金厂矿区复杂地层钻探施工技术与认识

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  [摘要]金厂矿区因地层复杂致使钻探施工困难,各类孔内问题频发,本文结合实践进行了综合探讨分析,总结制定出一套较为系统的钻探施工技术方案并应用于实际,取得了较好效果。
  [关键词]复杂地层 技术措施 冲洗液 综合治理
  [中图分类号] F416.1 [文献码] [文章编号] 1000-405X(2013)-7-153-2
  金厂金矿区是黑龙江省东南部的特大型金矿床,我部自1994年进驻该区开展岩金普查工作以来,截止2012年,累计投入钻探工作量81604.84m,累计探获(333)以上金资源量78.843t。近年来,随着我部对该区勘探力度进一步加大,钻孔布设范围和设计深度分别向着更广、更深的方向发展,结果导致钻探工程钻遇地层越来越复杂,施工难度越来越大,矿区内岩层破碎,掉块,泥化层遇水坍塌等现象十分严重,钻进受阻、钻孔事故频发,钻探效率低下,严重影响了地质勘探工作的正常进行,针对这些问题,我们进行了认真总结分析,结合实际制定了一套比较系统的施工技术方案,并在实践取得了较好效果。
  1概况
  1.1矿区地质条件
  矿区位于太平岭隆起与老黑山断陷交接部位,受角砾岩筒构造和环状、放射状断裂控制明显,断裂构造发育,碎裂岩化是造成矿区地层复杂的主要因素。施工中,钻孔所见主要岩层有变粒岩、斜长花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、闪长岩、闪长玢岩等,可钻性7-10级,并且刑家沟17号矿体地层多以断层泥、绿泥石化等蚀变为主,钻遇此类地层常发生钻孔超径、下钻遇阻、回转阻力大等问题。
  1.2钻探技术要求
  终孔孔径不小于75mm。采取全孔取心,岩矿心采取率均不小于80%,连续3个回次采取率小于80%必须采取措施或者特采,确保岩、矿心达到规范要求。
  因本区层间裂隙水较丰富,为避免地下含水层之间贯通而造成采矿时期的巷道涌水,对采矿工作带来威胁,要求所有钻孔必须用325标号以上水泥进行全孔水泥封孔。
  1.3施工设备及工艺
  矿区投入机台2台套。钻机采用XY-44型立轴式钻机,泥浆泵采用BW-250型泥浆泵,供电采用柴油机发电。配备2套SGX-13钻塔和1套AG13-20钻塔,根据地形条件交替使用。钻杆使用接手直径为Φ73mm重索型绳索取心钻杆。
  该地区上部第四纪覆盖层相对较薄,一般为3~6m,采取Φ110mm×Φ91mm×Φ75mm三级钻孔结构即可满足施工要求,同时为达到全孔取心目的,开孔采用Φ110mm金刚石复合片钻头干钻通过第四纪腐殖土层,下Φ108mm孔口管后,换用Φ91mm金刚石复合片钻头干钻至完整基岩后,下Φ89mm套管,最后换用Φ75mm钻头至终孔。
  2以往钻探施工遇到的主要问题
  通过对矿区以往钻探施工总结,可以发现矿区复杂地层对钻探施工的影响主要体现在以下方面:(1)地层破碎,孔内掉块、探头石多,起下钻受阻,扫孔频繁;(2)破碎地层钻进时,大颗粒岩粉增多,因矿区使用的重索钻杆接手直径较大,造成冲洗液上返环状间隙过小,大颗粒岩屑不易排出,易产生“悬桥”卡钻甚至钻杆折断事故;(3)绿泥石化蚀变带钻进时,孔壁遇水坍塌严重,如果维护不当造成孔壁失稳或孔底岩屑聚积,极易造成卡钻、埋钻等事故。
  以2012年在金厂刑家沟17号矿体施工的ZK0102孔为例,该孔终孔孔深为690.92m,全孔岩心破碎,并且在285~342m区段内存在较严重的绿泥石化蚀变带。施工过程中,Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入4.8m和30.5m。换用绳索取心钻具钻进后,为保持孔内孔壁稳定,现场依据岩心变化使用了3种类型的冲洗液,第一种是用于蚀变带上部碎裂岩层的无固相冲洗液,由0.3%PAM+0.5%CMC组成;第二种是用于绿泥石化蚀变带的细分散泥浆,由20%粘土+火碱组成;第三种是用于蚀变带下部碎裂地层的低固相冲洗液,由1%PAM+8%粘土+火碱组成。理论上看3种冲洗液体系比较贴合地层实际,能够满足钻进需要,但是从实际钻进效果来看,其作用发挥与预期存在较大差距,主要体现在:一是使用细分散泥浆钻进时,存在转速较低,泵压较高,钻进阻力较大等问题;二是使用低固相冲洗液时,冲洗液携带岩屑上返能力不强,孔内岩屑沉积较多,致使施工中经常出现憋车、卡钻,内管与钻具间空隙被岩屑填充卡死,无法正常提拉,被迫提钻处理等问题;三是每次下钻至290~310m上下区间内均存在不同程度的下钻受阻问题,扫孔时间过长。通过总结分析,我们认为这些问题的出现主要与以下三方面有关:一是与现场使用粘土质量不高,配制出的泥浆维护孔壁性能不好有关;二是与孔内钻杆接手处环空间隙过小(仅2mm),大颗粒岩屑不易排出,易聚集形成“悬桥”有关;三是与使用的钻头寿命过短(平均每50m,最多80m更换一次),起下钻过频引起孔壁失稳有关。
  3复杂地层施工技术与效果
  3.1挑选使用符合矿区实际的钻头
  针对施工中出现的钻杆接手处环状间隙过小,上返岩屑易聚集以及平底式钻头磨损快、寿命短,因更换钻头造成的起下钻过频问题,我们经过认真分析研究,决定在现有重索钻杆不更换的前提下,将矿区原有的Φ75mm平底式钻头更换为Φ77mm、硬度在20~35多范围内的锯齿状唇面加大钻头。
  3.2正确选用膨润土,配制使用有效抑制复杂地层的冲洗液
  由于在矿区以往钻探实践中,施工的大部分钻孔孔深较浅(一般为200m~450m),地层稳定,对泥浆性能要求相对较低,致使机台对膨润土使用重视程度不够,使用的膨润土存在含沙量高,消耗多但造浆率低,形成泥饼厚且粗糙等缺点,护壁性能不佳。
  为应对矿区复杂地层,尤其是绿泥石化蚀变带,必须使用性能较高的膨润土配制冲洗液,为此我们为矿区重新选定了膨润土,并且针对地层实际,开展室内试验,对冲洗液配比做了进一步优化,最终制定出了3套较适合矿区使用的冲洗液方案:①细分散泥浆,腐殖酸钾泥浆。配方:8%膨润土+4%KHm+7%Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.12,漏斗粘度22s,失水量9ml/30min,pH值9。优点:该冲洗液在使用过程中,能够有效排孔内大颗粒坍塌物,且护壁效果较好。缺点:但在绳索取心钻进过程中,投放内管速度缓慢,钻杆内易结泥皮,常存在打捞内管失败的问题,不宜高转速钻进使用。适用范围:较适用于浅孔钻进及排出孔内因坍塌造成的大颗粒岩屑。②不分散低固相冲洗液,JC-1冲洗液。配方:3%膨润土+0.4%PAM+4%KHm+6%Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.02,漏斗粘度18.6s,pH值8.5。该冲洗液的主要处理剂为部分水解PAM起护壁和絮凝作用,腐殖酸钾期抑制孔壁分数和降失水作用。优点:粘度低,流动性好,沉砂能力强,防塌护壁效果好等优点。适用范围:可用于水敏剥落地层。JC-2冲洗液。配方:4%膨润土+1.5%植物胶+0.3%PAM+0.15%CMC +2%KHm+6% Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.03,漏斗粘度34s,pH值8.2。③无固相冲洗液,JC-3冲洗液。配方:1%植物胶+0.1%PAM+0.15%CMC+0.08%NaOH,性能指标:比重1.01,漏斗粘度28s,pH值8.3。优点:植物胶是非离子型高分子化合物,具有增粘、护壁、润滑减阻等特点,并且钻杆转速越高,减振的效果越明显,振动越小越平稳,在同等条件下,它比其它冲洗液钻进时钻机转速可高开1-2档。适用范围:由于植物胶胶体的吸附成膜作用,失水量较低,对软、酥、脆地层和砂卵石地层护壁效果较好,与膨润土使用配制成的低固相冲洗液体系,适合穿过绿泥石化破碎带。   3.3采取综合治理措施
  ①上下钻时慢上慢下,同时回灌冲洗液,保持孔内液柱压力平衡,防止孔壁坍塌;②冲洗液循环过程中,定期测定入口和出口的冲洗液性能,定期补充新冲洗液和处理剂,确保冲洗液性能稳定;③定期检查水泵工作情况,定期清除循环系统中的沉淀岩屑,保持冲洗液的含沙量和固相含量合乎要求;④在预钻进复杂地层前,首先更换新钻头,力求一个钻头穿过复杂地层,减少因起下钻具造成对孔壁的破坏;⑤对孔内容易坍塌段应及时捞排岩粉,保持孔底干净,防止埋钻;⑥钻杆使用前认真检查钻杆丝扣使用情况,避免不符合要求的钻杆下入孔内,防止因疏忽造成的钻杆折断事故。
  通过采取上述措施后,矿区以往复杂地层钻进出现的问题基本得以解决,钻进效率显著提升。以2013年在矿区刑家沟17号矿体施工的另一钻孔ZK0101孔为例,该孔与上述ZK0102孔孔位相距20m,终孔孔深为729.00m,岩心全孔破碎,绿泥石化蚀变带位于290m~328m左右。施工过程中,Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入3.5m和25.3m。绳索取心钻具钻进后,同样以绿泥石化蚀变带为界,分层使用了3种冲洗液方案,依次为:JC-3—JC-2—JC-3-1(加入了2%~3%的膨润土),从施工效果来看,当使用JC-2通过绿泥石化破碎带时,钻进泵压有所提升但增幅不大,转速正常,没有出现明显憋车现象,冲洗液排粉性能良好,尤其是大颗粒岩屑上返顺畅,遏制了孔内“悬桥”的产生,有效预防了卡钻事故。穿过绿泥蚀变带后,换用JC-3-1直至钻进终孔,期间机台每班坚持冲洗液维护,及时添加新浆,孔内排粉效果明显,孔底干净,施工中没有再发生过ZK0102孔出现的内管卡死问题。在钻头使用上,全孔累计使用Φ77mm锯齿状唇面钻头6个,平均每个钻头钻进121.5m,较以前Φ75mm平底式钻头平均使用寿命增加近72m。钻头使用寿命的提高一方面直接降低了因起下钻产生的辅助时间,提高了机械钻速;另一方面有效避免了因起下造成的孔壁破坏,确保了孔壁的稳定性。该孔从开孔施工至终孔结束累计耗用34天,真正达到了优质、高效。表1为钻孔ZK0101、ZK0102各项经济指标对比情况。
  4小结
  通过对金厂矿区复杂地层钻进技术的研究与实践,我们取得了较为明显的效果,从中我们深切的体会到:
  (1)冲洗液的使用与维护是应对复杂地层的关键因素,腐殖酸钾泥浆、低固相冲洗液以及无固相冲洗液都有其各自的适用特点。施工时,应根据实验室测试、实践总结等方法进行分层钻进灵活使用。其中加有植物胶的低固相冲洗液护壁、润滑效果好,携带大颗粒岩屑能力强,适合在通过泥化破碎带时使用。
  (2)复杂地层岩石结构比较松散,钻具的震动、敲击、孔内液柱高低的变化,上下钻的抽吸和压力激增都有可能破坏冲洗液对井壁的保护,故在复杂地层钻进中要特别强调综合治理。
  (3)对于个别地层特别破碎,而且破碎层厚度大的孔段,护壁性能再好的冲洗液也不能保证绝对不出现孔壁坍塌现象,如果坍塌孔段较浅,最好的处理方法是扩孔下套管,对于较深孔段的硬、碎坍塌,则采用灌注水泥浆封堵。
  参考文献
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