漳平岭兜矿区ZK39183孔钻探施工技术

李伟雄

（福建省第二地质勘探大队，福建 永安 366000）

1 工程概述

1.1 矿区概况

由我队施工的漳平岭兜灰岩矿ZK39183孔钻探工程位于漳平市西北方向四十余公里的赤水镇。该矿区位于闽西山地博平岭山脉中段的中、低山岭及丘陵地带，属构造侵蚀地形地貌。

ZK39183设计孔深1000m，设计倾角90°，终孔口径为不小于75mm，于2019 年6 月5 日开孔，于2019 年9月27日终孔,终孔孔深957m。

1.2 地质情况及岩矿石的可钻性

钻孔岩层情况由上至下依次为：

0.00～70 .00m：浮土层（粘土、砂、碎石）等。

70.00～600 .00m：泥质粉砂岩、半风化辉绿岩、炭质泥岩、中细粒石英砂岩、构造角砾岩。

600.00～850 .00m：石英斑岩、泥质粉砂岩、细晶灰岩、硅灰石化矽卡岩、大理岩。

850.00～957 .00m：构造角砾岩、硅质岩。

岩层浅部的可钻性为1～6级；钻孔中下部一般7～10级，部分含铁石英脉的硅质岩达10～12级，岩石可钻性级别涵盖范围较大。

1.3 技术难点

（1）钻孔浅部的松散浮土层，风化严重、胶结性差，钻进时岩矿芯采取困难，易导致釆取率不能满足规范要求。

（2）钻孔中间段复杂地层易坍塌，其护壁堵漏技术是该钻孔施工成孔较为关键性的问题和难题。其上部风化层、泥包石等胶结性差，经常会出现孔段漏失引起下段坍塌的现象，比较难治理；中部的泥质粉砂岩与半风化辉绿岩换层带，厚度约40m，裂隙发育，易造成全孔漏失，钻进施工难度大。

（3）计算钻孔深部灌注水泥浆时的替水量。

（4）灌注水泥后扫孔经验分析总结。

2 施工设备的选择

依据钻孔设计要求，选用我队现有装备中的以下设备：

钻机：XY-5；

钻塔：SG23型；

泥浆泵：BW-250；

取芯绞车：SJ-1500。

3 钻进工艺

3.1 钻孔结构及施工孔径

依据地质提供的钻孔柱状图，结合我队现有护壁堵漏技术和类似矿区的施工经验，特制定以下不同的孔段，采用不同的口径进行施工，确保钻孔达到地质要求。

0.00～75 .00m，∅150/∅146mm；

75.00～250 .00m，∅130/∅127mm；

250.00～400 .00m，∅110/∅108mm；

400.00～650.00m，∅95/∅89mm；

650.00～957 .00m，∅77mm。

3.2 取芯方法

（1）上部第四系粘土、泥砂等覆盖层较厚，用无泵钻进或∅110mm单动双管取芯。

（2）钻孔中段地层比较完整采用单动双管绳索取芯，可满足设计要求。

（3）钻孔中下段多为破碎地层，采用（单动双管）多功能孔底反循环钻进取芯技术，可以达到提高岩矿芯采取率的效果。

①多功能孔底反循环钻具结构如图1所示。

图1 多功能孔底反循环钻具结构图

②应用效果：钻孔施工至415～453.8m 时，提钻发现岩芯采取率只有30%不到，此时已进入砂质泥岩、粉砂岩、碎石、泥包石,断层破碎带。施工班组及时调整钻进方法,采用少打多提,每个回次进尺不超过1m,就及时提钻，与此同时增加泥浆冲洗液的浓度及比重，配之低转速、轻压力进行施工，经过多个回次施工至孔深429.60m,岩芯采取率始终上不去，甚至反而越来越低。机台及时将情况汇报给分队，分队果断下达了采用多功能孔底反循环单动双管取芯的方法进行钻进的指令。在429.60～451.3m,提钻发现岩芯采取率明显提高,达到了49.8%,随后按照此方法继续施工。

两种不同的施工方法得出的效果明显不同，在孔深415～453.8m，及孔深460.10～598.60m，采用绳索取芯与多功能孔底反循环单动双管取芯效果对比见表1，取出的岩芯见图2、图3所示。

图3 多功能孔底反循环钻进取芯效果图

表1 不同取芯方法取芯效果对比

图2 多功能孔底反循环钻进取芯效果图

3.3 冲洗液及护壁堵漏

根据地层特点来选用适合的泥浆类型：

（1）开孔至70.00m 左右，主要是表土覆盖地层，岩性多为无粘结的砂、碎石，孔壁不稳定，遇水易坍塌，可选用如下配方的优质泥浆护壁：清水（1m3）+钠膨润土（100～150kg）+烧碱（3～6kg）+纤维素（5～6kg）+植物胶（5～6kg）。

（2）70.00～350.00m，为砂岩、泥岩交替出现，地层相对稳定，采用无固相PAM 冲洗液排粉和起悬浮作用。

（3）350.00～650.00m，其中多层破碎带的砂、石及泥包石，可采用水泥护孔或无固相PAM冲洗液。

通过使用高分散度泥浆，增加泥浆中的粘土含量，加入有机聚合物或无机增粘剂等措施，提高泥浆粘度，增加井壁松散颗粒之间的胶结力。另外，对于有一定胶结性的松散地层，为防止泥浆中的自由水侵入孔壁地层而冲蚀胶结物，现场施工人员在泥浆中加入了一定量的降失水剂（纤维素）。

经过反复多次试验，最后确定泥浆冲洗液的配方为：水（1m3）+钠膨润土（62.5kg）+烧碱（2～3kg）+植物胶（3～5kg）+纤维素（3～5kg）。

性能指标：

密度：1.06～1.08g/cm3；

粘度：32s；

失水量：18mL/30min；

pH值：9。

（4）水泥护壁。若孔壁坍塌较严重，单独靠低固相泥浆就难以满足钻孔护壁要求，就要采用水泥浆固结护壁。在该孔施工至地层破碎、裂隙发育207.00～263.00m 孔深时，孔内浆液漏失严重，并出现掉块坍塌现象。为预防坍塌造成卡钻、埋钻等事故，采用了在该孔段水泥注浆固结的方法，采用灌注水泥浆[使用水灰比0.5 的普通硅酸盐水泥200kg，加入3%的氯化钙和1%未水解的分子量（300～600）×104的聚丙水溶液]堵漏后，返水正常，取得良好效果。在380.00～435.00m处，因出现不稳定的碎石、泥包石等地层，钻进时发生孔壁严重坍塌现象，继续采用水泥浆固结护壁，顺利通过该孔段。

但是在435.15～438.28m处水泥浆固结后,在扫孔时，由于当班班长经验不足操之过急，冲洗液在孔内循环时间不足，封孔孔段水泥面上部泥渣尚未完全清理干净时，一看见孔内有返水，就开动钻机进行扫孔，且转速过高，此时钻头底部接触面的水泥，在高转速和钻具的高压力双重作用下，产生很高的热量，加上钻孔内冲洗液的浓度及比重超标，无法起到冷却钻头的效果。因此钻头底部与水泥因高温而融化胶结在了一起，变成了一起烧钻事故。事故发生后，钻探分队及时组织技术人员前往机台协助事故处理。经过反钻杆，平面钻头消灭钻杆等方法处理，处理到孔深382.22m时，孔内阻力大，钻机憋车十分严重，继续处理难度非常大。此时孔内还留有一套4.72m∅95mm 钻具及∅89mm绳取钻杆共计56.06m。

鉴于这种情况，大队生产技术科及时与地质进行沟通、协商处理方法。决定采用水泥灌浆固结后，用小一口径短钻具以较大压力的钻进，先偏出造斜钻一个新孔，然后在钻具下端带导向进行扩孔。地质人员经过慎重考虑，最后同意了他们的这一方案。

事实正如沟通设想的那样，本孔自孔深344m开始用小一口径的∅77mm 钻具扫孔，在358m 处偏斜出新孔并继续钻进6m左右，取出完整岩芯，用∅95mm钻具带∅75mm导向扩孔，顺利偏出新孔。

后续在693～698m 孔段，又因地层破碎、掉块、坍塌严重，造成无法施工。于是又采用上述的配比进行水泥固结护壁，有了前面的经验教训，后面的扫孔就谨慎多了，因此扫孔顺利进行。

该钻孔最终基本满足地质要求，以957m孔深顺利终孔。

3.4 灌注水泥浆替水量的计算及灌注后扫孔经验教训

（1）计算灌注水泥浆液的替水量：护壁采用灌注水泥浆的方法时，注完浆应立即将清水替换入孔内。要控制好替浆应力及替浆量，确保可以把浆液在不被稀释的情况下压送到预定位置。替水计算方法如下：

假设漏失、坍塌、掉块位于孔深693.5～698.5m 孔段，该段钻孔孔径为∅77mm，测得适时水位38m。将钻杆下至孔深699m处（最底部下入40m∅50mm钻杆，其余为∅73mm 绳取钻杆），灌注水泥浆水灰比为0.5，灌注水泥200kg，替水量为：

①水泥容积：4包×46L/包=184L；

②∅73mm 钻 杆 容 积：（658.5 － 38）× 2.8L=1737.4L；

③∅50mm钻杆容积：40m×1.1L/m=44L；

④地面管线与水泵容积：60L；

⑤②+③+④=1737.4+44+60=1841.4（L）；

⑤－①=1841.4－184=1657.4（L）。

当注入1657.4L水量时，灌注的水泥浆液正好送到下入孔底钻杆的末端。如果需要继续把水泥浆自钻杆内压出至孔深669m处，则增加替水量为：

V1×1.5m+V2×28.5m=4.6×1.5+2.6×28.5=81（L）

其中：

这样总替水量应为1657.4+81=1738.4（L）。

（2）灌注后扫孔（灌注水泥孔段）的经验总结：该孔在钻进至孔深324.59～438.28m 处，因孔壁坍塌严重，采用灌注水泥浆液固结进行护壁，当时灌注了1∶0.5水灰比的水泥500kg，待水泥凝固1d 后扫孔。换绳索钻具扫孔钻进，由于当班班长责任心不强，操之过急，不按照钻探操作规程进行施工，因冲孔循环工作时间不够，在水泥浓浆和沉渣还没有完全清理出孔口情况下，一看见孔内返水，就开动钻机进行扫孔，且转速过快，压力控制不好，造成了烧钻事故。

烧钻是钻探施工中常见的事故，应引起钻机机班长高度重视、引以为戒，避免此类事故的再度发生。分队和技术管理人员要及时总结事故经验教训，更好地指导该矿区后续钻孔的施工：

①要把握好水泥的凝结时间，宜为2～3d。时间不足则水泥石强度不足，扫孔易脱落而影响护壁堵漏效果。时间太长，则会使水泥石强度偏高，增加扫孔时间，且易产生偏孔。最好提前一天用小一级口径透穿，继续候凝一段时间后，再用原径扫孔。

②掌控好技术参数。扫孔应使用上端带导正，且长度和直径均与前钻具相同或相近钻具。扫水泥孔段时应轻压、慢转、大泵量；用金刚石钻具扫孔时，最好不要用泥浆，可用清水或无固相PAM 冲洗液，每扫孔一根单根长度,要停在扫完孔的深度慢转速冲孔5min 左右后再加杆。

③扫完水泥后，应采用大泵量冲洗钻孔，以清除、排出孔内悬浮的水泥渣。

4 复杂地层钻探施工经验总结

（1）钻孔施工口径层次搭配要符合钻孔结构要求，以确保钻孔能顺利施工。本矿区钻孔结构为：用∅150mm 开孔进入1m 左右基岩,换小一径∅130mm钻穿2～3 层风化破碎带, 再换∅110mm 钻进至灰岩3m左右。在上部多为浮土层，破碎易掉块、坍塌，应采用较大口径施工为后续变径留有余地；进入灰岩后常会遇溶洞地层，且大部分溶洞都有充填物，要及时用套管隔离，并换小一径（∅95mm）口径施工，之后换∅77mm钻至终孔。

(2)本矿区钻遇的地层较为复杂，采用不同配方的优质泥浆护壁是保证正常施工的前提和关键，应确保进入灰岩之前能全孔返水。并在钻进工程中，及时根据孔内浆液漏失量的大小，采取如添加堵漏剂、灌注水泥固结或套管隔离堵漏等有效措施，不让孔壁坍塌造成事故。

（3)复杂地层采用多功能孔底反循环单动双管钻进取芯，是目前能确保岩芯采取率理想取芯方法之一。

（4）进入硬、碎、脆或完整地层，可采取绳索取芯液动锤钻进来提高钻进效率和回次进尺，这样可以提高钻探施工效率、降低成本。

5 结语

不同地层的钻孔应采用不同的有针对性的钻探施工技术。通过对漳平岭兜矿区ZK39183孔复杂地层施工情况进行分析研究，整理总结出了该矿区钻探施工的主要技术要点、难点及应采取的对策措施。着重阐述了冲洗液及护壁堵漏的配方和相关技术参数，尤其是总结出水泥浆替水量准确合理的计算方法及扫水泥的经验教训，得出了在复杂地层采用多功能孔底反循环取芯是行之有效的方法，形成了具有实际参考价值的矿区钻孔钻探施工参数和经验。对该矿区后续钻孔施工具有前瞻性的技术指导作用，对其他矿区的复杂地层的钻探施工也具有良好的借鉴作用，本文的技术实践可以更好地服务于地质调查工作。