矿区钻探施工技术分析

矿区钻探施工技术分析

李富苟

江西省地勘局赣西北大队

摘要：本文结合工程实际，对其钻探施工中存在的主要问题进行探析，并分析主要钻探技术措施及工艺。

关键词：矿区；钻探施工技术；措施

1工程概况

该矿区为平原地区，属大陆性季风气候，相对高差10m。年平均气温14.9℃，年平均降雨量939.3mm，地形切割较轻，海拔高度一般100～200m。面积为3.82km2，设计孔深550～700m，钻探工作量5000m。

2矿区地层简况

2．1矿区地层简况

区域内岩层主要有灰白色石英砂岩与硅质砾石互层；灰白色石英砂岩与紫红色石英砂岩互层；冰碛泥砂质砾岩、泥钙质砾岩、含砾砂岩夹砂岩、页岩及纹泥质白云岩组合层；石英砂岩、白云岩、角砾岩、灰岩、泥岩、页岩组合层；砾石及砂粘土互层。

2．2区域地质构造

地层多被第四系覆盖，其走向以东西向为主，岩层倾角平缓，一般20°～30°之间，构造变形较为简单，主要为浅表层次脆性断裂。断裂呈网格状分布，断层产状大部分较陡，倾角一般大于60°。区域内的断裂构造总体可分为北西南、近南北向和北东向三组。

3主要钻探设备及器具

根据孔深、地层及现场情况，采用XY－44型钻机，BW250型泥浆泵，SGZ－23型四角加重钻塔，JSJ－1000型绳索取心绞车，动力装置为75kW电动机等。

为适应中深孔复杂地层钻进，选用强度高、抗扭能力强的加厚接头镦粗的绳索取心钻杆、S75钻具及钻头，并配置泥浆搅拌机等。

4钻探施工中存在的主要问题

（1）易发生孔壁坍塌、冲洗液漏失、缩径、套管提不上来。

第四系覆盖层厚度大，130m左右。主要为砾石层及砂粘土互层、亚砂土、亚粘土、黄土等。底部存在一层冰碛物泥砾石层。钻进过程中，在砾石层中易发生坍塌及漏失，在砂土中易发生坍塌，在粘土中易发生缩径套管提不上来等事故。

（2）中深部易发生孔壁坍塌，提大钻后无法下钻至原孔深。

中深部片麻岩、混合岩严重风化易坍塌，钻遇该层位起大钻换钻头再下钻钻进时下不到原孔深位置。

（3）易发生钻孔偏斜。

地层软硬互层，矿化层较厚且胶结较弱，冲洗液质量或冲洗液量控制不好等都会造成钻孔偏斜。

（4）易发生卡钻、埋钻及取心困难。

在蚀变带、构造破碎带钻进，岩石软硬不均，结构松散，孔壁坍塌掉块，易发生卡钻、埋钻事故等，岩心采取困难。

5主要钻探技术措施及工艺

5．1优化钻孔结构

根据地质方面提供的地层岩石情况，为快速穿过第四系覆盖层等复杂孔段，在终孔直径≮75mm的情况下，为提高成孔保险系数，避免一旦发生孔内事故无法挽救，在借鉴以往钻探经验的基础上，钻孔结构采用三级口径级配，具体钻孔结构如下：

0～130m钻进穿过第四系覆盖层达硬基岩层下入127mm薄焊接套管。130～200m下入108mm地质套管使之坐在砂岩上。200m以深采用75mm口径一径成孔。

5．2预防钻孔偏斜、坍塌等，保证成孔质量的技术措施

根据实际地层情况，全面分析造成钻孔偏斜、坍塌等现象的原因，找出解决问题的切实有效的方法，加快施工进度，保证工程顺利完工。

5．2．1施工工艺及钻进参数

根据以往施工经验及实际地层情况，采用二级套管三级成孔工艺，并针对不同的孔径和地层，采取与之相适应的技术措施。

（1）第四系覆盖层钻进。用133mm普通取心金刚石钻头、127mm单管普通钻进工艺，小钻压、低转速、大泵量钻进，并控制钻进速度，使钻进平稳进行，防止钻杆摆动过大，以防钻孔偏斜。同时配置稠度大、粘度高的优质冲洗液，保证孔壁稳定不坍塌。钻至完整较硬基岩后快速下入127mm普通薄壁焊接套管：一是为了防止孔壁坍塌而造成一级套管下不去，提高成孔率，保证第二级地质套管能顺利提出周转使用；二是为了在一级套管提不出来的情况下最大限度地降低损失。

（2）130～200m孔段钻进。采用普通金刚石钻进工艺，用114mm普通金刚石钻头与108mm单管钻具相配套，采用中泵压、中泵量、中等转速钻进。在岩层由软变硬时，压力要适当减小为正常钻压的2/3，转速也相应降低；当岩层由软变硬时，也要适当减压至正常钻压的1/3。钻进破碎带、蚀变带等松散岩层时，应采用优质泥浆并控制好泵量泵压，以保护孔壁。

（3）200m以深孔段钻进。采用绳索取心金刚石钻进工艺。78mm（外径加大）金刚石钻头，75mm接头镦粗绳索取心钻杆。高转速、中高钻压、中高泵量钻进。钻遇片麻岩、混合岩等严重风化地层时，调整好泥浆性能及转速、钻压和泵量，以防偏斜、孔壁坍塌。

5．2．2选择与地层相匹配的金刚石钻头

根据地层情况，选择相应直径和胎体硬度的金刚石钻头，以提高金刚石钻头的使用寿命和钻进效率。

对于第四系覆盖层，可钻性级别较低，可用胎体硬度HRC40～50、粒度50目左右的金刚石钻头，提高单个钻头的钻探进尺。

对较硬的石英砂岩等，岩石的可钻性级别较高，可用胎体硬度HRC25～35、粒度80目的金刚石钻头。胎体硬度适中，底部胎体容易出刃，提高钻进效率。

对于不同的孔径，选用的钻头直径应比正常的直径稍大一些，133mm钻头与127mm钻具相匹配；14mm钻头与108mm钻具相匹配；78mm钻头与75mm钻具相匹配。合理设定钻杆、钻具与孔壁之间的环状间隙，有利于提高钻进效率和套管下入。也在一定程度上起到预防孔壁缩径、掉块而引起抱钻卡钻等孔内事故的作用，同时起下钻也更为顺畅。

5．2．3按照规程施工，减少孔内事故严格按照《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227—2010）施工，加强对钻进过程中的各种观测，特别是孔斜的观测。

（1）及时了解掌握钻孔偏斜情况，以便及时采取防偏措施，保证钻孔质量。避免观测不及时，钻孔偏斜超出规定，即使采取偏斜器等措施可以纠正，但也造成人工、材料等重大损失。有时候采取措施也纠正不过来而造成废孔，造成极大的损失。

（2）控制好起下钻速度，尽量减小对孔壁的抽吸破坏。起钻速度过快，抽吸力增大，易造成孔壁坍塌、掉块等；下钻速度过快，冲击压力大，也易引起掉块、造成钻头碰撞损坏和孔壁破坏从而影响正常钻进。特别是中深孔钻进更要控制起下钻速度，越平稳越好，不能忽快忽慢。否则造成孔内事故处理起来会更为麻烦。

（3）经常检查钻杆、接头、钻具、丝扣、钻头、钢丝绳的磨损情况，不满足安全及质量要求时及时更换。

（4）经常检查设备动力系统及制动系统的可靠性，并加强维修保养，以免人为造成孔内事故和机械及人身安全事故。

5．2．4控制套管的下入深度和下入工艺

选用材质、壁厚及加工质量符合标准的地质套管，并按规范要求固定好套管，保证在正常钻进过程中不摆动、不脱扣、不断裂。套管底部一定要坐落在完整较硬基岩上，保证在正常钻进过程中不下滑，从而避免造成孔内事故。在套管下入时，一是要做好套管外表面的润滑工作（表面抹黄油、润滑油等措施），以减小终孔后起套管时的阻力。二是要控制套管下入速度，缓慢均匀，以防套管碰撞孔壁造成孔壁破坏套管下不到位。三是保证套管中心与钻孔中心一致，套管起吊平衡直立状态下，吊钩中心、套管中心、钻孔中心在同一直线上。四是检查套管丝扣是否完好，套管本身是否有损伤或壁厚不足，套管连接是否可靠，套管起吊时固定装置及起吊装置要完好可靠，确保套管下入过程中不脱扣、不滑脱。

本次钻探施工，第四系覆盖层较厚，且存在坍塌软弱层段，对套管的摩阻力很大，终孔后套管不一定能提出来。为了减少损失，第一层套管采用普通薄壁焊接管，同时保证了第二层地质套管能提出来。

5．3针对不同地层，合理配置冲洗液

5．3．1第四系覆盖层

第四系覆盖层既有砾石坍塌层，又具有粘土缩径层且具有造浆功能。选用粘度大、失水量小、携带岩粉能力强、护壁性能好的冲洗液。具体配方：10%优质钠基膨润土+0.5%～0.8%高粘度羧甲基纤维素钠+0.25%GSP广谱护壁剂。

冲洗液性能：密度1.05～1.08g/cm3，胶体率96%以上，漏斗粘度25～30s，失水量10～15mL/30min，泥皮厚度＜1mm。

5．3．2破碎带、蚀变带地层

选用低固相护壁性能好的冲洗液。具体配方：8%优质钠基膨润土+3%多效天然植物胶SD－1+0.6%高粘度羧甲基纤维素钠+0.3%GSP广谱护壁剂量。

冲洗液性能：密度1.04～1.06g/cm3，胶体率98%以上，漏斗粘度25～30s，失水量10～15mL/30min，泥皮厚度＜1mm。

5．3．3风化漏失地层

选用低固相、低密度、低失水、抗水敏优质冲洗液。具体配方：25～30kg护壁剂+2～3kgCMC+1～2kgNaOH+100kg优质钠基膨润土+1kg润化剂。

冲洗液性能：密度1.03～1.05g/cm3，胶体率96%以上，漏斗粘度25～30s，失水量3～5mL/30min，泥皮厚度＜0.5mm，含砂量＜0.5%，pH值9～10。

5．3．4冲洗液的配置和维护

冲洗液材料一定要准确计量，依顺序加入，先无机处理剂后有机处理剂，先分子量小的再分子量大的。有机处理剂要先浸泡，需要用热水的一定要用热水浸泡，要保证足够的浸泡时间，使处理剂浸泡充分，再用搅拌机充分搅拌。冲洗液使用过程，要勤测量并认真记录，防止其他液体混入。及时检测冲洗液性能，发现性能不符合要求时要及时调整，确保冲洗液性能稳定。处理剂存放要得当，防止雨淋、受潮及暴晒，以免处理剂性能发生变化，从而影响泥浆性能和钻进效果。

6钻孔实例

ZK3812孔施工时，用133mm普通金刚石钻头钻进113m，认为是较硬基岩，下入127mm薄壁普通焊接套管并固定好。然后用114mm普通金刚石钻头钻进至156m时，由于操作人员缺乏责任心，操作不当，检查不及时，套管下滑，无法继续钻进。加之冲洗液性能不好，裸孔时间长，造成孔壁坍塌形成“大肚子”，采取各种措施都找不到套管头而无法处理，最终钻孔报废，造成了很大的经济损失。后经业主同意，移孔重新施工。这次施工认真吸取了上次的教训，根据地层情况改进冲洗液的性能，确认完整较硬基岩才下入127mm薄壁普通焊接套管130m和108mm地质套管200m，由于采用了符合地层要求的优质冲洗液并优化了钻孔结构，在20d内顺利完成了该钻孔的施工，终孔深度563m，完全满足地质要求。

7结语

在钻探施工中，选用合适的施工工艺，采取合理的技术措施，提高了钻进效率，降低了施工成本和孔内事故的发生。通过本次小口径钻探施工，积累了一定的经验，以期对今后的小口径钻探施工有所指导。

（1）任何钻探施工，都要充分了解矿区地层、构造等地质资料，采取正确处理措施，避免和减少孔内事故的发生。

（2）优化钻孔结构，合理确定套管、钻头等级配及套管的下入深度，可以提高钻进效率。

（3）根据不同地层情况，合理配置冲洗液和选择钻头并经常检查，充分利用好、维护好冲洗液。

（4）不断实践，善于总结，认真负责，经常检查，不打懒钻，避免负责事故的发生。