河南省寺家沟银多金属矿区复杂地层绳索取心钻进技术

时志兴

(河南省有色金属地质矿产局第一地质大队，河南 郑州 450016)

0 引言

河南省陕县寺家沟矿区是河南省有色金属地质矿产局重点项目，布置钻探工作量28000多米，多为斜孔，但对矿体的控制程度，未“探边摸底”，没有完全确定矿体的连续性，而且矿脉较多，对矿脉的深部验证钻孔较少，特别是可以兼顾施工多条矿脉的钻孔。为综合研究平行矿脉之间的成矿地质特征及其相互之间的关系，摸清其产状，加强控制，为矿山储备更多的优质后备资源，加强深部探矿验证，布置了孔深900 m的ZKS001钻孔。该孔位于山沟与河沟交叉地带，岩层破碎，地下水丰富，存在漏水、涌水、缩径等复杂地层，且钻探施工人员盲目追求进度，导致多次发生钻探事故，延误工期，造成重大损失。

1 矿区概况及地层情况

勘查区位于三门峡市南，直距约30 km，行政区划隶属于陕州区张村镇及店子乡管辖，属秦岭山系之崤山山脉，山势陡峻，相对高差较大，海拔最高1265 m，最低825 m，一般在1000 m左右，比高400 m，属中低山区。总体地势南高北低，山系与沟谷总体为南北向走向。区内野乔河常年有水，水利资源比较丰富，可以满足未来矿山生产、生活用水之需求。近矿区的张村乡和店子乡有20万伏高压输电线通过，电力资源充足。

崤山地区属典型的变质核杂岩构造体系，本区醒目的构造形迹为近东西向的崤山短轴隆起，四周构成向外倾伏的宽背斜。核部由太华群地层组成，翼部由熊耳群地层组成，地层倾角在30°～60°内变化。断层构造发育，主要为沿不整合面的拆离断层、近东西向、北西-北北西向及北北东-北东向的次级断裂构造。

区内地层较单一， 第四系主要为黄土层、砂砾石、亚砂土、残坡积物及腐殖质，分布在沟谷中，厚度不等。太华群地层大面积出露，仅沟谷两侧分布第四系腐殖质、冲洪积物。

太华群地层为一套中深变质程度的片麻杂岩，分布全区，岩性主要为黑云斜长片麻岩、混合花岗岩、斜长角闪岩、斜长角闪片麻岩、变粒岩及绿泥片岩等。

岩层可钻性等级7～10级[1]，岩石具有较强研磨性；地层中上部坚硬破碎，下部较为完整，局部破碎。

2 钻孔设计及质量要求

ZKS001孔设计孔深900 m，直孔，终孔口径≥75 mm。岩心分层采取率≥70%。矿层及矿层顶底板5 m内的岩石采取率≥80%，连续5 m低于80%时，应查明原因，采取补救措施。每50 m和见矿位置及终孔进行弯曲度测量，准确记录其方位角和天顶角，直孔≤2°/100 m，斜孔≤3°/100 m[1-2]。

3 主要施工难点

(1)岩层裂隙发育、多处孔段漏失、岩心坚硬破碎、取心困难，钻具易磨损，特别是对金刚石钻头内口磨损最快，如图1、图2所示。

(2)在83.75～335.6 m多层涌水，194 m以浅涌水严重，水可以从孔口冒出，对冲洗液造成破坏，导致护壁困难，掉块严重，引发事故，如图3、图4所示。

图1 内口磨损的金刚石钻头Fig.1 Diamond bit with inside wear

图2 磨损的钻杆接手Fig.2 Wear of drill pipe adapter

图3 断裂的扩孔器Fig.3 Broken reaming shell

(3)200～500 m多处有多层构造带，其中3处比较厚，最厚一层达22.02 m，中间含有绿泥石等水敏性成分，吸水膨胀，造成钻孔缩径严重。构造带岩心如图5所示。

4 钻探工艺及技术处理措施

4.1 钻探设备

HXY-44T型塔机一体钻机：额定钻进深度700～1400 m，立轴最大扭矩3200 N·m，立轴行程600 mm，立轴最大起拔力120 kN，立轴最大给进力90 kN，卷扬机最大提升力45 kN，柴油机功率50 kW，转速81～958 r/min[1]。

图4 断裂的钻杆接手Fig.4 Broken drill pipe adapter

图5 构造带岩心Fig.5 Cores from the tectonic belt

BW-250型水泵：缸套直径65、80 mm两种，泵量35～250 L/min，泵压2.5～7.0 MPa。内加厚普通Ø50 mm钻杆及配套Ø108 mm钻具，地标S75、S95绳索取心钻杆及其配套钻具，木马自重夹持器，KXP-D(S)数字罗盘测斜仪[1]。

4.2 钻孔结构及钻具级配

由于钻场比较平坦，硬化后稳定，上部覆盖层很少，所以钻孔结构采用Ø113 mm-Ø94 mm-Ø75 mm，钻具级配为Ø50 mm-Ø108 mm-Ø113 mm[3-4]、Ø89 mm-Ø89 mm-Ø94、71 mm-Ø73 mm-Ø75 mm，没有预留口径。

4.3 钻探方法及技术处理措施

上部岩层主要为斜长角闪岩，严重风化，裂隙发育，硬度不均，非常破碎，可钻性等级为6～7[2]，取心困难。采用单管普通金刚石钻进，孕镶金刚石钻头HRC20～25，低转速、低钻压、控制回次方法钻进，以保证岩心采取率，2016年11月16日开钻，主要采用清水钻进，加入少量聚丙烯酰胺处理剂，11月19日钻进孔深38.65 m，为防止孔口坍塌下入Ø108 mm套管38.80 m。

换用S95绳索取心钻具继续钻进，岩层主要为斜长角闪岩和混合花岗岩互层，坚硬破碎，可钻性等级为7～9[1-2]，低转速、适当加大钻压、主要用清水钻进，加少量聚丙烯酰胺处理剂及0.1%[5-6]高粘度纤维素、控制回次进尺，提高岩心采取率。

钻头主要采用孕镶金刚石钻头HRC20～25，但在使用过程中磨损严重，胎体太软容易磨损，胎体硬度太大进尺缓慢，引起钻头掉块，损坏钻头。由于岩层硬、脆、碎，钻杆接手、钻具、金刚石钻头磨损严重，钻头钻进效率低，且多次引起钻杆断裂事故[7-8]。在钻进过程中，岩层破碎、漏失水、多处涌水，严重破坏冲洗液，使冲洗液基本丧失护壁功能，岩层多处有夹层，吸水膨胀，钻孔缩径，最终钻孔严重掉块坍塌，造成埋钻事故，经多次处理无效，钻孔报废。

经专家研究，一致同意钻孔向山体方向移动15 m，地层应该相对更为完整稳定。同时加强钻进技术力量，采用稳妥方法钻进，谨慎慢打，在25.35 m处下入Ø108 mm套管，换径继续钻进，钻进参数见表1。

表1 单管普通金刚石钻进参数[1-2]Table 1 Conventional diamond drilling parameterswith single-tube core barrels

但是由于没有引起足够重视，继续采用清水加入聚丙烯酰胺处理剂及0.1%高粘度纤维素钻进，在钻进196.46 m时，同样的问题又出现了，漏失、掉块、涌水，钻孔坍塌，导致埋钻，后经多次处理，钻杆用公锥打捞上来，采用磨孔钻头磨失钻具。由于此方法存在很大安全隐患，因此下入Ø89 mm套管，换用Ø77 mm绳索取心钻具继续钻进，但是在遇到夹层钻孔缩径后，再也难以继续钻进。

根据地层情况，随决定采用优质冲洗液钻进，优化钻进参数，主要钻进参数参见表2。

表2 绳索取心金刚石钻进参数[1-2，4]Table 2 Wire line diamond drilling parameters

在钻孔中上段岩层主要为斜长角闪岩、混合花岗岩、蚀变带以及构造破碎带，间夹石英脉，含少量水敏矿物绿泥石，特别是在构造破碎带，为块状、泥状构造，岩心破碎，吸水膨胀，风化即碎，非常容易造成钻孔缩径、坍塌[9-10]，且厚度10～20 m，不易穿过。

构造带地层主要表现为钻孔缩径、易分散、岩屑量大，要求冲洗液失水量小，抑制能力强，对孔壁毛细管道通道具有封堵作用，泥皮薄，韧性好，很好的流变性能，且有强的携带岩粉能力，绳索取心钻进要求冲洗液具有高效润滑作用，固相含量少或无固相含量，具体冲洗液配比为：1%钠基膨润土+1%～1.5%护壁剂+0.4%～0.6% 06型高效润滑剂+0.4%～0.6%高粘CMC+0.5%防塌剂。

冲洗液性能：粘度22～26 s，密度1.02～1.04 g/cm3，失水量≯6 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm[6,11]。

使用优质冲洗液后，钻孔得以继续施工，由于存在涌水，对冲洗液破坏很大，要不停的补充、更换冲洗液，并专人监测冲洗液，保证冲洗液的性能。在顺利施工到484 m后，岩心相对比较完整，对冲洗液监测放松了警惕，冲洗液被稀释，粘度明显不足，根本达不到护壁要求。再次下钻时，上部构造带部位395 m处膨胀缩径，钻具下不去。重新更换冲洗液，进行扫孔，得以顺利穿过，未造成更大事故。

在穿过最后一层构造带后，钻孔岩层相对比较完整，局部破碎，主要成分为斜长闪长岩、混合花岗岩互层，间夹蚀变带。由于钻孔加深，阻力变大，钻进过程中要适当降低转速，加大泵压[11-12]。岩层稳定单一，只要认真管理好冲洗液，维持冲洗液性能，保护好上部孔壁稳定，就可以按正常钻进顺利施工，经过122 d施工，在900.49 m达到地质目的终孔。

5 本孔钻探主要问题及钻探技术措施

5.1 岩层裂隙发育、坚硬破碎、漏水、涌水

在裂隙发育、坚硬破碎岩层钻进，容易发生卡钻、掉块事故，且不易取心或岩心采取率低。一般遇到这类地层慢速、轻压穿过[13-14]。卡钻、掉块严重可用水泥封孔，根据地层情况钻进到相对完整地层下入套管处理。适当降低钻速，控制回次进尺，减小冲洗液量以提高岩心采取率，并且减少人为因素和机械因素，避免岩心不必要磨损。本矿区由于施工技术措施得当，大大提高了岩心采取率，岩心采取率平均90%以上。

矿区钻孔主要是裂隙性漏水，由于水源充足，多采用顶漏钻进，且漏失位置多在钻孔上部，下入第一层套管就可以堵漏，或者使用水泥封堵。主要问题是该钻孔涌水，涌水严重破坏冲洗液性能，使其失去护壁功能和携带岩粉能力，导致钻孔内掉块时有发生，重复钻进，影响进尺，更为严重的是钻孔岩层非常破碎，坍塌、卡钻，引起多次钻杆断裂事故和卡埋钻事故，最终导致了钻孔报废。而且冲洗液不能起到有效润滑作用，加重钻具磨损，甚至引起烧钻事故[3,6]。

处理涌水事故一般用加重冲洗液钻进，但加重冲洗液不适合绳索取心钻进，绳索取心钻进钻孔与钻具环状间隙小，要求使用无固相或低固相冲洗液，而加重冲洗液固相含量高，钻具内壁易结垢影响冲洗液循环，内管投放困难甚至不能投放到位[11-12]。

涌水地层，也可采用水泥浆封堵，普通水泥浆遇流动性水冲散，很难取得封堵效果。搅拌要在水泥浆中加入惰性材料，并且加入速凝剂，最好是投放含有惰性材料水泥球挤压封堵[9,12]。

本钻孔钻探施工人员在多次用普通水泥注浆封堵无效之后，冒险顶涌钻进，在钻进到196.46 m时钻孔掉块、坍塌，无法继续钻进，不得已下入Ø89 mm套管堵住涌水，但也因此留下后患。

5.2 钻孔结构

钻孔结构的设计主要依据是钻孔的用图和目的、地层地质结构、岩石的物理性质、钻孔的设计深度和倾角、钻进方法、钻探设备的性能、钻孔的终孔直径。根据钻孔结构确定各个孔段的深度和孔径，确定套管层次、下放深度和套管直径。是否下套管，取决于地层的复杂情况和对地质情况的了解程度[1-2]。

由于本钻孔是深孔，且对地层复杂情况估计不足，钻孔结构设计简单，钻孔结构为Ø113 mm-Ø94 mm-Ø75 mm，Ø108 mm孔口套管36.80 m，Ø89 mm止涌防塌套管196.60 m，在遇到夹层泥时无法再使用套管隔离，只有优质冲洗液护壁。缩径地层对冲洗液破坏严重，维护冲洗液性能代价大。如果在预留一级孔径，下入套管护壁，在崤山矿区就可以清水钻进，取得更好的经济效益。

5.3 构造带地层，吸水膨胀，钻孔缩径

钻孔缩径有明显征兆，如：钻具回转滞涩、阻力渐增、甚至回转不动；上下钻具困难，甚至下不去，需要扫孔；泵压增加，产生憋泵；冲洗液中岩粉明显增多，含砂量增加；钻杆内壁结垢，提放内管困难。钻孔缩径挤压钻具，增大钻具回转阻力，容易造成钻杆断裂事故，甚至造成钻孔坍塌埋钻事故[9,12]。

遇到缩径地层，不适合水泥封孔，水泥凝固需要时间，而且水泥浆含水量大，缩径地层极易吸水膨胀，挤压水泥浆，达不到封孔效果[7-8]。一般遇到缩径地层应快速穿过，然后下入套管护壁，但该钻孔已不能再下套管处理，而且下面地层不明，只有使用低密度、低固相、低失水优质冲洗液，在该位置形成薄而致密的泥皮，有效阻止缩径地层吸水膨胀，从而保证绳索取心钻进继续施工[9,15]。

6 结语

绳索取心钻进复杂地层，应充分考虑地层情况，浅孔且岩层稳定钻孔，钻孔结构可以简单不预留口径，但是在复杂深孔钻进时，一定要选择合理的钻孔结构，预留一级口径，避免遇到特殊情况无法进一步处理报废钻孔，不仅延误工期，而且浪费人力、物力，无谓增加施工成本。遇到复杂地层，要充分利用好套管护壁，有时用好套管护壁更能加快施工进度，提高效益。根据地层情况合理配制优质冲洗液，不仅能提高施工效率，节约施工成本，而且有利于解决复杂施工问题，提高岩心采取率，保障钻孔质量。复杂地层钻进应充分引起重视，不要抱有侥幸心理，否则就会像该钻孔施工一样，造成不必要的钻探事故，我们要引以为戒。