瑶沟金矿区复杂地层岩心钻探技术分析

0 引言

矿区位于嵩县县城西南直线距离15km，行政区划属德亭与大章两乡管辖，交通便利。区内山坡较陡，山顶平缓，植被发育，基岩露头少，多见于山坡沟谷中。矿区位于熊耳山台穹东南侧，熊耳山台穹是华北地台南缘太古宇基底三大隆起之一，西侧与小秦岭和崤山基底隆起区成岛链状列布，东侧与嵩箕地块相毗邻，南侧紧邻北秦岭加里东褶皱系。

区内地层总体上呈北东向展布，出露地层从上至下主要为新生界第四系、新近系、古近系，中元古界熊耳群安山岩，区内断裂较为发育。第四系（Q）为坡积物、残积物、河流冲积物，砂、砾石、粘土组成，厚度一般小于10m；新近系（N）在矿区北西部零星出露，岩性为白色，灰黄色厚层砂砾岩，夹薄层泥质粉砂岩；古近系（E）主要见于矿区的东南部，瑶沟、大凹一带，及金鸡山北部，岩性为一套断陷盆地形成的河湖相沉积物，岩性主要为紫红色中厚层砂岩、砂砾岩，厚度大于600m。中元古界熊耳群安山岩主要为火山角砾岩、安山岩、英安岩和凝灰岩。岩石可钻性等级VII～Ⅹ，具有较强研磨性；地层上部卵石、角砾岩、强风化地层，易破碎缩径。下部较为完整，局部破碎。

瑶沟金矿区地质情况复杂，钻进施工困难，成孔率低，易发生事故，为更好地提高矿区钻探施工质量，加快钻探施工速度，降低施工成本，提高钻探施工的安全性，特对矿区复杂地层绳索取芯钻进技术的进行研究，以便彻底解决本矿区复杂地层坍塌、掉块、缩径、漏失严重等问题，并为以后类似地层的钻探施工工作提供可靠地技术支持。

1 钻孔设计及技术难点

1.1 钻孔设计及质量要求

ZK35063钻孔设计孔深700m，倾角80°，终孔口径≥75mm。岩芯分层采取率≥70%。矿层及矿层顶底板5m内的岩石采取率≥80%，连续5m低于80%时，应查明原因，采取补救措施。每50m和见矿位置及终孔进行弯曲度测量，准确记录其方位角和天顶角，斜孔≤3°/100m。

1.2 钻探施工技术难点

①上部地层为第四系坡积物，含砂砾石、卵砾石，层厚约11.8m，结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。钻进时易发生塌孔，冲洗液漏失严重，易发生卡、埋钻等孔内事故，岩芯采取率低。卵砾石地层采取率如图1。

图1 卵砾石

②下部复杂层段有强蚀变的英安岩，绿泥石化，水敏性强的安山岩，易水化、缩径、造浆、易垮塌、难成孔，影响施工，严重时导致弃孔、挪位。此外，该地区构造发育，漏涌水也时有发生，漏失严重者达到1m/h，给施工带来极大困难。如图2所示。

图2 下部绿泥石化严重的残积英安岩

③由于受地质构造运动，钻孔井壁不稳定和钻井液漏失、涌水，造成钻进困难，引起井眼垮塌、卡埋钻具、严重漏、涌等各种事故，被迫停钻处理，由此带来了钻孔质量差、钻进效率低、钻进成本高的不良后果，有时甚至使事故恶化导致钻孔报废。

2 钻探工艺及技术处理措施

2.1 钻探设备

选用HXY-44T型塔机一体钻机，该类型钻机可360°方向施工，机械传动液压给进式，拆卸方便，维护保养简单，机械效率高，功率消耗少。立轴最大扭矩3200N·m，立轴行程600mm，立轴最大起拔力120kN，立轴最大给进力90kN，卷扬机最大提升力45kN，柴油机功率50kW，转速81～958r/min，完全满足施工钻孔。

BW-250型水泵：缸套直径65mm、80mm两种，泵量35～250L/min，泵压2.5～7.0MPa，性能良好，工作稳定，且易分解。

2.2 钻孔结构及钻具级配

由于上部地层含有坡积物、卵砾石层，孔口极不稳定，易坍塌，所以钻孔结构采用Φ133-Φ113-Φ94-Φ77，钻具级配为Φ50-Φ127-Φ133、Φ50-Φ108-Φ113、Φ89-Φ89-Φ94、Φ71-Φ73-Φ77，Φ108为备用口径。

2.3 钻探工艺及技术处理措施

上部地层为第四系坡积物、残积物、河流冲积物，易发生坍塌、漏失，含有约11.8m厚的卵砾石地层，结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状。在钻进过程中易发生塌孔、冲洗液严重漏失、卡埋钻等孔内事故，而且岩心采取率低。

根据开孔地层特征，决定采用单管复合片钻头钻进，低转速、低钻压、控制回次方法钻进，以保证岩心采取率钻进参数为如表1。

表1 单管复合片钻头钻进参数

泥浆体系采用清水+4%优质纳基膨润土粉稠泥浆护壁钻进，控制合理的起下钻速度，操作升降机要平稳，尽量减小抽吸效应，以免孔内卵砾石颗粒多，造成卡埋钻事故。

钻进8.68m时，由于砂卵石地层，结构松散，漏失、掉块严重，易造成卡钻，进尺缓慢，取芯困难，随决定用水泥固孔。

水泥凝固16~20小时后即可进行透孔施工。透孔前先下入钻具至水泥面以上3~5m处，开泵冲孔清理孔底未凝水泥残渣，使用绳索取心钻具采取轻钻压、慢回转速度以及大泵量参数进行透孔，保证钻孔垂直度，防止出现孔斜现象。

钻进到15.82m时，进入基岩，地层稳定，重新用水泥固孔，透孔后下入Φ127套管16.50m，套管孔口固定牢固；并在孔壁接触部位涂黄甘油，以便于起拔。

换用S95绳索取心钻具继续钻进，岩层主要为英安岩和安山岩及少量凝灰岩，坚硬破碎，可钻性等级为VII～IX，钻头主要采用孕镶金刚石钻头HRC20～25，在坚硬破碎地带，应当使用HRC35左右钻头。在钻进过程中，采用低转速、适当加大钻压、聚乙烯醇无固相冲洗液施工，冲洗液配比为：将聚乙烯醇缓慢添加进热水内，边加边搅拌，直至絮状物完全消失，补充冷水稀释至浓度约5%左右；将配制好的浓度约1.5%的硼砂与FeCl的混合液加入配制好的聚乙烯醇溶液内，搅拌状态下补充配浆水稀释至二者的浓度分别为1.2%与0.15%左右，即可得到所需的无固相聚乙烯醇泥浆。配置好的冲洗液性能为：漏斗粘度30s，中压失水量18ml/min，pH值7.5。适当控制回次进尺，提高岩心采取率，钻进参数如表2。

表2 S95绳索取心金刚石钻进参数

在323.38m时，遇到复杂层段的强蚀变的英安岩，严重绿泥石化以及水敏性强的安山岩，岩石强度及硬度均较低，遇水崩散，易水化、缩径、造浆；容易造成垮塌事故，难以成孔，严重时导致弃孔、挪位。

在使用聚乙烯醇无固相泥浆钻进时，已经不能起到很好的护壁作用，钻孔时有缩径现象，导致上下钻困难，钻杆内壁结垢严重，清除困难，取芯困难，钻进效率低下。为提高泥浆的抑制性，严格控制失水量，防止钻孔坍塌报废，及时改进冲洗液性能，重新配置聚合物低固相冲洗液，以起到更好的护壁作用。冲洗液配方为：4%膨润土+0.05%NaOH+0.1%KPAM+0.3%KPAN+0.5%NH4HPAN+1%FT，其性能参数如表3。

表3 聚合物泥浆基本性能参数表

该冲洗液在本矿区复杂地层中应用效果良好，该冲洗液具有很强的抑制性，可以提高钻孔孔壁的稳定性，缓解渗漏现象，减小孔内事故发生的概率，提高钻进效率，钻探进尺速度约为8~15m/天。

在钻进到350.82m时，岩石基本完整，换用S75钻具钻进。由于上部有缩径、塌孔孔段，继续使用聚合物低固相冲洗液，及时保证维护冲洗液性能，防止再次出现缩径、塌孔现象，影响钻进施工。岩层主要为英安岩和安山岩及少量凝灰岩，完整少量破碎，可钻性等级为VII～XI，钻头主要采用孕镶金刚石钻头HRC15～20，钻进到702.83m终孔。钻进参数如表4。

表4 S75绳索取心金刚石钻进参数

3 钻孔防漏、堵漏及止涌措施

3.1 钻孔漏失水及涌水原因

由于受地质构造运动，外界环境的物理化学作用以及水文地质条件的影响，矿区相当多的钻孔是处于钻孔孔壁不稳定和冲洗液漏失、涌水的复杂地层条件下的。若不采取防漏、堵漏、止涌措施，必然造成钻进困难，引起垮塌、卡埋、挤钻、断钻杆、严重漏失水等各种事故，影响施工进度，造成钻孔质量差、钻进效率低、钻进成本高的不良后果，甚至事故恶化导致钻孔报废。因此，在复杂地层中钻进，最为重要的技术措施就是稳定孔壁，防止发生冲洗液漏失及涌水事故。

3.2 钻孔防漏、堵漏措施

在上部坡积物、卵砾石地层，由于砂砾石冲洗液漏失严重，且孔壁极不稳定，掉块、坍塌，用稠泥浆护壁，漏失坍塌严重，及时采取水泥封孔措施。钻进穿过砂砾石层后，采用套管护壁，既维护了孔壁稳定，又有效堵漏。在局部破碎、漏失地层，采用不同形状、不同尺寸的锯末、花生壳与803型复合堵漏剂结合的随钻堵漏材料进行随钻堵漏。对于漏失水严重且钻孔较深情况下，用水泥封孔堵漏往往效果不好，通常采用脲醛树脂水泥球种堵漏，脲醛树脂水泥球具有强的抗水稀释性能，与岩石粘结力强，且可堵期可调、早期强度高，特别是在地下水活动剧烈、漏失量较大的地层，只要选准漏失层位，一次就能将漏失层堵住，且成功率高，实践证明效果良好。

3.3 钻孔止涌措施

钻孔涌水是孔内压力不平衡的表现，冲洗液压力小于地层水压时，孔隙水就会流入孔内，稀释冲洗液，降低其粘性及钻屑携带能力，且性能变差，给钻进施工带来系列隐患，甚至引起孔壁失稳、掉块、坍塌等事故的发生，严重影响钻进效率和钻进安全。

本钻孔在134～139m出现涌水，涌水量约为50m/d，采用1m水＋200kg重晶石粉＋500kg膨润土＋5kgCMC＋3纯碱＋6kg腐植酸钾冲洗液处理后，涌水量大为降低，后根据实际情况重晶石加量降低为30kg～40kg/m，钻进一段时间后，基本解决了涌水问题。

4 主要钻探事故及处理措施

4.1 卵砾石层钻进事故及处理

由于钻孔上部为坡积物、砂卵砾石，胶结力差，外力扰动易造成孔壁失稳。开孔即漏失严重，甚至坍塌、掉块。根据现场水源充足实际情况，顶漏钻进，孔壁失稳或掉块孔段，用优质膨润土配置的冲洗液钻进，保证孔壁稳定继续钻进。在钻进到8.68m时，由于在砂卵石地层施工，钻具晃动加剧，引起钻孔掉块、坍塌，再钻进易造成埋钻事故，决定用32.5＃普通硅酸盐水泥封孔，水灰比0.55。水泥充分凝固后，换用复合片钻头透孔，低压慢转，以保证钻孔垂直度，防止由于钻速过快导致钻孔弯曲度过大而偏离原钻孔轨迹，至稳定地层后下入套管护壁。

4.2 水敏性地层缩径事故及处理

在钻进到300多米时，岩粉明显增多，钻杆内部逐渐出现结垢现象，上下钻遇阻越来越严重，已经严重影响施工进度，为避免出现断钻杆、埋钻等严重事故，在钻进到323.38m时决定立即更换冲洗液，采用聚合物低固相冲洗液，增加冲洗液粘度，减少地层失水性。这种冲洗液的特点就是：提高抑制性；很好的降低了失水量；适度提高粘度，提高胶结能力。在冲洗液充分循环后，缩径现象得到很好的抑制，岩粉逐渐减少，钻杆内部不再结垢，上下钻逐渐顺畅，直至顺利终孔。

5 结语

①钻进复杂地层，应选择合理的钻孔结构，最好预留一级口径，以防止由于发生事故而无法采取扩孔等处理措施而报废钻孔。

②低固相聚合物冲洗液具有很强的抑制性，能有效维护孔壁稳定，减小事故发生，但使用过程中应随时观测泥浆参数的变化，并根据实际地层调整参数，以保证其性能稳定。

③在使用加重冲洗液前必须加入CMC对其提粘，增加粘切力，使其具有较强的结构力，能长时间悬浮加重材料，避免加重材料沉淀而诱发孔内事故。