某多金属矿区复杂地层钻探施工技术

李可明

摘要：介绍了某复杂地层钻探施工地层岩石概况，加强技术管理，提高责任心，采取综合治理护壁堵漏措施，保持井壁稳定，在安全钻进基础下，采取取心措施，确保难采地层的取心质量。

关键词：复杂地层；钻探；护壁堵漏；孔壁稳定；安全钻进；难采地层；取心技术

施工区位于川陕交界的大滩乡，其地质构造复杂，地表风化层较厚，且软硬交替频繁，岩石坚硬、破碎、酥散，钻进中经常发生垮塌、掉块、超径、缩径、漏失等，不仅成孔困难，孔壁难以维持稳定，而且岩矿心采取质量也难以保证。该矿区前期由某兄弟单位施工，进度缓慢，报废多个钻孔，且施工质量极低，多数回次靠捞取岩粉（钻屑）代替岩心，采取率仅30%左右。后由我单位接续施工，通过摸索、总结，采取综合治理的护壁堵漏措施，确保孔壁稳定；在实现安全钻进的基础上，针对施工中钻遇到的不同岩层分别采用不同的质量取心工具和技术措施来确保质量，经过艰辛的努力，顺利完成了该区的施工任务。

一、地层岩石简况

该矿属火山岩型矿床，有多条断裂构造带交错贯穿矿区，构成了矿区岩石的坚硬、破碎、酥散和易脆，使得钻探施工的孔壁稳定性差，垮塌频繁，漏失严重，超径、缩径，既难以钻进，又难以取心。

矿区钻遇的岩石类型有：英安碎屑熔岩、变质凝灰岩、石英角斑岩、斜长花岗岩、石英钠长斑岩、花岗岩、硅化凝灰岩，在变质凝灰岩中夹有一定的粘土岩；矿体为黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等侵染状多金属矿，并夹有泥灰岩。

变质凝灰岩、石英角斑岩、斜长花岗岩、石英钠长斑岩、花岗岩、硅化凝灰岩等属于硬、碎、脆类岩石，这类岩石的主要特点是硬，又受地质构造作用的影响，节理、层理及裂隙发育，岩石的硬度、强度相差悬殊，具有破碎性和易脆性。在钻进时因钻具回转产生的机械震动及横向力很容易使岩屑破碎、磨耗，加之冲洗液的冲刷，更加剧了岩心的破碎，取心困难。

英安碎屑熔岩、变质凝灰岩及侵染状矿体等属于侵染状酥、碎、脆岩石，主要特点是岩石本身不够坚硬，结构松散，岩石颗粒之间的联接力与胶结强度极差，受到外界机械震动后很快由分解成颗粒状、粉状，易被冲失。同时在这类地层中钻进进尺快，易于堵心，造成岩矿心自磨、松散，易混入冲洗液中造浆，这类地层钻进采取率低。

二、施工技术措施

（一）钻孔结构及质量措施

1、确定合理的钻孔结构

在该矿区施工中，采取适当扩大开孔口径，并留有备用口径的措施，以利于因孔内复杂发生事故便于采取有后续措施。开孔用Φ130mm和Φ110mm钻穿覆盖层（风化层），下入Φ127和Φ108套管，之后下入Φ89mm套管，作为技术套管，改用Φ75mm口径施工，留Φ60mm作为备用口径。在复杂地层采用多级口径成孔，以便使用技术套管护壁和利于在小径难以采心的岩层中取心，提高采取率。

2、根据采心的难易程度，选择相应的取心工具和工艺技术

在施工中，严格执行操作规程。在取心极为破碎地层钻进时，必须限制转速和冲洗液量，降低压力，控制回次进尺及回次钻进时间，少钻勤提。

对于完整或比较完整的岩层采用双管单动钻具；对于十分破碎、酥散岩层则使用半合管采心。若不能保证取心质量，坚持使用半合管，配合使用底喷钻头，确保取心质量。不论何种钻具都应确保单动性能良好。必要时采用无泵钻具或干钻取心或补采。

（二）综合治理措施

针对矿区地层复杂多变，钻进中垮塌频繁、漏失严重等，导致护壁堵漏技术方法灵活多变，采取以优质泥浆预防为主，辅以套管、水泥、速效浆液及惰性材料和化学浆液、高吸水树脂等一系列的综合治理措施，确保正常钻进和取心工作的顺利进行。

1、泥浆护壁堵漏

这是最基本最常用的一种护壁堵漏方法。通过调研总结分析，在室内试验的基础上，我们使用了聚丙烯酰胺低固相泥浆，主要是利用泥浆在部分水解的PHP高分子链渗入破碎带，形成富集层，其吸附基（酰胺基）的吸附作用有助于破碎岩石结构的稳定，而且这些长链吸附细小颗粒在裂隙中架桥，增大漏失阻力，起到防渗防微漏的作用。同时，高分子链对孔壁四周交叉吸附，形成保护孔壁的薄膜。根据情况，加入少量的植物胶和防塌剂以及随钻堵漏剂。为解决金刚石钻进中钻具钻头的润滑问题，在泥浆中加入0.5——1%的皂化油或松香酸钠进行润滑减阻。

其配方和性能如下：粘土粉（240目）4%；Na2CO3 6—8%（与粘土重量比）；PHP（浓度1%）2—4%；Na—CMC0.3%。泥浆性能：比重1.03，漏斗粘度19—21s，PH值9—10，失水量9—14ml/30min，泥皮厚<0.5mm，膠体率98%。

使用泥浆钻进，关键在于管理。如果配制不当、管理不善，性能达不到要求，极易造成孔内事故。如，zk1083在孔深132m，因对泥浆管理不善，未能维护泥浆性能，造成严重垮塌埋钻事故，处理台时达120 h。因此，在措施上要求循环槽应符合标准，一般长度不少于15m，有一定坡度，一定间距设置隔板，挖两个沉淀坑，设一储浆池；在管理上要求从严，严格按拟定的加量标准配置泥浆，及时检查、调整泥浆性能，同时也应根据地层变化及时调整固相含量和各种处理剂的加量。

2、水泥护壁堵漏

浅部地层一般使用套管护壁，但深部或受井径限制的孔段，必须人工造壁，较为简单有效的措施是水泥护壁堵漏。主要是利用水泥浆液流入地层裂隙、裂缝等漏失通道，凝结固化，堵塞裂隙、裂缝，将松散、破碎的岩石固结在一起，达到稳定孔壁的目的。在施工中对大断裂或断层引起的漏失、垮塌、超径均采用普通硅酸盐水泥，并添加速凝早强剂、减水剂配制水泥浆护孔堵漏。多次护孔堵漏，均取得较好效果。如zk1803在孔深115—132m遇大断裂，垮塌、超径、漏失严重，不返水。采用水泥浆液护壁，透孔即返水，直至终孔该孔段未再次出现垮塌、掉块现象。其配方：425*水泥，水灰比0.5，CaCl23%，三乙醇胺0.1%（均为与水泥的重量比）。

灌注方法一般采用泵入法：将钻杆柱下到欲灌注孔段的下部离底30—50cm，先泵入清水检查钻杆内部确实畅通良好时，即可泵入配好的水泥浆。在灌注水泥期间不要停泵，灌注完毕立即替浆，待替浆后慢慢提钻。这种方法应坚持堵漏要冲孔，护壁要扫孔到底。操作上比较简单，若掌握不好，水泥浆极易被孔内泥浆或清水稀释，以致不能凝固，达不到预期效果。

3、速效浆液堵漏

在钻进裂隙性漏失，不返水或返水量少时，采用PAM—水泥—泥浆速效浆液堵漏，成功率较高。主要是利用PAM—水泥与泥浆在孔内漏失部位混合PAM与泥浆粘土颗粒相遇后，在进入裂隙通道的过程中很快形成具有一定强度和弹性的絮凝物，封堵漏失通道。其特点是当班灌注开钻，堵漏速度快，节约时间。如zk1802孔，在井深56——80m这段裂隙性贯通漏失严重，灌注此浆后送浆立即返水。

其浆液配制：甲液—水泥浆。普通硅酸盐水泥，水灰比0.7，PA，0.4%；乙液—泥漿。比重1.3，纯碱加量为粘土的0.3%。甲液与乙液的体积比为1：1。

灌注方法：先从孔口向孔内倒入一部分乙液，用泵灌注甲液，同时将剩下的乙液用桶从孔口倒入与甲液拌合。灌注完毕，停半小时左右，即可送浆钻进。

4、脲醛树脂甲浆液堵漏

对于大的贯通性地层的漏失，为了达到快速堵漏、提高纯钻时间，采用其他堵漏方法难以见效时，才采用这一方法进行堵漏。其机理是脲醛浆液与硫酸在流入漏失通道在相遇，很快凝结固化，封堵漏失通道。应用此法在zk1082、zk1060等钻孔，多次堵漏，效果良好。

材料：尿素，脲醛，硫酸。

配方：脲醛：尿素=8：1（重量比）；脲醛（尿素+脲醛）：硫酸=100：11（重量比）。硫酸浓度在60%为宜，调节硫酸加量来控制凝固时间。

灌注方法：使用专用灌注器，先将灌注器外管涂上机油后，将配置好的硫酸装入钻具外管内，然后倒入适量的机油，流出为止，用黄油将灌液眼堵死，接上钻杆，将脲醛灌入钻杆内，投入活塞杆后送到堵漏位置，开65——110L/min的泵量，将塞子压出，泵压达到1.5MPa时脲醛与硫酸开始混合进入裂隙。当第二次钻杆内活塞到达灌注器并开始蹩泵时，表明已灌完。立即将钻具提离液面一定高度，停止几分钟，即可开钻透孔。

5、多级套管隔离

第四纪覆盖层厚，风化破碎、垮塌、漏失大的地层，开孔用泥浆冲孔配合泥球钻进，下127 mm和108mm两层套管穿过浮土层，换径钻进到完整地层下入89mm套管，换75mm口径钻进。在深部钻进若遇破碎带、大断层，地下水或有贯通性漏失，正常钻进困难，而其他护壁方法无效且条件允许时，可起拔89mm套管扩孔跟进套管进行隔离。若起拔89mm套管困难时，可下73mm套管或暗管隔离，换备用口径60mm钻进。

多年来，在多个矿区施工，采用多级套管护壁，都取得了预期效果，套管护壁不失一种可靠的技术手段。在使用中体会到：下套管护壁堵漏时，必须先向孔内投粘土球，密封套管底部，防止套管底部漏水；对没有下在完整地层上的套管，井口应用夹板固定，并密封扎紧孔口；应注意套管丝扣质量，并用松香涂抹丝扣上紧；套管外壁涂抹废机油或黄油或PHP浓溶液，以利于起拔套管；在隔离复杂地层时，最好不要下埋头管（暗管）。

6、惰性材料堵漏

在钻进中将惰性材料加入冲洗液中配成堵漏浆液，惰性材料随同冲洗液进入流失通道，进入裂隙，产生架桥，充填阻塞，达到堵漏目的。在选择惰性材料品种、粒度、加量时，必须根据孔内漏失情况而定。若对漏失部位及漏失通道的大小掌握不准，最好选用多品种、粒度规格不一的惰性材料。压浆时泵压在1.0MPa左右即可，停十多分钟以上，送浆钻进，其堵漏效果一般较好。在该矿区多个钻孔中使用皮革粉、核桃壳、棉籽壳、云母、锯末等多种材料与聚丙烯酰胺和冲孔泥浆组成堵漏泥浆，采用孔口混合压浆灌注，多次用于堵塞中等裂隙性漏失均获得成功。

7、其他方法

对于裂隙性渗漏严重的钻孔，采用下套管隔离毕竟要花费较大的工程量，同时也增加了孔内的复杂性，采用惰性材料及速效浆液有无效，可投入PAM粘土球堵漏。通过钻具捣实挤压，粘土和PAM被挤入地层裂隙，充填堵塞漏失通道，稳定孔壁。另外，在本矿区也多次使用聚丙烯晴—腐植酸钾高吸水树脂护壁堵漏，效果也不错。其方法是用膨润土做包皮、高吸水树脂为心料制作成“汤圆”，投入到孔内漏失层，下钻具送冲洗液慢速回转搅拌，使之随冲洗液进入漏失通道，充填堵塞裂缝、裂隙，搅拌时间约5分钟，再停10到20分钟，即可送浆正常钻进。

三、体会

岩心钻探有多种施工方法和工艺，每种方法都有其适应范围。特别是在复杂地层的施工，其钻进工艺和技术措施，应根据地层的复杂性质和复杂程度，因地制宜，对症下药。若措施和方法不对，将会耗费大量的人、材、物，拖延工期，甚至造成钻孔报废。因此，要针对钻孔的复杂性，加强技术管理，提高机班长责任心，采用不同的工艺和技术措施，维护孔壁稳定，确保安全钻进。

参考文献：

[1]李世忠.钻探工艺学（中册）〔M〕，北京：地质出版社，1994。

[2]曾祥熹 陈志超.钻孔护壁堵漏原理（M），北京：地质出版社，1986。

[3]宋端正.甘肃西和大桥金矿区复杂地层钻探技术〔J〕，探矿工程（岩土钻掘工程），2012，（1）。

[4]曾石友.嵩县多金属矿区复杂地层岩心钻探施工综合技术〔J〕，探矿工程（岩土钻掘工程），2010，（11）。