凤县小梨园矿区复杂地层典型事故钻孔施工技术

李国才

（宝鸡西北有色七一七总队有限公司，陕西 宝鸡 721000）

1 地质概况

小梨园金矿区位于陕西省凤县坪坎镇，是我单位多年来地质勘查的老勘探区，2013年前钻孔深度一般在500m以下，该矿区钻遇岩层主要为：铁白云质钙质千枚岩、石英脉、铁白云质粉砂质千枚岩，断层破碎带。其间断层破碎带多为粉砂质千枚岩，亲水性强，岩石松软破碎，多呈散体状，容易造成孔壁不稳定，易坍塌、掉块，钻遇该孔段岩粉多，易造成粘附卡钻事故。

2 钻孔施工概况

总体上来说，矿区地层条件比较复杂，钻孔深，这也给施工技术方面提出了很大的挑战。ZK12001孔是该矿区施工的典型钻孔之一。

ZK12001孔位于小梨园矿区西河以东，钻孔设计深度1050m、方位25°、倾角78°。施工至处913m发生粘附卡钻事故，由于还有137m将钻进到设计深度，于是向地质申请终孔口径75mm。

征得地质同意后，决定把Φ95钻杆当做套管使用，采用NQ（Φ75）施工至928m又发生卡钻事故，经多次处理无效后用S56水力切割器割钻具的技术措施处理，后通过磨事故钻头，磨完事故钻头后下磁力打捞器吸理磨碎的铁屑等措施来处理这次事故。孔内处理干净后再下入NQ（Φ75）继续施工钻进，钻进至深度1025.12m地质同意终孔，顺利竣工。工程质量达到地质设计要求。

3 钻探设备及附属设施

XY-44A塔机一体钻机，钻塔高度10m；动力为R4105ZG53柴油机。泥浆泵：型号BW250，RZ1115柴油机2台。钻杆：HQ 1100m，NQ 1100m、S56钻杆1000m。钻具：HQ2套，NQ2套。Φ75割刀1具、Φ56割刀1具。

4 钻孔结构及钻进方法

该孔以HQ（Φ95）和NQ（Φ75）金刚石绳索取芯钻进工艺为主；钻孔结构采用Φ130×Φ110×Φ95×Φ75四径成井工艺；开孔采用Φ130合金钻具干钻取芯的方法钻进至21.00m后，下入Φ127孔口管，换用Φ110合金钻具钻进至32.07m处见完整岩层，下Φ108套管，再换用HQ(Φ95)金刚石绳索取芯钻具钻进至913m处发生粘附卡钻事故，后换用NQ钻具继续钻进至终孔1025.12m。

5 施工中遇到的主要技术问题和处理方法

5.1 粘钻事故原因分析与处理

采用HQ金刚石绳索取芯钻进至孔深908.67m遇断层破碎带（岩性主要为铁白云质粉砂质千枚岩、钙质铁白云质粉砂岩、铁白云质粉砂质千枚岩），断层破碎带从908.67m至935.12m，断层厚度达26.45m。该断层的特点是连续性强、层厚。机台决定继续钻进快速穿过断层破碎带以后再回头处理这段易坍塌、掉块的地层。但是在钻进至913m时尚未穿过破碎带就造成粘钻事故，憋泵水路不通，经过多次的顶、拉、扭等方法处理无效[3]。最终判定是因为该孔段岩层松软、缩径，孔内坍塌、掉块造成的岩粉太多，无法及时把岩粉排出孔内，导致了粘钻事故的发生。由于钻具外径比钻杆大（钻杆Φ89mm、钻具Φ93mm、钻头Φ95.5mm、扩孔器Φ96.50mm），初步判定卡钻事故位置在钻具的钻头、扩孔器或者是弹卡挡头处。

图1 使用后的水力切割器

依据以上事故分析和钻孔孔深等综合因素，处理难度极大。经多次和地质项目沟通，同意换Φ75mm口径。决定把Φ95钻杆当做套管使用，采用NQ（Φ75）施工至928m又发生卡钻事故，经多次处理无效[4]。

结合以往采用返这种方法处理事故的经验，要返出所有的钻杆和事故钻具，难度很大。采用“返”处理有可能每次只返一根钻杆或者是一个钻杆接头，首先是耗时、费力，返的效率不是很高；再者假如整个钻具卡死，最后也无法返出事故钻具。经过认真的分析研究后确定，决定采用切割事故钻具方法作为最终的处理方法。后采用割钻具的措施处理，再通过磨事故钻头，磨完事故钻头后继续钻进，最后钻进至深度1025.12m地质同意终孔。水力切割刀具外形如图1所示。

具体操作如下：下入水力切割器到判定位置（粘钻事故可能发生的位置），然后开机慢转，等钻杆全部转动后，打开泥浆泵泄压阀，开动泥浆泵，慢慢的关泥浆泵泄压阀，控制泵压升高到4Mpa后继续转动5-7分钟，当发现泵压突然下降后判断钻具已经割断，此时立即停钻，完全打开泄压阀，关闭泥浆泵。提出带水力切割器的S56钻杆，然后通过钻磨来处理事故钻具，最后下磁力打捞器吸理磨碎的铁屑。

钻孔施工竣工后，依然采用割的处理措施起拔Φ95钻杆，具体操作步骤和割Φ75钻杆的步骤相同。采用S75水力切割器，第一次选择割的位置在钻头和扩孔器上部，割完后顶、拉、扭Φ95钻杆，多次无效；分析整个钻具已被卡死。第二次选择割的位置选择在弹卡挡头上部即Φ95钻杆的位置，割完后开机扭动钻杆，使其与下部的钻具彻底分离，提出全部HQ钻杆，孔内遗留HQ钻具在913m处。

5.2 泥浆护壁技术措施

处理完粘钻事故以后，钻进至931.50m孔内坍塌依然严重，采取灌注水泥封堵该层2次，未能奏效，根本达不到封堵断层破碎带层，解决钻孔坍塌、掉块的目的。后采用高固相优质泥浆护壁，取得了较好的效果，使得钻孔顺利竣工。该钻孔使用了3种不同的泥浆类型。

针对不同地层采用不同的泥浆泥浆配方，先后使用无固相冲洗液；低固相泥浆；易坍塌、掉块等复杂地层使用固相优质泥浆。

（1）无固相冲洗液

特点：比重低，粘度适中，钻进效率高，性能调节范围大。与清水相比具有较好的携带岩屑和悬浮岩屑的能力，并具有一定的润滑效果，在孔壁上形成薄膜起护壁作用。

现场配制材料及加量：配制1m3泥浆所需无固相钻井液1kg～1.2kg，羧甲基纤维素（CMC）

1kg～2kg，聚丙烯酰胺（PHP）300～500ppm，腐植酸钾（KHM）2%～3%。现场测试性能指标：比重1.02～1.03，漏斗粘度16s～18s，PH值8～9，失水量＜16 ml/30 min。

（2）不分散低固相泥浆

特点：粘度适中，失水量较小，比重较小，含砂量小，泥浆稳定性好，对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，对孔壁不起分散作用进而起抑制保护孔壁作用，护壁效果良好[1]。

现场配制材料及加量：配制1m3泥浆所需钠基膨润土50kg～80kg，添加剂（加土量的质量之比）NaOH1%～2%，羧甲基纤维素（CMC）2%～3%，腐植酸钾（KHM）2%～4%，聚丙烯酰胺（PHP）300ppm～500ppm。现场测试性能指标：比重1.02～1.05，漏斗粘度20s～22s，失水量＜12ml/30 min，PH值8～9，含砂量＜3%[5]。

（3）固相泥浆

特点：循环过程中在压差作用下能在孔壁形成薄泥皮而加固孔壁，在循环停止时悬浮岩屑，防止岩屑沉淀而引起孔内事故。失水量小，泥浆比重大，稳定性好。

现场配制材料及加量：1m3泥浆所需钠基膨润土150kg～200kg，添加剂（加土量的质量之比）NaOH2%～3%，羧甲基纤维素（CMC）3%～5%，，腐植酸钾（KHM）4%～6%。现场测试性能指标：比重1.15～1.20，漏斗粘度＞26s，失水量8～10ml/30min，PH值9～10，含砂量＜4%。

该孔使用以上的三种泥浆中，17.34m～798.47m使用无固相冲洗液，岩层稳定；钻进798.47m～931.50m岩层较松散破碎地层换用不分散低固相泥浆，但是在岩层破碎，坍塌、掉块严重，断层破碎带层厚的地层中，低固相泥浆在该复杂地层中使用效果不明显，没有起到护壁作用；最后使用固相泥浆钻进，遇见断层破碎带时，孔内没有出现明显的坍塌和岩粉太多的问题，达到了护壁效果，施工过程中，由于河水暴涨导致连续停工2天，孔内也没有出现较明显的坍塌和岩粉过多的问题，在该孔中固相泥浆取得了很好的效果，对该矿区在以后的工程施工起到了很好的借鉴作用[2]。但是固相泥浆也有自身的缺点：比重大，由于固相含量高而造成钻进效率低，该孔施工中转速控制在300～350r/min，施工中未发现钻杆内壁结泥皮而导致投放和打捞内管困难的问题。

6 经验与体会

冲洗液护壁堵漏是钻探过程中非常重要的环节，在岩层破碎，坍塌、掉块严重，断层破碎带层厚的地层中，性能良好的冲洗液能在较长时间保持孔壁稳定，抑制千枚岩地层遇水膨胀、脱落。另外，使用固相泥浆容易造成绳索钻杆内壁结垢，影响正常打捞岩芯，需要严格的控制钻进参数。

在处理孔内卡、粘钻事故时，要认真分析事故发生的原因，制定简单易行、可靠有效的处理方案，由经验丰富、操作熟练的技术工人操作实施，工程技术人员现场指挥；避免因盲目而急躁的操作造成工作不彻底而导致失败，同时要注意因操作不当而引发其它孔内事故的发生。

在泥浆的使用过程中，还要注重泥浆的维护管理工作，它直接影响到泥浆在钻进工作中的效用。因此，要注意以下几点：

（1）根据地层情况，通过试验确定合理的泥浆配方，按程序配好所需的泥浆。

（2）钻进过程中，要定时测试入口和出口的泥浆性能，确定是否需要补充新的泥浆和处理剂，若需补充则应以细流方式注入，以免产生不良后果。

（3）定期检查除砂设备和水泵的工作情况，定期清除循环系统中沉淀的岩屑，保持泥浆的含沙量和固相含量符合要求。

（4）注意安全，防护用品要穿戴齐全，防止具有腐蚀性或毒性的药品伤人。