吉尔吉斯斯坦卡瓦依金矿钻探施工工艺实践

王正浩

(河南省煤田地质局一队， 河南 新郑 451150)

吉尔吉斯斯坦卡瓦依金矿钻探施工工艺实践

王正浩

(河南省煤田地质局一队， 河南 新郑 451150)

卡瓦依金矿普查区在区域上属于阿拉伊构造建造地带，区内断层发育，西瓦力至卡拉—稍拉的复式背斜为区内主要褶皱。该褶皱又被一系列北东向和北西向、近东西向断层切割，致使地层呈现出鳞片状和条带状的断块组合。由于设计钻孔均为75°斜孔，全孔漏水，且布置在陡峭的高山上致使进场安装和材料供应困难，钻探施工难度较大。为解决这一系列施工难题，首先采用绞车和绳索向山上钻场供应钻探材料；其次加强钻探施工工艺优化和改进，研制了阶梯底喷式PDC绳索取心钻头，与抓簧配合进行取心钻进；另外应用“HQV刀锋”钻具和Φ75mm射流式绳索取心钻具+液动锤取心器等工艺。这些措施从根本上解决了这些技术难题，实现了全孔岩心采取率平均达到75%以上，金矿层采取率达到85%以上，一次成孔率100%，取得了较好的经济效益和社会效益。

金矿钻探；岩石破碎；钻孔漏失；钻头改制；绳索取心； 卡瓦依金矿

吉尔吉斯斯坦巴特肯州卡达姆扎依区卡瓦依金矿普查区总面积为32km2，设计4个钻孔，钻探工作量为900m。为了顺利完成钻探施工任务，钻探工程技术人员在该项目钻探施工中现场分析研究存在的问题，结合施工现场实际情况，解决了钻探施工技术难题。本文针对吉国卡瓦依金矿钻探施工工艺进行了总结，旨在为施工类似项目提供借鉴。

1 地质条件及钻探质量要求

1.1 地质条件

吉国卡瓦依金矿位于吉尔吉斯斯坦的西南部边缘。钻遇地层主要为志留系中统—泥盆系中统塔马西岩系(S2-D2tm)的灰白色、灰绿色薄层状硅质岩、硅质页岩以及石炭系下-中统布达尼斯岩系(C1-2bd)的泥质粉砂岩、浅灰色泥岩，局部夹中厚层状灰岩，另有少量矽卡岩、细粗粒闪长岩、花岗闪长岩，岩石破碎，岩石可钻性5～6级。

普查区在区域上属于阿拉伊构造建造地带，南部以阿克苏-金德克区域断层为界。区内断层发育，主要以近EW向和NE—SW向为主，NW—SE向次之。其中NE—SW向断裂带为主要的控矿断层，纵贯普查区中东部，延伸较长，宽度较大，显压扭性特征，导致整个矿区地层破碎，影响钻探施工(图1)。

矿区内主褶皱为西瓦力至卡拉—稍拉的复式背斜，呈SW—NE向延伸，在西瓦力地区因扭曲错断而呈近东西向延伸，宽约200m，长约1 000m。核部出露S2-D2tm岩系的硅质岩、硅质页岩，两翼为泥盆系和石炭系，总体走向NE—SW，南翼倾向SE，北翼倾向NW，倾角40°～80°。北翼多被第四系覆盖，出露较少，平面上呈不对称的形态。由于后期北东、南西向的挤压、错断作用，该褶皱又被一系列北东向和北西向、近东西向断层切割致使地层呈现出鳞片状和条带状的断块组合，给钻探施工带来了困难。

1.2 钻探质量要求

在普查设计中勘查目标主要是破碎带蚀变岩型金矿，通过钻探施工进行追索及深部验证，查明金矿体的形态、规模、产状、赋存部位及变化规律。矿区目的层分为卡拉稍拉及西瓦力两个矿段，西瓦力矿段灰岩整体破碎，全孔漏水严重；卡拉稍拉矿段多发育硅质岩，灰岩、碎裂岩，部分层段漏水严重，钻孔孔壁不稳定。该矿区卡拉稍拉矿段ZK0001钻孔岩心图片如图2所示。

全孔岩心采取率不小于70%，矿层及其顶底板5m范围内岩矿心采取率不低于80%，取样间隔长度为1～1.5m；斜孔施工中每100m顶角偏斜不应超过3°；测量间距按每钻进20m及终孔各测量一次顶角和方位角，见矿点和厚度大于30m的矿体的出矿点均应测定钻孔弯曲度；每钻进100m，进出矿层时，终孔及其它需要测定部位必须进行孔深校正一次。孔深误差率<1‰；设计钻孔开孔顶角为75°，方位角330°。

图2 ZK0001钻孔岩心图片Figure 2 Core photos from borehole ZK0001

2 钻探施工难点

⑴ 受多期构造运动影响，断层裂隙发育，钻遇岩石破碎，金矿化的蚀变带尤为破碎，岩心采取率偏低，很难满足设计要求，影响了对地层、矿(化)体的分析研究和样品的采集；

⑵ 全孔漏水，设计钻孔均为75°斜孔，孔壁坍塌、掉块严重，导致钻孔卡、埋钻事故频发，钻探施工进度缓慢；

⑶ 钻孔位置在高原陡峭高山上，并且受该国环境保护法律限制，不能大面积的碾压植被，修筑上山施工道路，造成设备和材料运送困难。

3 钻探施工工艺

3.1 主要设备选择

矿区设计钻孔均为750斜孔，钻孔深度均不超过300m，由于该施工区地形陡峭，现场山下存放从国内运来的2台YDX-1800A型履带式全液压岩心钻机不能行进到所有的孔位。为了便于钻探设备搬运，选用钻机要求解体性好、安装拆卸方便，满足金矿钻探施工技术参数要求。依据现场实际情况，选择了HXY-2T型塔机一体化液压岩心钻机，其钻塔、钻机优化配置，实现钻探设备的轻便化、小型化和标准化。选择主要钻探设备见1表所示。

表1 主要钻探设备Table 1 main drilling equipments

3.2 钻孔结构

矿区钻孔多为三级结构，上部松散覆盖层先采用Φ96mm绳索取心钻头钻进后，再使用Φ122mm钻头扩孔，下入Φ114mm套管作为护壁导向管；第二级孔径为Φ96mm，地层较为破碎孔壁不稳定，可采用Φ91mm套管护壁；下部孔段采取Φ77mm钻头钻进至目的层位(图3)。

图3 ZK0001孔钻孔结构Figure 3 Borehole ZK0001 configurations

3.3 钻进方法

根据该矿区岩石破碎的特点，常规绳索钻进岩心采取率仅为30%～40%，达不到岩矿心采样技术要求，并且破碎岩心易堵塞钻头，影响回次进尺长度，钻进效率低。为确保钻探施工质量，加快施工进度，上部覆盖层先采用薄壁、深孔、高效“HQV刀锋”金刚石绳索取心钻进后，使用Φ122mm钻头扩孔，再下入Φ114mm套管，中部破碎岩层孔段继续使用Φ96mmHQV绳索取心钻进至相对稳定地层2～3m。

以矿区ZK0001钻孔为例，中部孔段地层特别破碎，刚开始岩心采取率仅为30%左右，使用常规低固相钻井液维护孔壁，钻孔出现坍塌、掉块现象严重，不能正常钻进，后来采取再下入Φ91mm套管进行护壁，避免了破碎地层的坍塌、漏水，避免了钻孔事故的发生。

下部孔段采用Φ75mm射流式绳索取心钻具+液动锤取心器取心钻进。由于该取心器上部增加了液动锤，不但提高了钻效，减少回次钻进时间，并利用冲击震动力消除破碎岩心堵塞，使岩心更易进入内管。该取心器的内管是采用钨合金镀层管，倒取岩心顺利，内涂层光滑耐磨，减少了岩心卡堵现象，同时也延长了岩心管使用寿命，岩心采取率平均达到75%左右，满足了技术要求。

3.4 钻头选择

由于矿区岩石较为破碎，刚开始使用常规Φ75mm孕镶金刚石钻头钻进效率和岩心采取率均偏低，不能满足金矿对岩心采取率的要求。为了解决该技术难题，现场钻探工程技术人员研制、改进了适岩取心钻头，采用阶梯底喷式PDC钻头取心，从而解决了破碎地层钻进取心难题。改进钻头结构图4所示。

图4 阶梯底喷式PDC钻头Figure 4 Stepped bottom jet PDC bit

改进钻头具有以下特点:

①钻头保护岩心不被钻井液直接冲蚀，岩心采取率明显提高，满足了钻探质量要求。

②钻头的底端阶梯为超前钻进。以前的孕镶金刚石研磨破碎岩石钻进速度较为缓慢，改进为复合片超前切削破碎岩石后，改变了钻头克取岩石的方式，提高钻进速度1～2倍。

③由于复合片钻头比孕镶金刚石钻头硬度大、耐磨损，延长了钻头的使用寿命，采用常规的孕镶金刚石钻头钻进燧石灰岩寿命仅为5～9m,使用改进后的钻头寿命为20～30m,钻头寿命延长了2～3倍；

④通过加大钻头的外径，增大了钻具的环状间隙，减少了泥浆泵压力，防止过高的泵压加剧破碎地层钻井液漏失量，并造成孔壁不稳定；

⑤使用改进钻头不仅提高了钻进效率，还降低了钻探施工成本6%。

3.5 钻进技术参数

根据以往施工经验，不同地层和不同钻进方法的技术参数如表2所示。

3.6 钻井液护壁堵漏

针对该矿区的破碎地层，选用胶结性护壁堵漏材料，可建立钻井液循环，维护孔壁稳定，提高钻进效率和施工安全性，结合施工现场实际情况，优选钻井液材料解决泥浆护壁技术难题。为提高钻井液的黏度、切力和胶结性，降低失水量，选用基础造浆材料――低黏增效粉(LBM-1)；为保护岩矿心，提高采取率，强化松散破碎地层孔壁稳定，选用成膜抑制剂(GCMJ)，保护岩矿心不被钻井液冲蚀，避免机械磨损；为了增加钻井液的润滑性，封堵岩石裂隙，防止钻孔坍塌，使用改性沥青(GLA)有助于降低孔壁对钻具的摩擦阻力；选用随钻堵漏剂(GPC)解决钻进过程中钻井液的漏失问题，充填裂缝，提高地层承压能力；选用增黏剂(CMC-HV)来提高钻井液黏度，并相应地提高钻井液悬浮力；使用降失水剂(GPNA)降低钻井液的失水量，防止钻孔坍塌掉块，增加钻孔稳定性；采用防塌润滑剂(GFT)，保护钻具，防止钻孔坍塌(表3)。

4 施工中出现的问题及应对措施

4.1 岩心采取率的提高

开钻后，使用常规Φ75mm孕镶金刚石钻头绳索钻进取心，出现岩心采取率偏低，达不到钻探质量要求。为了解决这一问题，首先将钻头由金刚石研磨破碎改变为PDC切削破碎岩石的结构形式， 并将卡心使用的卡簧改换成抓簧式卡簧，减少在钻进过程中普通卡簧对岩心的机械磨损，提钻时利用抓簧的全面收拢防止破碎岩心脱落。其次，更换钻具，使用Φ96mm“HQV刀锋”粗径绳索取心钻具，由于其外径一致，利于钻进破碎复杂地层，遇到出现掉块、坍塌造成的卡钻事故，易于处理； 采用薄壁钻头，钻头工作面薄，岩心直径粗，可减少破碎岩心的扰动，岩心抗扰动破碎性强；采用大一级粗径钻具钻进，能够使破碎复杂地层备用一级Φ75mm绳索取心钻进，确保钻孔顺利安全达到终孔目的层位。

表2 不同地层钻进技术参数Table 2 Different strata drilling technical parameters

表3 不同地层钻井液配方及性能指标Table 3 Different strata drilling fluid formulation and performance indices

4.2 钻孔漏失的预防和治理

采用随钻堵漏剂(GPC)解决钻进过程中钻井液漏失问题，快速充填裂缝，避免大量钻井液进入到破碎地层之中。在钻井液中加入优质低黏增效粉(LBM-1)及具有黏接作用的处理剂改性沥青(GLA)。这些钻井液处理剂在钻孔内液柱压力的作用下进入到地层之中，堆积在破碎岩块缝隙间，提高了破碎岩块之间的胶结力，对预防和治理钻孔漏失起到了较好的作用。

4.3 现场材料供应

刚开始施工时，由于钻探设备和材料不能安全、快速运送至钻场，影响了钻探施工计划正常进行。经过实地查看现场地形，结合现场实际情况，利用山上有利地形，在靠近钻场的就近位置与山下设备和材料存放地点分别埋设固定地锚绳索和导向滑轮，利用现场绳索绞车牵引拖拽设备和材料的方式，把钻机解体部件固定在绳索上，开动绳索绞车进行反复牵引至施工钻场位置，解决了现场材料供应难题。

5 施工效果

从2016年8月进入施工现场， 2016年10月5日开钻。由于施工区地势陡峭，危险重重，采取白天施工、夜晚休息的作业方式进行施工。每天施工人员往返一次，减去来回爬山、起下钻等辅助时间，实际钻进时间只有4～5h。至2017年1月16日完成4个钻孔，完成钻孔情况详见表4所示。

表4 完成钻孔情况Table 4 Data sheet of borehole completions

从表3可以看出，全孔岩心采取率平均达到75%以上，金矿层采取率达到85%以上，一次成孔率100%，其中良好钻孔3个。

6 结语

⑴ 在金矿钻探施工过程中，通过加强钻探施工工艺优化和改进，采用有效、合理的技术措施，针对松散破碎地层岩心采取率低、钻孔漏失、钻场供应材料等施工难题，分别从钻探施工工艺不同方面加以分析、解决，提高了岩心采取率和钻探效率，有效降低了钻孔事故率，保障了钻探安全顺利施工。

⑵应用 “HQV刀锋”钻具和Φ75mm射流式绳索取心钻具+液动锤取心器等钻探工艺，拓展了国外金矿钻探施工技术范围，不仅增强了施工队伍走出国门的技术能力和市场竞争力，取得了较好的经济效益，还引起国外专家到现场进行考察学习，受到国外专家的称赞。

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Drilling Operation Technological Practice in Kavay Gold Ore, Kyrgyzstan

Wang Zhenghao

(The First Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Xinzheng, Henan 451150)

The Kavay gold ore prospecting area is regionally belonged to the Alay tectonic formation zone. Faulted structures are well developed in the area; the anticlinorium from the Shivaly to Kara-Shola is the main fold in the area. The fold is cut by a series of NE, NW and near EW faults, made strata present as a scale-like and banded fault block assemblage. Plus the designed boreholes are all 75o inclined on steep hill and drilling fluid loss, thus have caused operation difficulties including equipment entrance, installation and material supplies. To solve the series of problems, firstly using winches and ropes transport drilling material to site on hill, and then strengthen the drilling technology optimization and improvement. Thus developed the stepped bottom jet PDC wire line coring bit and assistant with catch spring, then applied the “HQV blade” drill tools and Φ75mm jet-type wire line coring tool plus hydro-hammer corer etc., in this way have fundamentally solved all the issues. Finally, we have realized average total core recovery above 75%, gold ore bed core recovery above 85%, one spudding in completion rate 100% and obtained better economic effect and social effect.

gold ore drilling; rock fragmentation; drilling fluid loss; bit improvement; wire line coring; Kavay gold ore

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.15

1674-1803(2017)07-0065-05

河南省地质勘查基金项目(豫国土资发[2015]96号)。

王正浩(1965—)，男，汉族，河南新蔡人，钻探工程师，从事钻探技术管理工作。

2017-02-22

责任编辑：樊小舟

文献标识码：A