青海大柴旦细晶沟金矿复杂地层钻探施工技术

莫玉桂

(四川省冶金地质勘查局成都地质调查所，成都 610203)

1 工程概况

本次钻探工程位于青海省海西州大柴旦镇北西80 km的滩间山金矿细晶沟矿区，属银泰黄金集团下属的青海大柴旦矿业有限公司勘探项目。我单位承担本年度该区域钻探任务，钻孔54个，设计钻孔倾角20°～75°，孔深100～500 m，工期为4.5个月，设计总进尺15 451 m。矿区地处海西州大柴旦镇西北部戈壁滩内，大柴旦镇至矿山作业区有公路相通，高速公路约65 km，矿山简易道路约15 km，交通便利，矿山上由驻地至各机台均有简易便道连通，值班皮卡车可达到项目上运输的基本要求。嗷唠河穿过矿区，施工用水采用罐车运输，基本满足要求。施工海拔3300～3400 m，全年少雨，几乎无植被。九月下旬开始气候寒冷，昼夜温差较大，最低温度达到-12℃，为施工进度带来了较严重的影响，对施工人员身体素质是极大的考验。

2 地质概况

本区地处柴达木盆地北缘，根据青海省三轮区划成果资料，工作区大地构造位置隶属秦祁昆晚加里东造山系东昆仑造山带赛什腾山—阿尔茨托山造山亚带，北接欧龙布鲁克—乌兰元古宙古陆块体，南邻柴达木晚中生代—新生代断坳盆地。地层主体为奥陶—志留纪地层，元古代次之，山体边缘、山间凹地及沟谷地带为新生代第三系、第四系陆相沉积，区域构造线呈北西西向，岩浆活动频繁，超基性—酸性侵入岩均有出露。

矿区钻遇岩石主要是石英闪长玢岩与碳质千枚岩。石英闪长玢岩风化蚀变较强，岩石可钻性Ⅴ～Ⅵ级为主，岩石结构类型以块状结构、碎裂为主。碳质千枚岩蚀变较强层理破坏严重，岩石可钻性Ⅲ～Ⅳ级为主，遇水易泥化、软化，工程地质性质不好，变形量大，对钻探施工影响较为严重。

3 设备与管材选用

鉴于矿区交通较为便利，但地质条件复杂，且设计终孔孔径≥89 mm(小角度钻孔除外，特殊情况可协商≥75 mm)。结合实际情况和设计要求，选用了3台套阿特拉斯科普柯C6C全液压动力头钻机与1台套英格尔EP600Plus全液压便携式钻机作为该项目的施工设备。为了防止施工过程中发生不可预料的情况影响工期，还备有1台套阿特拉斯科普柯C6C全液压动力头钻机与1台套满地宝MP1000全液压便携式钻机，设备性能参数见表1。

表1 使用设备性能参数Table 1 Performance parameters of equipment used

其中给C6C全液压动力头钻机配备无锡中地的Q系列绳索取心钻具，分别为PQ(114 mm)、HQ(89 mm)，以PW(140 mm做开孔套管)，另配NQ(71 mm)备用。便携式钻机配备无锡中地的T系列绳索取心钻具，分别是HTW(91 mm)、NTW(73 mm)，另配BTW(56 mm)备用。

4 施工中出现的问题

(1)部分钻孔处于松散的剥落堆积层上，开孔阶段存在垮塌、掉块、漏失，部分出现成孔困难。

(2)上部采用PQ(114 mm)钻具施工时，钻杆内壁结垢现象突出，尤其是地表附近两根钻杆内壁结垢严重，影响正常的内管打捞取心。

(3)因地层较复杂的断裂构造、软硬互层较多，部分孔段钻头磨损严重，几乎达到每班消耗一个钻头，使用寿命不足20 m。

(4)下部主要为蚀变严重的水敏性千枚岩地层，吸水后孔壁易失稳分散剥落导致埋钻，严重的膨胀诱发包钻事故，终孔后部分钻孔套管起拔困难[1]。在施工过程中，由于钻遇水敏性的千枚岩地层过多过厚，导致后期进尺效率不高、耗时过久，泥浆性能失效后诱发包钻事故[2]。钻进中时有出现提钻打捞后下不到原孔深，扫孔泵压高、憋车甚至“开不动车”现象。因泥浆性能不达标，第一批次施工的四个钻孔有三个钻孔发生包钻事故。其中ZK1201在达到设计进深335 m时发生包钻，终孔后经处理效果不理想，最终割管；ZK2301在矿层底部300 m处发生包钻，处理成功后再进尺不足一个整班的时间再次包死在井底306 m处，因已穿过矿层底板，协议终孔后采取割管；ZK302在进入矿层后钻进至310 m发生包钻，经处理成功后施工至339 m达到技术要求终孔。该年度本矿区施工中遇到困难最多的是ZK2301的前排钻孔ZK2302，该孔钻遇的强水敏性地层多且厚，多次诱发包钻，因包死井底割管后移孔重开三次，四十天无进尺，严重影响了工程进度，部分岩心如图1。

图1 ZK2302钻孔岩心Fig.1 Cores from phyllite strata

5 钻进工艺及施工措施

5.1 问题分析总结及解决方法

5.1.1 结垢现象分析及解决措施

因采用的PQ钻具取心管内径较大，岩心易进入，在钻进中上部破碎地层时进尺较快，单位时间内产生的岩粉多，使泥浆中的固相含量急剧升高，在高转速的离心作用下使钻杆内壁产生结垢现象[3]。

针对此类现象，决定在钻进中尽量选择低固相或者超低固相泥浆，配置泥浆时选用分散性好的材料并充分浸泡、搅拌[4]。在采用PQ钻具钻进时，使用大的泵量，并及时对泥浆进行维护，保证较低的固相含量。

5.1.2 水敏性地层施工难点分析

该矿区水敏性千枚岩地层的钻遇频率较高，对泥浆性能的要求高，在施工中一旦泥浆性能与地层不匹配极易诱发事故。当钻遇大段连续复杂的水敏性地层时，传统的降滤失抑制性泥浆有其局限性，不能很好且较长时间地抑制地层水化，导致孔壁失稳，诱发埋钻、包钻事故，处理事故过程中又易引发连环事故，严重影响施工效率[5]。

该矿区钻遇的碳质千枚岩大多蚀变强，多呈塑性，为较强的水敏性地层，也是钻探施工中的一大难题。项目开工前，施工人员、材料等方面的准备不够充分，对施工中的困难和问题准备不足，出现问题后反应不够迅速、有效。对复杂地层的施工不够重视，存在一定的侥幸心理，没有意识到发生事故后的严重性；生产过程中有时盲目追求进尺，出现事故征兆后未能及时有效地采取相应措施，错过了最佳处理时机；处理事故时存在急躁盲目的情况，导致走入“死胡同”，严重影响了施工效率。

针对该矿区的地层情况，需要解决的主要问题有地层的水化失稳、钻头的过快磨损与施工管理中的职责落实。

5.2 泥浆体系的选择

5.2.1 孔壁稳定的对策

配用合理的泥浆体系，抑制地层的水化或水化效果，保持孔壁力学稳定，合理的泥浆密度可以平衡地层的坍塌或者破裂压力，防止孔壁坍塌与变形。主要措施包括：①合理利用泥浆的泥皮护壁特性，控制泥皮的厚度；②保持合理的黏度，降低滤失量，尤其是水敏地层；③根据地层特点，降低起下钻速度，起下钻具平稳，避免抽汲压力引起孔壁失稳[6]；④及时冲刷或扫除缩径孔段变形部分，使孔径不小于钻头直径，可以有效地防止钻孔缩径卡钻；⑤钻头在孔内工作时间不宜过长，最多不超过2 h(具体时间根据膨胀孔段的膨胀速率调整)；⑥钻进软、极软地层(泥岩等)时，应根据钻孔口径与环空返速来控制转速，起钻过程中及时回灌泥浆。

5.2.2 泥浆体系的确定

经多方考察研究后，我们决定推广使用特效降滤失防塌防缩泥浆，经过初步试验该体系有较低的滤失量，能很好地降低强水敏性千枚岩地层的水化，同时有很好的胶粘作用强化稳定孔壁，且其配料多是浓缩材料，能保持泥浆体系相对较低的密度和黏度，有效改善钻杆内壁结垢情况，保持较好的钻进效率[7]。

特效降滤失防塌防缩泥浆材料及其作用如下：①特效A剂，滤失低、流变性好，良好的抑制性防缩径效果突出，②特效B剂，良好的强胶结作用，能较快的在孔壁上形成封堵，低的滤失量能有效地抑制地层的水化，良好的防塌性保持孔壁的稳定；③特效润滑液，水溶性好的润滑液与表面活性剂的混合物，具有较高的润滑减阻性能，提高钻进效率[8]。

5.3 泥浆体系的应用

参考配方：1.0 m3水+10 kg钠土+4 kg特效剂A+4 kg特效剂B+500 g特效润滑液。现场施工时根据岩心情况适当微调特效剂A与B的加量，当岩心呈塑性的条柱状不易掰断、手按留印增加A剂减少B剂；当岩心易断、易裂，指尖搓动呈渣则增加B剂减少A剂。

在配置好的钠土基浆中视地层情况加入特效A、B剂，中速(300～500 r/min)搅拌10 min，再加入特效润滑液继续搅拌5 min，pH 8～9。泥浆性能：密度1.01～1.03 g/cm3，漏斗黏度30～40 s，滤失量4～8 mL/30 min，润滑系数0.15。

在移孔重开的ZK2302中，上部采用低固相分散系泥浆，钻遇水敏性千枚岩地层后选用特效降滤失防塌防缩泥浆。专人负责泥浆性能测试、添料、更换，在钻进中泵压或井底负荷异常时立即提升钻具扫孔，恢复正常后再继续钻进。顺利穿过含矿层后于475 m终孔，历时17 d。

特效降滤失防塌防缩泥浆在本矿区钻孔的应用中护壁效果显著，孔壁稳定性好，能很好地防塌防缩，包钻、埋钻事故明显减少；流变性好，钻进效率较高；岩心采取率高，取心质量好，钻取的岩心见图2。

图2 更换泥浆后所得千枚岩地层岩心Fig.2 Cores of phyllite stratum after mud replacement

5.4 操作规程

统一思想认识，专人带头攻坚，各岗位尽职履责，特别是当班班长，扫孔要及时、有耐心。施工中控制起下钻速度，勤扫孔划眼，打捞提升时要慢，提升到位后再停泵关水。下入套管时应在外壁干燥后均匀涂抹上一层薄的润滑油并做好井口的密封，一旦松动应及时处理。要注意设备的维修保养，保证其正常运转，特别是在复杂地层中不能因设备故障引发生产事故。如遇故障需停机维修时，应尽快扫孔将钻具提升至安全孔段。

5.5 钻孔结构

施工中以矿区的地质特点为前提，结合设备的性能和设计孔深，合理选择换径深度。原则上应穿过复杂易掉块、坍塌、缩径等地层后再进行换径，但部分钻孔由于地质条件过于复杂出现严重孔内事故，或根据孔壁稳定性情况，提前或者延后下入套管。

5.5.1 全液压动力头钻机施工钻孔结构

一开。0～20 m，采用PW(直径140 mm)开孔，隔开覆盖层后换上套管鞋下入PW套管。

二开。20～180 m，采用PQ(直径114 mm)钻具穿过破碎层，钻进至完整基岩后换上套管鞋坐管。

三开。180～450 m，采用HQ(直径89 mm)钻具继续钻进，根据地层情况使用特效降滤失防塌防缩泥浆，保证孔壁稳定，保障生产顺利进行，矿区大部分钻孔均在三开终孔。

四开。450 m以深、复杂地层或特殊钻孔，可在三开后不下套管，换NQ(直径71 mm)钻具钻进至终孔。

5.5.2 全液压便携式钻机施工钻孔结构

一开。0～10 m，采用PQ开孔，隔开覆盖层后换上套管鞋下入PQ套管。

二开。10～50 m，采用HTW(直径91 mm)薄壁钻具穿过破碎层，钻进至完整基岩后换上套管鞋坐管。

三开。50～350 m，采用NTW(直径73 mm)薄壁钻具成孔。

5.6 钻头的工艺要求

项目施工过程中，所遇到的地层复杂多变，对于钻头的选择以及钻头的水口、内外径等结合现场情况采取了相应的处理措施。

(1)钻头选择。选取合理的钻头级配，对第四系覆盖层、千枚岩地层，可钻级别较低，选用HRC 35～40、粒度40～50目的金刚石孕镶钻头；中部的地层选用HRC25～35、粒度50～60目的金刚石孕镶钻头[9]。

(2)钻头工作层、水口处理。因矿区地层均较为破碎，钻进中产生大量岩屑、岩粉，传统工艺采用的5 mm水口间距极易造成排粉不畅从而加剧钻头的磨损，针对这一特殊情况采用水口间距为6 mm、工作层为14 mm的金刚石钻头，在中上部破碎地层施工时采用尖齿状钻头，下部千枚岩地层一般采用环形齿状钻头[10-11]。

(3)钻头内外径的处理。该矿区地层蚀变严重，钻进中孔壁易吸水变形，造成环状间隙减小，泵压升高，从而地层失稳引发坍塌，产生大量岩粉对钻头的内外径超磨、前期造成了很多钻头的损坏。在多次研究后，将钻头的外径加大2 mm,内外径加入热压硬质合金片来保径，以提高钻头的使用寿命，控制成本[12]。

5.7 钻进参数

在钻进过程中，如何保持钻头的金刚石颗粒的不断磨出，选择正确的钻进参数很重要。首先要正确掌握钻机的转速、钻压及钻进速度三者的关系。全液压钻机钻进时，在初始泵压力、钻机转速一定的情况下，进尺速度很快；当遇到地层变硬时钻头变钝，进尺速度慢，实际钻压增大。在较硬地层钻进时钻压过小或过大对钻头的伤害都较大，此时应根据地层控制适当的转速和钻压，保持与进尺速度同步。在打滑或较强的研磨性地层钻进中，水量需要适当减小，使岩屑对钻头的工作层起到磨削的作用；而在破碎地层钻进时产生大量岩屑、岩粉，为避免过度磨损钻头应适当加大水量、控制钻速。

施工中所采用的钻井方法与参数如下所示：①以金刚石绳索取心钻进为主，金刚石、合金普通钻进为辅；②较为完整地层转速700～1000 r/min，钻压17～20 MPa；③破碎带转速控制300～400 r/min，钻压10～13 MPa；④蚀变强烈的水敏性地层转速350～500 r/min，钻压13～18 MPa；⑤泵量根据进尺速度与地层破碎情况而定(岩粉、岩屑较多时适当加大泵量)，一般保持50～60 L/min，取得相应地层最佳的钻进效率和经济效率。

6 施工成果

在青海大柴旦细晶沟金矿钻探施工中，经过前期的摸索、学习，选用的工艺合理、措施得当，特别是利用特效降滤失防塌防缩泥浆来应对水敏性的千枚岩地层，取得了较好的效果，获得了较高的施工效率。最终在工期的截至日期前顺利完成矿区的全部任务，总共完成钻孔54个，累计进尺15 481 m，岩心采取率90%以上，产生了良好的社会效益。

7 结语

通过本次在青海大柴旦细晶沟矿区的施工，我们收获了一些经验及浅见：①工程项目施工前要多收集矿区工程地质与水文地质等资料，了解矿区地层特征；②根据实际施工中钻遇的地层情况，正确选用设备、机具、材料及泥浆体系，优化钻孔结构，合理配置，提高生产效率；③对于水敏性的千枚岩地层，利用泥浆体系的降滤失防塌防缩性能，保持地层与孔壁的稳定，有利于施工的顺利推进；④一线管理者及生产人员的专业素养与施工经验的积累对工程的质量、进度有重要的影响，加强员工的职业技能培训，施工中注重细节，处理事故不盲目，便于后续施工；⑤对于新材料、新工艺、新技术要建立长期有效的学习、推广机制。