强烈破碎漏失地层的钻探工艺探讨

巫建彰

（中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队，宁夏银川750021）

1 工程简介

受金石矿业公司委托，中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队于2009年5月对位于内蒙古自治区阿拉善左旗巴彦诺日公苏木东约20km的巴彦希别冶镁白云岩矿进行地质详查。在矿区北部共布设钻孔15个,总进尺约2800m。

2 矿区地质概述

（1）矿区内主要出露地层:矿区内主要出露地层有中元古界长城系渣尔泰山群增隆昌组二段（Chz2）的细晶—微晶—粉晶白云岩、杂色泥质—砂质板岩夹黄褐色—浅灰色中薄层泥质条带灰岩、砂质白云岩。蓟县系渣尔泰山群阿古鲁沟组的浅变质碎屑岩、微晶白云岩、白云质灰岩、浅变质碳酸盐等。

（2）矿区主要地质构造：本区构造单元属华北板块华北陆块北缘西段中元古代陆缘坳陷。中元古界渣尔泰山群多以褶皱变形为主，总体构造线呈北东向。由于后期构造作用，特别是中新生代构造运动的作用，将渣尔泰山群切割为多个块体并互不相连。区域构造控制了部分岩体的分布，控制了岩浆热液矿床的分布，同时也为含金属矿流体提供了运移通道及富集场所。区内构造发育，主要有褶皱、断层和推覆构造。

3 钻探设备、材料和工艺

（1）钻探设备：本矿区内所使用的钻机主要有2类，即传统的立轴式岩芯勘探钻机XY-4型和新型的全液压动力头式地表取芯钻机YDX-3型。

（2）钻头：人造孕镶金刚石钻头，胎体硬度HRC35～40。

（3）泥浆及堵漏材料：钠土粉、植物胶CT、火碱、腐植酸钾（KHA）、803大裂隙堵漏济、锯末、石膏粉等。

（4）工艺：本矿区主要采用金刚石绳索取芯钻探工艺。

4 钻探工程完成情况

4.1 钻探工程概述

本矿区工作量不是很大，但施工条件十分恶劣，钻孔所在位置与大型车辆可达位置地形高差在100～250m间，自平坦地段至钻孔之间的山间道路总长度达5km左右，最长供水管线约为3km。矿区地质构造复杂，岩层裂隙发育，多数孔位地层破碎漏水严重，钻探岩芯采取和护壁十分困难。施工和地层条件的恶劣导致本矿区的钻探工程施工一波三折、进展艰难。

2009年9月有钻机进场，我总队和施工队伍对矿区地层没有足够的心理准备和直观全面的认识，原来预计地层仅是裂隙发育，钻孔漏水，我队也就按照这个思路来进行准备和组织施工队伍。

式（1）中：右侧第一项为在R内的面积分；右侧第二项为沿C的线积分；G（T）为温度场函数；F为温度场各梯度对应的函数。可见，泛函由温度场梯度决定。

但是，经过前期的初步施工，实际地层情况比我们的预期要困难得多，从钻探成果看来，矿区地层极其破碎，应属构造作用所形成的推覆体，部分钻孔采取出的岩芯碎如第四系的中粗砂地层，而且厚度较大。

本矿区的钻探施工因难度极大造成钻探施工队伍进进出出频繁更换，钻探施工时断时续，不能按正常进度进行，原计划2台钻机3个月的工期拖延到8个月才艰难的完成了。

4.2 前期施工难点和施工情况

整个矿区内地层裂隙均十分发育，局部地层强烈破碎。几乎全部钻孔全深度用清水及稀泥浆钻进均不返水，钻孔护壁的难度相对较大，对泥浆的要求比较高，且要根据地层破碎程度不同，打一段后，专门用投粘土球挤压护一下孔壁，否则极易发生孔壁掉块和塌孔，产生挤埋钻事故，使钻进不能正常进行。

原施工队伍对本矿区的地层破碎程度缺乏足够的认识，没有准备打多级钻孔结构的思想和材料准备，没有准备足够的多级套管，造成前期钻探施工工作无法正常连续进行。

在艰难的摸索中，有来自山东的施工2台钻机分别完成了一个钻孔。所完成钻孔均采用三级钻孔结构，在用Ø110mm开孔几米后，即下入Ø108mm孔口护壁套管；换用Ø91mm钻头钻进至几十米深，又下入Ø89mm套管；换Ø75mm钻头钻进至终孔。无套管扩壁孔段过长，钻进中不时出现挤埋钻危险，虽然勉强成了孔，但是其过程着实曲折惊人。ZK5-1钻孔施工了2次，第一次就是因为泥浆没调好，护壁工作没及时做，在50m深度时发生了从挤钻到埋钻的事故，不得不移孔位重新施工。虽然成了2个钻孔，但是钻探队伍还是因为施工难度及成本超出了他们的承受能力而退出了本项目。

4.3 后期钻探施工过程

2009年12月，甘肃某地质队的2台天和众帮生产的YDX-3型全液压动力头钻机和2台来自山东的XY-4型钻机，在充分了解了地层、气候、供水、搬迁等各方面的难度，对本矿区的地层情况和后勤供应做了充分调研和准备后，先后进入了工地。直到2010年5月底，经历了大风、严寒的恶劣气候以及复杂地层钻进的考验，全部完成本矿区北部的钻探工作。

5 钻探工艺

总结本矿区的钻探工作，钻探队伍在对矿区的地层情况有了比较充分的了解及准备后，虽然进度比较缓慢，但没有太大的孔内事故发生，基本钻探思路正确。所采用工艺大致如下。

5.1 钻孔结构

总结本矿区的钻孔，基本钻孔结构大致为:

（1）以Ø110mm钻头开孔，钻穿上部强烈漏水层（约30～50m）后，下入第一层Ø108mm套管；

（2）换Ø91mm钻头继续钻进至130m左右较完整孔段，下入第二层Ø89mm套管；

（3）换Ø75mm钻头继续钻进至终孔。

5.2 钻具

矿区内各钻孔主要使用Ø75mm～Ø110mm绳索取芯金刚石钻具。针对本矿区地层，甘肃冶金局第三地质队的钻机使用了三重管取芯钻具，这种钻具现常用在散质煤层的钻进取芯中，对难取芯的破碎地层是当代比较先进的钻进取芯技术；在本矿区的钻进中应用效果良好，平均岩芯采取率在85%以上。

5.3 钻探方法

总结本矿区的钻探，所有钻孔都漏水，大部分钻孔几乎全孔漏水，在漏水地层的钻进其钻进方法分为堵漏钻进和顶漏钻进2种。

5.3.1 堵漏钻进

各钻机在见有小的漏水裂隙时，多采用常规的调制泥浆的堵漏方法，即调稠泥浆或在泥浆中加入堵漏剂，以其达到堵塞钻孔漏水裂隙的目的。

而见有大的漏水裂隙时，第一种方法一是采用投加有锯末、聚丙烯酰氨、大裂隙堵漏剂的粘土球，用钻具将粘土强制挤入漏水裂隙中，以实现堵漏；第二种方法是用石膏粉搅拌成浆灌入孔内，等待几小时后，石膏浆就会完全凝固，可达到堵漏目的。

5.3.2 顶漏钻进

本矿区的部分钻孔不但漏水严重，且漏水层频繁出现，使得堵漏工作成了费时费力的无底洞，既耽误了时间，又浪费了人力物力，还不见效益，这让钻机人员很恼火。于是，他们开始尝试顶漏钻进，但是矿区的地层特别破碎，孔壁掉块挤钻的可能性很大。经过反复的摸索，他们总结出不能用清水顶漏钻进，原因在于清水不能对岩石碎块产生粘结作用，不能有效防止掉块；只能用泥浆顶漏钻进，配制粘度适当的泥浆，钻进时以小泵量送入孔内，时刻注意泵压表的显示，以防烧钻，让失水后的泥浆在孔壁结成的泥皮“糊”住孔壁，岩石碎块被泥皮粘结后，就能克服孔壁掉块的现象，防止挤钻事故的发生了。

在本矿区顶漏钻进的另外一项行之有效的措施就是在下钻前，在钻杆外壁涂抹一层黄油，以减小钻杆和孔壁的摩擦阻力。这样做可达到3个效果，第一可有效减小孔壁岩石对钻具的磨损，第二降低了钻具回转过程中扫落孔壁碎块的可能性，第三降低了钻机动力损耗，可谓一举三得。

5.4 钻进技术参数

绳索取芯金刚石钻进：钻压9～12kN，转速200～600r/min，泵量40～70L/min。

6 钻探施工效果比较

针对本矿区的地层脆、碎、漏的特点，施工重点北部山上钻孔施工钻机共有2种，即传统的立轴式岩芯勘探钻机XY-4型和新型的全液压动力头式地表取芯钻机YDX-3型。这2种钻机在本矿区表现出的钻探效率差异很大，见表1。

表1 钻探效率比较表

针对2种钻机在本矿区的表现差异如此之大，我项目组会同两方钻机负责人及司钻分析原因主要在于限于钻机本身的特点，所采用的钻探方法造成的。

XY-4型钻机采用堵漏和顶漏钻进相结合的方式，钻进轻微漏失的地层时，调稠泥浆顶漏钻进；钻进至严重漏失地层时，尽可能顶漏钻进通过强烈漏失段，在钻孔上部则下入套管或加深套管，在钻孔下部则用泥球进行全孔堵漏至套管下部，这样基本保证了钻孔上部不会漏水，也防止了钻孔侧壁的掉块。这样边钻边堵，辅助时间相对降低，钻探效率有了明显提高。

YDX-3型钻机则主要采用了堵漏钻进的方式；本矿区的地层漏水层经常连续出现，堵漏无异是一件费时费力的事情，必然造成大量的时间消耗，辅助时间增大，钻探效率低下。

7 钻探设备及方法适宜性分析

钻探工作的目的只有在避免或排除孔内事故的前提下才能得以实现，而在破碎漏失地层钻进，稍不留心及易发生卡埋钻事故。卡埋钻事故发生时，往往是由轻致重，因此及时处理显得尤为重要。XY-4型钻机的动力传递为机械传动，发生轻微卡钻事故时，可采用猛分猛合离合器的方法，使钻具瞬间产生比较大的回转冲力，摆脱少量岩石碎块对钻具的挤压，避免事故扩大。而YDX-3型钻机的动力传递为液压传动，回转动力不能在瞬间产生比较大的回转冲力，而且猛分猛合离合器及易损坏钻机的液压驱动马达；因此极易因轻微卡钻事故而导致严重的机械事故和卡钻事故，进而造成严重的后果。

通过本矿区的钻探效果比较可见，在碎漏地层钻进中，传统的立轴式岩芯勘探钻机和新型的全液压动力头式地表取芯钻机相比具有比较明显的优势，钻进效率高，事故应变能力强，是更为适宜的机型。

8 结语

本矿区的地层是比较典型的强烈破碎地层，在本项目的钻探施工过程中，使用了2种机型和各种钻探工艺和方法。从钻探效率来讲，对在强烈破碎漏失地层进行的钻探施工，立轴式钻机是比全液压钻机更适宜的机型。另外，在钻探过程中应该及时采用合理的护壁方法保证孔壁不发生坍塌掉块是整个钻探施工能否顺利推进的关键因素。因此，在强烈破碎漏失地层的钻探选用适宜的钻机和合理的钻进工艺方法是十分重要的。