新疆富蕴县乌吐布拉克铁矿ZK20-3钻孔施工技术总结

董昌波，陈 磊

（新疆地矿局第七地质大队，新疆乌苏833000）

新疆富蕴县乌吐布拉克铁矿ZK20-3钻孔施工技术总结

董昌波*，陈 磊

（新疆地矿局第七地质大队，新疆乌苏833000）

乌吐布拉克铁矿处于阿尔泰山脉中部西南边缘山前地带，矿区地质构造以褶皱产生的层间滑动为主，构造裂隙以节理为主，局部形成破碎带，深部完整程度高，施工难度大，尽量施工至设计孔深，隔离不稳定地层，隔离易斜地层，隔离漏失地层，加强新设备、新技术、新方法的学习和应用，提高我队深孔钻探施工水平。

钻孔漏失；易斜；防斜；控斜

1 工区与钻孔简介

乌吐布拉克铁矿处于阿尔泰山脉中部西南边缘山前地带，为中低山地形，海拔1000～1400m，相对高差50～400m，切割深度50～100m，多发育“V”型谷，属构造剥蚀侵蚀型中、低山地貌，总的趋势北高南低。本次工作的目的是通过钻探手段加速富蕴县乌吐布拉克一带铁矿的整体勘查。

ZK20-3钻孔设计1350m，倾角77°。2013年由于处理事故和施工进度慢等原因施工至800m水泥封孔后停工，计划来年继续施工。2014年6月，经过充分的设计准备工作，克服钻孔深、易斜、钻井液漏失大等困难，顺利的完成了钻孔。

2 矿区地质概况

乌吐布拉克铁矿矿区出露岩体走向210°～230°，倾角75°～85°。矿区上部地层（0～700m）由浅粒岩和片麻岩构成，为片理和层理结构，取出片麻岩岩芯的中夹角为20°～35°。区内大部分岩石均属于坚硬岩石，包括浅粒岩、斜长角闪岩、角闪变粒岩和磁铁矿体等。矿区地质构造以褶皱产生的层间滑动为主，构造裂隙以节理为主，局部形成破碎带，深部完整程度高；蚀变带为石榴子石化和绿帘石化裂隙不发育，力学性质强；强风化带薄，弱风化带发育较深，局部破碎。矿体及围岩抗压强度高，稳定性好。矿区地层概况见表1，地层及岩芯见图1。

表1 矿区地层概况一览表

图1 矿区地层及岩芯

3 钻孔施工难点

乌吐布拉克铁矿地质构造复杂。对施工的影响主要有以下几个方面：一是地层倾角大，互层多，促斜严重，控斜十分困难；二是矿区有多条大的断裂带，钻孔施工过程中钻井液大量漏失，甚至不返浆，因漏失部位较深，给钻井液的维护和堵漏带来了非常大的困难；三是坚硬岩组岩石坚硬，弱研磨性，钻进效率低；四是钻孔深，倾角大。增加了施工难度和劳动强度。

4 钻孔施工技术总结

4.1 钻探设备（表2）

表2 主要钻探设备一览表

4.2 钻探工具

ZK20-3的钻孔施工中，采用专门用于深孔施工的各类金刚石绳索取芯钻杆、钻具和钻头。Ø95mm和Ø75mm绳索取芯钻具为无锡钻探工具厂生产，Ø75mm绳索取芯钻杆为唐山金石生产。主要钻探工具见表3。

表3 主要钻探工具一览表

4.3 钻孔ZK20-3施工技术

4.3.1 钻孔结构

ZK20-3钻孔于2013年8月12日开孔，于11月25日施工至800m，因天气原因暂停施工，水泥封孔。2014年4月5日开孔，至6月3日终孔，终孔口径Ø78mm，终孔深度1261m。各口径施工孔深见图2。

图2 钻孔ZK20—3结构示意图

4.3.2 钻探工艺方法

4.3.2.1 钻进方法及钻头的选择

（1）ZK20-3钻孔采用4个级配的钻孔口径施工。该孔设计顶角77°，考虑到钻孔易斜，钻进阻力和护壁堵漏等方面因素，采用Ø130mm、Ø110mm、Ø95mm、Ø78mm 4个级配的钻具进行施工。各个级配的钻孔施工要求：尽量施工至设计孔深，隔离不稳定地层，隔离易斜地层，隔离漏失地层。

（2）根据地层选择不同的钻头，并做好统计工作。在ZK20-3钻孔的施工中，上部地层岩石较软，倾角大，钻进中易斜；而下部角闪岩和磁铁矿体地层岩石坚硬，致密，石英含量大，研磨性弱。因此钻头的合理选择是该孔顺利完工的必要条件。在钻头的选择中，我们选用了吉林钻石、武汉万邦、唐山金石、石家庄航华等厂家的钻头进行试验，根据钻头齿形、水槽类型、硬度、浓度、金刚石品级等参数的数据统计，择优选择钻头。并且钻头参数统计数据对我们今后钻孔施工的意义重大。

在钻进打滑地层时，我们采用了人工出刃，降低钻头胎体硬度和采用高低刃齿形钻头提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力等方法，但是没有取得好的效果。人工出刃处理的方法虽然有效果,但往往在钻进几厘米或十几厘米后又会出现打滑，回次进尺短，钻头寿命短。金刚石钻头人工出刃方法只是解决打滑问题的一种应急辅助手段，不是根本的解决方法。而采用软胎体钻头，在深孔钻进中，如果没有控制好钻压，会造成金刚石钻头整个胎体强度不够，寿命变短，甚至钻头变形而无法使用。因此胎体的耐磨性要选适中，不能过大或过小，过大则金刚石无法出刃，导致时效过低；过小则钻头寿命大为降低，增加成本，降低了经济效益。采用高低刃金刚石钻头的使用效果也并不理想，因为开始是高刃破碎岩石，钻进时效能得到提高；随着高刃磨损低刃参加工作，钻头唇面与岩石接触面积逐渐增大，钻头的比压下降，整个钻头的大部分钻进时间同普通钻头没有多少区别。

因此在考虑现有的钻进方法的前提下，只有采用高胎体，高品质金刚石，合适硬度和齿形的钻头才是根本的解决办法。实践也证明，ZK20-3钻孔采用了不同厂家多种参数的普通钻头在钻进时都不是很理想。针对该孔的特点，我们从厂家定制了进口金刚石同心圆尖齿钻头，钻进小时效率由0.5m/h提高至1.2m/h，钻头寿命从20m/个提高到70m/个，在效率和经济效益上取得了良好的效果。图3为在800m后的坚硬岩层中我们使用的钻头和专门定制的斜孔专用扩孔器。

图3 ZK20-3孔使用的钻头及扩孔器

4.3.2.2 防斜和控斜

在ZK20-3钻孔施工中采用了以下防斜和控斜手段。

（1）采用合理的钻孔级配，该孔采用了4级钻孔级配。

（2）常规防斜措施：①开孔预防。检修机械设备，防止立轴在钻进过程中角度发生变化；机场地地基一定要修筑牢固；钻机立轴严格按设计角度安装；开孔前检查机上钻杆、孔口管、钻杆和岩芯管，杜绝使用弯曲的管材。上、下卡盘同时卡紧。②控制钻进参数。采用高转速，低钻压，降低钻速的方法施工。要求单班进尺控制在15m以内。③防斜钻具。我们绳索取芯钻具进行了改装：对钻具进行了适当的加长，增加了一个扩孔器，以提高钻具的扶正和抗弯曲能力。

4.3.2.3 钻井液

（1）ZK20-3钻孔循环系统情况介绍。因断裂带的影响，ZK20-3孔自开孔至终孔的施工中，一直存在着渗漏的现象。多个漏失部位，随钻和定点堵漏成功后，在后续钻进工作中又发生了渗漏，严重时甚至不返浆。对施工造成了极大的影响：钻井液供应不及，钻井液搅拌时间不够，水化溶解差，返出地面时已成清水；钻孔阻力大，效率低下；岩粉沉淀，严重影响孔内安全。

（2）采用的技术措施：

①钻井液配方。

a开孔钻井液：

配方：水800kg+膨润土7%～10%+Na2CO35%～7%（土重比）；

性能：比重1.10～1.20g/cm3,粘度25～23s，失水量20～25mL/30min,胶体率95%以上，pH值9。

bØ95mm、Ø78mm金刚石绳索取芯钻进孔段采用优质低固相钻井液，配方如下：

配方：水800kg+膨润土3%+Na2CO35%（土重比）+高效润滑剂5%（土重比）+无荧光润滑防塌剂5%（土重比）；

性能：比重1.03g/cm3，粘度20～25s，失水量8mL/30min，胶体率95%以上，pH值8。

该钻井液体系具有良好的携带、悬浮岩屑的能力，并且具有很好的润滑性。因钻孔漏失，该钻井液配合钻杆涂抹黄油使用效果更好。

②钻井液配制和使用维护。

a由于天气寒冷，钻孔漏失等原因导致钻井液不能充分搅拌溶解和供应不及的情况，在机台上增加一个搅拌罐。同时对所有难溶于水的钻井液添加剂进行预处理，对预制桶进行加温处理。

b机台每班专人负责钻井液的配制和维护工作。

c钻井液槽长大于15m，沉淀池不少于2个，坡度3°～5°。

d每班测量钻井液性能1～2次。

e每回次应清除钻井液槽内沉淀的岩粉；钻进100m左右应彻底清除沉淀池内的岩粉。

f深孔钻井液在使用过程中应注意保持性能稳定，并根据使用情况及时补充或更换钻井液；也可根据地层情况在技术人员指导下对钻井液配方进行必要的调整。

4.3.2.4 堵漏措施

本次施工由于钻遇地层变化较为明显，地层较硬，加上断烈带的存在，堵漏工作特别重要。ZK20-3采用了如下措施：

（1）在采用优质钻井液护孔困难时，及时下入套管；

（2）对漏失地层，采用粘土球、惰性材料、水泥等方法进行了堵漏；

（3）随钻过程中加入801单向封闭剂、锯末等随钻堵漏材料。

5 施工经验教训与总结

5.1 经验教训

（1）由于没有做好充分的准备工作，盲目进行施工，导致钻孔数次因纠斜、处理事故等原因停钻，并拖至第二年施工，浪费了大量人力、物力和财力。

（2）深部钻探工程的核心在于施工组织管理。2013年钻孔施工失败，机台管理中就暴露出很多问题，如：违反操作规程，抱侥幸心理施工，队伍军心涣散等。

（3）方法单一，技术落后，思想保守也是导致该钻孔施工周期长，效率低下的重要原因之一。

（4）不总结、不找原因、不改正使得钻孔在施工中多次发生相同问题和事故。

5.2 总结及努力方向

（1）加强新设备、新技术、新方法的学习和应用，提高我队深孔钻探施工水平。

（2）在今后的施工中，要更加全面、详细地收集矿区地质资料，重视深孔施工设计的编写和执行工作。

（3）深孔、难孔的钻孔施工是今后钻探发展的方向，打造人员素质高、责任心强、技术水平过硬、组织管理水平高的队伍，我们还需不断努力。

（4）随着市场钻探成本的增加，对于施工“三高”孔，采用配套的设备、先进的工具，降低劳动强度，提高生产效率，降低生产成本势在必行。

（5）在深孔钻探施工中，如何简化繁琐的施工程序，提高管理者的管理水平，是我们亟待解决的问题之一。

（6）我们在钻井液的配制、维护方面存在着“配制照猫画虎，维护费时费力”的问题，并且钻井液使用浪费严重，因此我们需要加强理论知识的学习，加强与外界的交流，采用新设备、新方法来提高钻井液的使用效率。

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1004-5716(2015)09-0035-04

2015-07-29

2015-07-30

董昌波（1979-），男（布依族），云南罗平人，助理工程师，现从事钻探技术工作。