陕西凤县白杨沟矿区复杂地层深孔钻探技术研究

朱金军

（西北有色地质勘查局七一七总队，陕西宝鸡721004）

1 矿区概述

白杨沟铅锌矿深部普查项目，主要验证208线在深部矿体倾向延伸的连续性，确定矿体产状并查明品位特征，为下一步继续扩大控制该矿体提供依据。钻遇地层自上而下为：铁白云质粉砂质千枚岩、含炭石英砂岩、铁白云质砂岩破碎带、含炭钙质千枚岩、结晶灰岩，局部孔段岩层松散破碎，水敏性强，千枚岩层理比较发育。

2009年至今设计较深孔4个，深孔3个，每个钻孔破碎带有多层，破碎带最厚的一个钻孔达到160m。

2 地层以及钻探难点

钻探所遇地层及地质构造条件比较复杂，局部孔段特别岩层破碎和松软，钻探施工中的难点如下：

(1)施工中遇见的破碎带厚，位置深，如ZK20805孔破碎层达到160m，位置为680～840m之间，岩层水敏性强，孔内坍、掉、漏、超径严重，局部孔段还有不同程度的缩径；易造成钻折卡埋钻等事故，钻进阻力大，取芯困难。

(2)每个钻孔中部都有不同程度的涌水、漏水等情况，泥浆消耗严重；涌水孔段，泥浆性能无法保持，通过泥浆护壁较困难。

（3）涌水孔段、使用的泥浆比重大、造成内管难以投放到位。

（4）取芯困难等。

3 使用的钻探设备

钻机：HXY-44T；水泵：BW250两台（一台水站，一台机场用）；PQ深孔钻杆200m；HQ深孔钻杆400m；S75深孔钻杆1300m；SA56深孔钻杆1500m；∅114mm套管200m；∅89mm套管400m。

4 钻孔结构以及钻进方法

除开孔外,全孔采用金刚石绳索取芯钻进,开孔多为第四系考虑到孔的深度，钻孔结构采用∅150mm×∅122mm×∅91mm×∅75mm×∅56mm多径成井工艺，逐级换径，钻进至基岩后，下入∅146mm孔口管，换用PQ绳索取芯钻具钻进至150m入∅114mm套管，再换HQ（∅95mm）金刚石绳索取芯钻具钻进350m下入∅89mm套管，换用∅75mm绳索取芯钻具钻进至1128.27m后由于要求继续延伸，由于该孔在680～840m段地层破碎严重，孔内阻力太大，采用低速钻进中已多次发生因夹钻憋灭柴油机事故，其中一次夹钻憋灭柴油机后孔内钻杆反转引燃柴油机反转，继续施工受到严重制约。为了避免破碎段发生夹钻或断钻事故可能导致延伸钻进无法实施，经过综合考虑和研究决定使用∅75mm钻杆隔离保护破碎孔段，改用SA56小口径继续钻进施工。

由于该矿区的钻孔较深，且地层复杂，要求钻具的同心度要好，钻具的级配和钻进参数要合理。我们采用的钻具级配和钻进参数见表1和表2。

表1 钻具参数级配一览表

表2 钻进参数

5 钻具级配及钻头选择

5.1 钻具级配

PQ、HQ、YS75、SA56金刚石绳索取芯钻具扩孔器的外径比钻头外径大0.3～0.5mm，在软岩层中不大于0.5mm，在硬岩层中不大于0.3mm；卡簧的自由内径应比钻头的内径小0.2～0.3mm或用上回次的岩芯选配卡簧，即卡簧能抱紧岩芯又能在岩芯上推动为合适。绳索取芯钻具的上间隙为2～3mm，下间隙为3～5mm，在软岩层或破碎层中，下间隙应适当增大。卡簧座与内管一定要拧紧，防止倒扣造成打捞岩芯失败。

5.2 金刚石钻头选择

根据岩层的完整程度、岩石的可钻性正确选用金刚石钻头，选用绳索取芯金刚石钻头参数为：粒度为46～60目，金刚石品级为SMD优。在中硬或松软岩层中钻进选胎体硬度30～35HRC；在坚硬岩层中钻进，选胎体硬度25～28HRC；完整或较完整地层钻头唇面选用平底或圆弧。旧金刚石钻头、扩孔器进行了排队使用，在400～1100m之间可以采用深孔高胎体钻头，在1100m之后由于胎体较脆，不适宜用深孔钻头，采用深孔钻头容易造成钻头胎体脱落。

6 钻探取芯技术措施

该矿区由于破碎带较多，有些破碎带较厚，最厚的达160m，还有一部分孔段岩层松软水敏性强，遇水松散，为确保岩矿芯采取率，我们在施工过程中，全孔釆用大比重固相泥浆护孔，选用小泵量，调小下间隙以减小冲洗液对岩矿芯的冲蚀；保证钻具的同心度、单动性能良好，减少了钻具对岩矿芯的磨损；每次投内管前，对内管总称各部位的丝扣连接、单动性进行了认真细致的检查和调试，避免了打捞岩芯失败和岩矿芯的磨损，保证岩芯采取率；在施工过程中根据施工情况，及时调整钻进参数，控制回次进尺长度(进尺长度不超过1.00m)；在矿层、矿层顶底板和重要标志层中，岩矿芯没有采取上来时，须专程捞取；回次进尺不大于0.5m；每次投放内管后，都用打捞器进行跟踪，确保内管到位；这些措施在施工中。取得了较好的效果，完工的钻孔，岩矿芯采取率都达到了设计要求。

发现泵压升高或不进尺，立即提钻检查，查明原因，排除故障。不盲目加压或提高转速继续钻进；打捞上来的岩芯仔细检查，发现岩芯脱落，及时提大钻处理了，防止了下一回次内管不到位，造成岩芯磨损；岩矿芯依次整理摆放，长度超过50mm都进行了编号，岩芯号、岩芯隔板完整准确。

7 护壁堵漏措施

由于在复杂地层中的深孔钻探(特别是斜孔)施工，必须解决好护壁和润滑的问题，才能确保孔内安全和钻进效率；白杨沟矿区孔段破碎带多，破碎带较厚，有些破碎带地层岩性为粉砂质千枚岩，遇水极易垮孔、缩径。护孔办法上部350m前采用套管护孔，中下部采用固相泥浆护孔，泥浆材料主要采用植物胶、纤维素、腐植酸钾、聚丙烯酰胺和膨润土。

泥浆配方如下：

0.25m3泥浆+（30～33kg）膨润土+（1～1.3kg）腐植酸钾+（1.5～1.6kg）纤维素（低粘）+（0.14～0.3kg）烧碱+（0.06～0.08kg）聚丙烯酰胺（2200万分子量）+（2～3kg）特效润滑剂。

泥浆性能：比重1.15g/cm3，粘度（苏式漏斗）38s，失水量3.25L/min，pH为8。

在钻进至松软岩层孔段出现自造浆，泥浆比重增大，这时候泥浆比重达1.26g/cm3，粘度（苏式漏斗）54s。为了改善这种情况，在钻进过程中，补充新泥浆的时候，泥浆配方调整为：

0.25m3泥浆+（22～25kg）膨润土+（0.9～1.2kg）腐植酸钾+（1.2～1.5kg）纤维素（800万分子量）+（0.14～0.3kg）烧碱+（0.05～0.07kg）聚丙烯酰胺（2200万分子量）+（2～3kg）特效润滑剂。

此时泥浆性能：比重1.06g/cm3，粘度（苏式漏斗）34s，失水量3.25L/min,pH为8。

在涌水孔段的位置较深，在1128m后长涌水，涌水量为3.8L/min。涌水地段主要采用无固相泥浆，泥浆配方为：0.25m3水+（1.5～1.6kg）纤维素（低粘）+（2～3kg）特效润滑剂+（0.05～0.07kg）聚丙烯酰胺（2200万分子量）。

在钻进过程中，加强泥浆的管理随时观测泥浆的变化,及时测量泥浆的性能参数，根据地层的变化情况,调整泥浆的配比，保证泥浆的性能,勤清除泥浆中的岩粉,防止泥浆恶性循环,在深孔施工时,可以配制一台旋流除砂器投入使用,较为经济、环保，还可以保证了泥浆的性能。

在复杂地层的深孔施工中,为了保证孔壁的相对稳定,除了保证泥浆的性能外,我们还使用了高胎体金刚石钻头,减少换钻头的提钻次数,在提钻和打捞岩芯时,操作不但要稳,而且还降低提升速度，避免“活塞效应”对孔壁造成破坏，保证了孔壁的相对稳定和施工的正常进行。

复杂地层的钻孔施工，套管护壁是最为有效的护孔方法，为了降低生产成本，除密封好孔口，防止岩粉进入，提高套管的回收利用率外，孔口管和第二级套管可使用普通钢管，在ZK20805孔，PQ钻进后，我们使用了∅114mm×4.5mm的普通钢管做套管，用∅114mm×8mm的钢管料加工中接箍，这样在∅114mm套管内形成“糖葫芦”状，减少了HQ钻杆柱与∅114mm套管壁的接触面积，从而减少了PQ钻杆柱和∅114mm套管的磨损，降低了钻进时的阻力，也降低了生产成本。

8 结束语

（1）针对白杨沟矿区的钻遇地层特点，采取了金刚石绳索取芯钻进方法，效果明显，台效较高。

（2）根据不同深度的钻孔，分别采用了不同的护壁堵漏技术措施，上部地层以套管护壁为主，下部主要以泥浆护壁为主。

（3）在下部遇到涌水、漏失地层时，及时合理调整泥浆配方，平衡地层压力，并加强对泥浆的管理，才能使施工顺利进行。

（4）复杂地层的金刚石绳索取芯钻进，冲洗液使用固相泥浆，钻进转速在800r/min以下，在钻杆内壁不会形成泥皮。

[1]柯玉军.严重漏失破碎地层钻孔综合施工方法及效果[J].探矿工程，2009(10).

[2]刘宏丽.套管钻井新技术[J].西部探矿工程，2002（5）.

[3]乔彦斌.新疆乌拉根矿区复杂地层绳索取心钻进技术[J].探矿工程，2011(11).

[4]王华.卵砾石地层钻探技术应用[J].铁道勘测与设计，2013(1).

[5]李明霄.卵砾石不稳定地层的钻探技术实践[J].探矿工程，2001(6)．

[6]王勇，孙平贺，赵仁明，乌效鸣.大宝山钼矿复杂地层钻探技术[J].探矿工程，2012(11).

[7]乌效鸣,胡郁乐,贺冰新.钻井泥浆与岩土工程浆液[M].武汉:中国地质大学出版社，2002：66-78.

[8]曾祥熹,陈志超.钻孔护壁堵漏原理[M].北京:地质出版社,1986：75-81．