损以及预防泵压高和埋钻事故的发生。用一般的泥浆材料配制冲洗液，受卤水影响，冲洗液性能很难保持稳定，携带岩屑能力差。为了保证冲洗液的性能稳定，需要抗卤水侵的冲洗液材料。经过对各种冲洗液材料的多次实验，最后选用MBM—GTQ材料与卤水配制冲洗液，该冲洗液能满足施工要求，冲洗液在处理断钻杆事故的过程中，孔壁无剥落，给事故处理提供了优越的条件。

4．5．2 冲洗液配制

(1)建立泥浆站。为保证冲洗液性能，我们在坡北工区建设了泥浆站。以XY－4型钻机为冲洗液搅拌机，搅拌转速100～200 r/min，一次搅拌量可达10 m3。站内配备冲洗液测试仪器，以保证冲洗液性能稳定。

(2)MBM－GTQ冲洗液的搅拌泥浆站建立以后，进行了试搅拌，材料量由少到多并记录冲洗液性能，以验证试验配方并优选出最佳配方。试验数据如表2所示。

表2 MBM卤水泥浆体系室内试验

4．5．3 冲洗液配方及性能

最终使用的MBM－GTQ冲洗液基本配方:1 m3卤水+2～3 kg纯碱+40～50 kg多功能剂MBM+2．5 kg抗盐共聚物GTQ。

泥浆性能:失水量14 mL/30 min，漏斗粘度35 s，pH 值 9，密度 1．07 g/cm3。

为了防止孔壁剥落过快，岩粉过多，可以适当提高冲洗液密度，其目的是提高液柱压力，平衡地层压力，预防并避免压力失衡;若冲洗液粘度过高导致泵压过高无法钻进则使用稀释剂降低粘度。若需要提高粘度，加入适量抗盐共聚物;若要加大冲洗液密度，可加入重晶石粉。

4．5．4 冲洗液使用与维护

(1)性能测试。由技术人员或机长做好对冲洗液性能的测定，每班至少测定2次(钻遇复杂地层则增加测定次数)，结合地层变化情况，对冲洗液性能进行调整。

(2)性能调整。根据地表冲洗液性能指标情况、施工地层的变化，补充新液或更换新浆，禁止直接在冲洗液中加入清水。原则上孔内需要什么就补什么，保留有效固相去除无效固相。

(3)岩粉清除。按照现场地形尽量增大冲洗液循环系统的容积。循环槽长度≮20 m、沉淀池容积≮1 m3、泥浆池容积≮3 m3。沉淀池设置在循环槽拐弯处，保证冲洗液更好地净化，及时清除有害固相。

4．6 孔内事故的预防及处理

4．6．1 孔内事故的预防

预防孔内事故的关键是保证冲洗液的质量及循环畅通，保持孔内清洁。预防卡、埋、烧钻事故必须做到以下几点。

(1)根据岩层特性，正确掌握冲洗液与套管的配合使用。

(2)金刚石钻头钻进，应保证钻杆丝扣连接密封，水泵要保证良好的工作状态，在易坍塌岩层提钻时要进行钻孔回灌，预防孔内事故的发生。要正确操作，随时注意孔内情况，发现异常就及时判断和处理。

(3)开车、磨孔前(扫弹卡、断头等)务必轻压力，缓慢尝试几次释放离合器，确认无反车现象再开始转动。

(4)每班检测冲洗液性能参数，适时更换，以保证冲洗液性能的稳定。

4．6．2 孔内事故的处理过程

(2)偏斜成功后，在钻进至866 m时，由于提钻时操作失误，粗径钻具跑钻掉入孔内，打捞无效后，在844 m处第二次进行偏斜。

(3)偏斜成功后，钻进至967 m时，由于831～849 m之间超径严重，发生钻杆折断事故，打捞无效后，在841 m处进行第三次偏斜。

5 施工组织与管理

5．1 生产组织

为了顺利完成此次深孔施工任务，单位成立了坡北铜镍矿钻探施工项目部，项目部以“三控三管一协调”为主要内容，负责机台施工，确保机台生产任务的全面完成。

5．2 技术管理

施工中，项目部建立了完善的管理体系，重点从钻探设计编写、钻探施工方法选择、钻进技术参数确定、泥浆性能检测与维护使用、钻孔质量保证措施落实与监控、事故预防以及钻孔施工数据收集、经济技术指标计算、钻孔技术资料收集归档等方面开展技术管理工作，加强了现场钻探技术管理，指导了机台生产，保证了钻孔顺利完工。

技术管理方法和具体措施如下。

(1)技术会议。结合施工过程中出现的问题，由项目部发起并组织现场技术会议，研究分析问题原因提出技术方案和措施。

(2)技术指导。由钻探技术人员指导机台严格按照钻孔设计开展钻孔施工，明确技术要求。指导施工过程中的钻头选择、钻进参数选择、冲洗液配置和维护、事故预防和隐患排查等关键环节工作，做到技术落实、措施可控。

(3)质量保证措施。由项目部监督机台按照《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227—2010)规定以及深孔施工技术方案开展工作，保证钻孔质量达标。

(4)施工数据收集整理与归档。由项目部建立钻孔数据收集要求和具体内容，由现场钻探技术员负责收集和整理。按照坡北铜镍矿地质项目组要求，由钻探施工项目部协调落实相关部门、人员及时填写钻探技术档案，由钻探技术员负责具体管理，提交单位档案室和相关部门归档。

6 环境保护

坡北工区位于罗布泊腹地，区内鲜有动植物。环保工作主要是避免和减少对施工区和生活区周围环境的破坏。

6．1 现场三废处理

在工地低矮处挖建废液池，将现场的机械废液、循环系统废液、生活废水、废冲洗液引入废液池，然后用石灰固化并掩埋处理。

6．2 保护当地的地貌特征

车辆尽量利用已有道路行驶，杜绝车辆在原始地貌(戈壁滩)上随意碾轧。

6．3 终孔后恢复场地地貌

对生产中产生建筑垃圾，生活垃圾做掩埋处理。

7 结语

钻探施工是一项涉及地上、地下众多因素且又隐蔽的工程，只有各个因素有效、协同发挥作用才能保证施工顺利进行。坡北工区ZK2－6孔在施工中遇到了诸多困难，但最终得以完工。

坡北工区ZK2－6钻孔的终孔，标志着我单位对破碎蚀变地层的施工有了重大突破。我单位在深孔复杂地层施工技术方面取得了阶段性的成果。

(1)深孔复杂地层施工技术水平再上一个新台阶，员工操作技术水平趋于成熟。

(2)以MBM—GTQ为主的冲洗液体系，解决了在卤水条件下配制性能稳定的冲洗液的难题、解决了钻遇强烈蚀变地层保护孔壁的难题。实践证明，它是一种有效且经济的方法，它的成功起到了良好的示范作用，值得推广。

(3)采用技术手段和MBM—GTQ冲洗液体系相结合，完成了210 m的蚀变层钻进，蚀变层最厚达30 m。为以后在深孔复杂地层钻进方面积累了宝贵的经验。

(4)掌握了深孔复杂地层钻进工艺技术，深孔钻探事故处理经验更加丰富，处理水平进一步提高。

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