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庐枞矿集区刘墩ZK01深孔钻探工艺探讨

发布时间：2013年05月16日
来源：《探矿工程（岩土钻掘工程）》，2012年增刊2

 

庐枞矿集区刘墩ZK01深孔钻探工艺探讨

 

董向宇，李文秀，汤小仁，王庆晓，刘凡柏

（中国地质科学院勘探技术研究所，河北廊坊 065000）

 

摘要：对安徽庐江刘墩实施的庐枞矿集区2000m深孔地质钻探的工程概况、钻进工艺进行了介绍。

关键词：深孔；岩心钻探；钻探工艺；钻孔结构

 

1  概况

作为《地壳探测计划》的培育性计划，“深部探测技术与实验研究专项” （英文简写：SinoProbe）部署了数口2000~3000m的科学验证孔，为了验证庐枞矿集区重要地球物理异常或深部成矿有利区，实施了庐枞矿集区砖桥岩心钻探孔，为矿集区探测研究提供地下实物样品，建立综合测井通道。

工作区位于安徽省合肥市庐江县砖桥镇刘墩乡石桥村。四面环山，沟谷相间，孔位定在山丘半山腰的水田中。根据既有地质资料，大致判定施工区域地质结构由地表至地下500m内多为具硅化、高岭石化、硬石膏化、黄铁矿化、黄铜矿化的凝灰岩、粗安岩，有裂隙，局部有膏化凝灰岩；500~750m为辉石粗安岩，具绿泥石化，高岭石化，局部夹凝灰岩；750~1000m为粗安质凝灰岩，具硅化、弱黄铁矿化，局部具黄铁矿化、硬石膏化，或可见膏辉岩，黄铜矿/黄铁矿/磁铁矿（化）体；1000~1100m为灰岩、矽卡岩化灰岩；1100~1500m为闪长玢岩、膏辉岩化闪长玢岩，有正长岩脉穿插；1500~2000m为正长岩或斑岩型铜矿（化）体。部分岩石研磨性较高，可钻性级别最高可达8级。

刘墩ZK01钻孔全孔采取岩心，设计倾角90°，岩心采取率不低于85%，终孔口径Φ77mm。

 

2  钻探工艺

深孔钻探工程技术是一个动态复杂系统，针对地层而确定的包含钻孔结构设计、钻探器具配置、冲洗液配比、钻进参数选择及事故处理预案等技术措施，除所钻遇的地层外，其余都需要新技术支撑，积极引进新的钻探工艺、完善施工手段，对地质钻探孔施工的成功尤为重要。

2.1  钻孔结构设计

钻孔结构设计是对施工风险的预见和防范，以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照钻孔地质设计自下而上拟定各段的口径和开孔直径。在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构。

开孔采用大直径硬质合金或表镶金刚石单管取心钻进，设置孔口管，简化套管程序，合理设置套管尺寸和间隙，提高套管柱的强度，降低环空压降，为后续的施工提供充分的空间尺寸。基于减少深部钻探冲洗液循环阻力损失、降低泥浆泵工作压力等因素考虑，HQ规格钻具钻头口径为97.5mm，NQ规格钻具钻头口径为77.5mm，深孔阶段采用超前孔裸眼的方案，以Φ77.5mm为终孔口径，当遇到复杂情况又无法控制时，用Φ97.5mm钻头扩孔后下入Φ91mm套管，再换回Φ77.5mm绳索取心钻进。图1为安徽庐江刘墩ZK01科学验证孔的钻孔结构。

图1  安徽刘墩ZK01孔钻孔结构图

由于科学钻探验证孔地层复杂，钻探工作区域方圆10km内最深钻孔深度约1000m，尚无明确的深部地层地质信息，为了完成2000余米的钻孔深度和小口径物探测井要求，参照YDX-5型全液压钻机的能力，钻孔采用四级成孔，留一级预备口径为BQ规格。                                                  

开孔直径152mm，采用ø152 mm 硬质合金单管取心钻进，穿过第四系表面覆盖层，下入ø146mm套管，作为孔口管，深度18.26m。

一开孔径122mm，采用绳索取心金刚石钻进，下入ø114mm技术套管，深度558.20m。

二开孔径97.5mm，采用液动锤绳索取心金刚石钻进，下入ø91mm技术套管，深度1422m。

三开孔径77.5mm，采用液动锤绳索取心金刚石钻进，至终孔深度2012.35m。

2.2  钻具配置

    钻具级配确定主要采用加强型HQ规格、NQ规格绳索取心钻具。各级孔径钻具如图2所示。

图2  钻具组合示意图

钻孔开孔钻具组合：高速水龙头+转换接头+PQ绳索取心钻杆+转换接头+ø146mm单管钻具+ø152mm硬质合金钻头（表镶金刚石钻头）；

P规格钻具组合：高速水龙头+转换接头+PQ(PO)绳索取心钻杆+PQ绳索取心钻具+ø122mm金刚石钻头；

H规格钻具组合：高速水龙头+ 转换接头+HQ绳索取心钻杆+HQ绳索取心液动锤钻具（PWL绳索取心液动潜孔锤钻具）+ø97.5mm金刚石钻头；

N规格钻具组合：高速水龙头+转换接头+NQ绳索取心钻杆+NQ绳索取心液动锤钻具（NWL绳索取心液动潜孔锤钻具）+ø77.5mm金刚石钻头。

2.3  环空间隙确定

钻探施工采用端部加厚无接箍钻杆，ø114mm钻杆端部加厚外径116mm，内径101mm；ø91 mm钻杆端部加厚外径93mm；ø71 mm钻杆端部加厚外径73mm。钻杆材质为XJY-850。

ø146mm套管壁厚5.5mm；ø91 mm套管为端部加厚加强型套管，端部加厚外径93mm，壁厚6.25mm。套管材质为45MnMoB。环空间隙3~4mm，局部2 mm。

 

3  钻进方法

3.1  分层钻进技术措施

根据矿区地层岩性特点、钻孔孔径、深度及YDX-5型全液压钻机的性能因素，制定分层钻进技术措施。在完整的中硬以下地层采用常规绳索取心钻进。在松散、破碎、采取率极低地层，采用绳索取心三层管钻具、半合管钻具并配备内管超前、拦簧卡取岩心等卡心装置。在特硬、局部破碎易发生岩心堵塞孔段及易造斜地层采用绳索取心液动冲击钻具，提高钻进效率及岩心采取率。在深孔钻探施工中，采用绳索取心液动冲击钻进与普通绳索取心钻进相比在同等钻进条件下平均小时效率提高40%左右。绳索取心液动冲击钻具见图3。

图3  绳索取心液动冲击钻具示意图

根据岩石研磨性、完整度和可钻性确定钻头类型（见图4）。上部钻探施工采用普通孕镶金刚石钻头，深部钻探施工采用超高胎体双水口二次镶焊孕镶金刚石钻头。钻头唇面结构有半平底型、同心圆尖齿型及齿轮型。

图4  使用的不同唇口形式的金刚石钻头

各种规格取心工具必须妥善保管，使用前要认真检查，每次用后要清洗检查，卡簧和卡簧座与所取岩心进行匹配，确保岩心卡取可靠，单动装置注润滑油。在套管底部用麻绳封固，避免泥浆侵入套管外壁的环状间隙，同时在下入套管时，孔内注入高粘度的泥浆，同时在套管外壁涂抹适量黄油，便于施工结束后起拔套管。

3.2  钻进参数选择

开孔，152mm硬质合金钻头，钻压0.5-0.8kN，转速100-200r/min，扭矩1000 N•m，泵压0.5 MPa，排量120-150L/min。

一开，122mm孕镶金刚石钻头，钻压1.5-2.0 kN，转速200-300 r/min，扭矩2000 N•m，泵压2.0 MPa，排量120-150 L/min。

二开, 97mm孕镶金刚石钻头，钻压1.2-1.8 kN，转速250-450 r/min，扭矩2400 N•m，泵压5.0 MPa，排量90-120 L/min。

三开, 77mm孕镶金刚石钻头，钻压1.0-1.5 kN，转速400-600 r/min，扭矩2600 N•m，泵压8.0 MPa，排量60-90 L/min。

3.3  冲洗液与护壁堵漏

矿区均为金属矿金刚石绳索取心钻探，冲洗液的主要作用一是减阻润滑，二是排粉，在局部孔段存在稳固孔壁的需求。充分的钻头、钻杆减阻润滑，孔内排粉彻底，可以获得较高的机械钻速，减少钻杆钻具磨损，延长钻头寿命。固相泥浆<膨润土>在绳索取心钻杆内高速旋转容易产生泥皮，致使内管起下不畅，不易解决。采用的的泥浆体系为无固相泥浆体系：聚丙烯酰胺+广普防塌剂+磺化沥青+水。PHP每m³加入0.2～2kg，漏斗粘度20～25s，泥浆密度1.02g/cm³。

在81~87m、1130~1180m孔段出现比较严重的膏化地层，地层有一定的水敏性，采用添加降失水处理剂Na-CMC，提高泥浆粘度和泥浆密度，将泥浆密度从1.02g/cm³提高到1.04g/cm³，漏斗粘度为32s左右，比较有效的防止了钻孔缩径对泥浆上返流速的影响，减低了泥浆泵的泵压。下入ø91mm的技术套管后，地层研磨性增强，岩石硬度增大，泥浆中不再加入磺化沥青和Na-CMC，同时减少广普防塌剂的加入量，漏斗粘度保持在20～25s，泥浆密度1.02g/cm³，以悬浮岩粉，冷却钻头，润滑钻具为目的，至终孔。

3.4  预防钻孔弯曲的措施

钻机安装是预防钻孔弯曲的重要环节，为防止钻机在钻进过程中位移、过度晃动，将钻机底座坐落在坚固的水泥地基上，并用地脚螺栓固定。反复测量主动钻杆确定钻孔顶角，将全液压钻机的桅杆落于稳固的水泥地基上，锁紧桅杆滑移机构。钻孔孔口浇筑600mm×600mm×600mm素水泥台，避免上覆土层坍塌。开孔采用硬质合金钻进，慢速给进，用膨润土泥浆护壁，将孔口600mm深的素水泥基础钻透，再延伸钻进至基岩层，下入ø146mm的孔口管。在检测孔口管的顶角后，用孔口板将孔口管与钻机的桅杆固定，既保护孔口，又作为钻孔的导向。各径钻杆安装钻杆扶正器，换径时带外导正器，采用先导钻头及钻具稳定器配合进行下一级钻孔开孔，保证满眼接触，确保钻孔方向。依据地质设计当钻孔顶角小于或等于5º时，每100m进行一次顶角测量；当钻孔顶角大于5º时，每50m测量一次顶角和方位角。 及时测量及时调整钻进速度。

3.5  孔内事故预防

采用优质泥浆并适当加大泥浆的密度，减少因地质因素造成的孔壁坍塌或水敏地层缩径而发生的孔内卡钻事故；采用合理的钻孔级配及制订严格的操作规程，特别是在深孔绳索取心钻进时杜绝提下钻引起的抽吸作用造成孔壁坍塌及跑钻造成人为孔内事故的发生；减少钻具在孔内的停放时间，在停放时坚持开泵循环，绳索取心钻进打捞内管总成时，先冲洗干净孔底再进行打捞，防止埋钻事故发生；采用合理的钻进参数，根据地层情况及钻头唇面面积施加钻压，防止钻压过大发生钻杆折断事故；由于绳索取心钻进提钻次数少，所以每次提钻后特别要检查钻杆螺纹的磨损情况及有无裂纹，防止在孔内发生折断事故。

孔内事故是可以预防的，又是不可避免的，开钻前准备一些常用的事故处理工具（见图5）及特殊事故处理工具的方案。施工现场准备了3种规格的打捞公锥、可退式打捞器、强磁打捞器、水力割刀、磨削钻头等事故处理工具。

图5  各种形式的孔内事故处理工具

 

4  钻探技术成果

庐枞矿集区ZK-01科学钻探验证孔施工，全孔取心钻探至2012.35m孔深。完成Φ152mm的钻孔18.26m，下入Φ146mm表层套管18.26m；完成Φ122mm的钻孔539.94m，下入Φ114mm套管558.20m；完成Φ97mm的钻孔864.18m，下入Φ91mm的套管1422.38m；完成Φ77mm的钻孔589.97m。终孔顶角不大于7〫。 岩心总长度1978.10m，岩心采取率 98.30%。 自2011年8月17日开钻至2012年3月24日达到预定孔深，共用221天，合计7.36个月，其中有设备器具维修319.6h，泥浆泵维修420.5h，测井561h，放假、研讨及其它工作时间为965.6h，钻进台月效率为476.86m。于2012年4月5日由深部探测技术与实验研究专项管理办公室组织专家进行了野外现场验收，钻孔质量达到优秀。

 

5  结语

通过对刘墩ZK01科学验证孔施工的总结，综合复杂地质条件和钻孔施工中采取的钻孔结构、钻杆柱、碎岩工具、取心方法、井身轨迹控制、钻井液及井壁保护等钻进工艺相关参数的研究，提出了一套具有较高可靠性及可操作性的钻进施工技术方案，为提高深部矿体勘探速度、勘探靶区精度、地质成果的准确性，也为加快寻找隐伏矿与深部矿的 “第二找矿空间”步伐，提供技术支持。

 

参考文献：

[1]  张金昌，孙建华，谢文卫，等.2000m全液压岩心钻探技术装备示范工程[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2012,39（S1）.

[2]  谢文卫，苏长寿，孟义泉.YZX127型液动潜孔锤的研究及应用[J].探矿工程(岩土钻掘工程);2003，（S1）.

[3]  蒋光旭，唐振华，李德波， 李伟.SYZX96/75绳索取心液动锤钻具的应用效果[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2010,37（6）):13-15，19.

 

基金项目：深部探测技术与实验研究专项中“重要异常的钻探验证与金属垂向分布规律研究”项目（SinoProbe -03-06、201011051）之工作课题“庐枞矿集区重要异常的钻探验证”

作者简介：董向宇（1970-），男（汉族），河北唐山人，中国地质科学院勘探技术研究所勘探设备研究室教授级高级工程师，探矿工程专业，从事小口径钻探设备及工艺、非开挖技术研究工作，河北省廊坊市金光道77号，13932678511@163.com。

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