铜矿复杂地层钻探施工技术分析

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摘要：介绍了青海省格尔木小南川铜矿复杂地层钻探施工过程中，通过积极探索和优化钻探施工工艺，合理选择绳索取芯钻具，采取积极有效钻探技术措施，配制优质泥浆，克服钻孔漏失、坍塌、掉块等难题，顺利完成钻探任务。

关键词：复杂地层；钻孔结构；钻进措施

1勘查区概况

1.1基本情况

位于青海省格尔木市纳赤台以南小南川地区，行政区划属青海省格尔木市管辖。区内位于近东西走向的东昆仑山系布尔汗布达山中西端，山势雄伟、突兀峻拔，植被不发育，海拔高度一般在3880~5300m，地势北高南低，地形起伏大、山势陡峻切割剧烈，属中—深切割高山区；区内属于无人区。

1.2地层

勘查区地层分区属东昆仑山南坡分区，出露地层比较单一，主要为奥陶—志留系纳赤台群上部哈拉巴依沟组。地层主要为一套变质的基性、超基性火山岩，钙质板岩、钙质千枚岩、钙质长英质千糜岩，主要赋矿层位主要为绿泥绢云石英片岩、构造片岩等。上部第四系以冲积、残坡积堆积砾石为主，局部见有冰积堆积物。

1.3构造

勘查区处于昆南断裂以北约5km，全区以韧性剪切构造为主，即地层存在逆冲走滑断层。岩石长期受到南北向构造挤压作用而变形，构造形迹极为复杂，形成不同规模近东西向展布的韧脆性构造带。构造带内褶皱构造、断裂构造发育，特别是近东西向的构造片理化带、糜棱岩带极其发育，形成密集片理构造片岩及糜棱岩类岩石。

2钻探工作难点

（1）勘查区强风化地层破碎，钻进时泥浆漏失严重，钻孔易坍塌，成孔和取芯较为困难。（2）整个矿区构造复杂，地层倾角大，岩石破碎，孔内漏失、掉块、坍塌较严重，钻进时容易出现卡钻、断钻杆等状况，孔内事故多。（3）矿区交通不便，海拔高，山高坡陡，道路艰险，搬迁频繁，运输困难，影响了钻探工作正常进行。针对以上困难，我们在钻探施工工艺上进行了积极探索和有效改进，从钻孔结构、钻进技术参数、护壁堵漏、泥浆配比等方面着手，较好地解决了施工过程中遇到的难题。

3钻探方法

钻探设备：该工区钻孔孔深一般在300m左右，为80°斜孔。钻探设备主要选择XY-4型钻机，动力机为4105柴油机，BW-250型泥浆泵，9mA字钻塔。钻探机具选择：根据终孔口径要求和该地区上部复杂地层情况，上部使用普通钻进方法，选用⌀50mm钻杆，采用⌀110mm钻头，下入⌀108mm套管。下部较完整地层采用NQ系列绳索取芯系列钻具钻至终孔，钻具选择为⌀75mm孕镶金刚石钻头，⌀73mm绳索取芯钻杆。

4钻孔结构及钻进技术参数

4.1钻孔结构

该矿区地层覆盖层结构松散，上部岩层风化、破碎比较严重，钻孔坍塌漏失严重，采用⌀110mm钻至弱风化基岩后下入⌀108mm套管。下部采用NQ系列绳索取芯系列钻具钻至终孔。

4.2钻进技术参数

上部覆盖层及强风化岩层采用孕镶金刚石钻头钻进，由于卵石、风化层分布不均，钻具跳动大，需采用低钻压、低转速、较大泵量钻进。一般选用：钻压5~7kN；转速150~300r/min；泵量60~90L/min。下部较完整地层采用NQ系列绳索取芯钻进。钻压10~12kN；转速400~700r/min；泵量40~70L/min。选择钻进技术参数是应注意[1]：（1）孕镶双管钻头按单位底面积压力为40~80kg/cm2计算，在钻孔弯曲、超径的情况下或钻进强研磨性、破碎岩层时，应适当降低钻压，钻进时应准确计量钻压，钻压选择按不同地层灵活掌握，不要超过最大钻压，钻具跳动时降低钻压。（2）根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度选择转速，根据实际情况灵活掌握，一般钻头磨料颗粒越细，转速越高，在遇到砾岩地层、钻孔弯曲、超径的情况下或钻进强研磨性、破碎岩层时，钻孔弯曲、超径、钻具振动大的情况下，转速应适当降低；在使用高转速的情况下，应注意泥浆固相含量和分散性，防止钻杆内壁结垢。（3）根据岩石的可钻性、完整程度、钻进速度和钻头直径合理选择泵量，泵量的确定应以有效清除、携带岩粉和冷却钻头为准。较小的泵量和较高的泵压是绳索取芯钻进的要求，在钻进中应随时观察泵压变化，根据泵压的变化判断孔内情况。

5钻进措施

5.1强风化层钻进

上部强风化地层破碎，呈碎块状，钻进时钻孔易坍塌，泥浆漏失严重，成孔困难。针对以上困难主要采用优质黄土粉泥浆护壁。采用⌀110mm钻头钻至弱风化地层（一般深度为30~40m），下入⌀108mm套管。必须保证⌀108mm套管下到弱风化岩层。

5.2弱风化岩层钻进

下部弱风化岩层较破碎，岩芯呈块状、短柱状，掉块较多，遇到构造带有泥浆漏失现象。为提高钻探效率，保证岩芯采取率，防止孔斜，采用NQ系列绳索取芯钻具钻进。钻进过程中也遇到一系列困难，由于岩层比较破碎，有掉块现象，钻具在高速回转时，跳动现象严重，同时断钻杆事故比较多，虽然都能很快打捞上来，但影响了钻进效率。矿层与构造带伴生，遇到矿层一般漏失严重，而且很破碎，采芯较为困难，而矿层的采取率是本次钻探施工的关键，不能出现闪失。面对上述一系列问题，在钻探工艺上不断地探索和改进，取得了较为理想的效果。针对钻具跳动、断钻杆事故较多现象，选用优质泥浆护壁，增加泥浆的润滑性能，增加冲孔时间，减少孔内掉块[2]；经常测试泥浆，使泥浆始终保持良好性能。选择合理的钻进参数，降低钻压和转速；检查钻杆，挑出弯曲或丝扣有问题的钻杆，地面检验不合格的钻杆不准下入孔内；钻杆丝扣涂抹丝扣油，防止钻杆连接处泥浆漏失。采取上述一系列措施后，孔内钻杆跳动现象大为改善，钻探效率大幅度提高。

5.3预防事故措施

（1）选用优质泥浆护壁，增加泥浆的润滑性能，增加冲孔时间，减少孔内掉块。（2）经常测试泥浆，使泥浆始终保持良好性能。（3）选择合理的钻进参数，降低钻压和转速。（4）检查钻杆，挑出弯曲或丝扣有问题的钻杆，地面检验不合格的钻杆不准下入孔内。（5）钻杆丝扣涂抹丝扣油，防止钻杆连接处泥浆漏失。采取上述一系列措施后，孔内钻杆跳动现象大为改善，钻探效率大幅度提高。

5.4保证矿、岩芯采取率措施

（1）钻孔钻至矿层后，减小钻头与卡簧座的间隙，同时减小泵量，避免泥浆冲刷岩芯。（2）检查钻头、卡簧和钻具，各机构可靠配合。（3）降低钻压和转速，钻进平稳进尺，钻进速度适当控制，不能过快或过慢，矿芯采取特别难地层，控制回次进尺，每回次控制在1.0~1.5m[2]。（4）采取矿芯后平稳打捞，避免孔内矿芯脱落；退芯时轻放、细心，取出的岩芯应及时清洗干净，并按要求进行摆放。通过采取以上技术措施，严格采芯过程管理，矿层采取率基本都能保证80%以上，能达到地质要求。

5.5消除钻杆跳动的措施

针对钻具跳动、断钻杆事故较多现象，选用优质泥浆护壁，增加泥浆的润滑性能，增加冲孔时间，减少孔内掉块[3]；经常测试泥浆，使泥浆始终保持良好性能。选择合理的钻进参数，降低钻压和转速；检查钻杆，挑出弯曲或丝扣有问题的钻杆，地面检验不合格的钻杆不准下入孔内；钻杆丝扣涂抹丝扣油，防止钻杆连接处泥浆漏失。采取上述一系列措施后，孔内钻杆跳动现象大为改善，钻探效率大幅度提高。

6护壁堵漏 

6.1一般泥浆配方

采用NQ系列绳索取芯钻进，使用低固相广谱护壁剂泥浆护壁，随钻堵漏剂和大裂隙堵漏剂配合使用堵漏。见表1。

6.2泥浆性能

该泥浆固相含量低，粘度较大，润滑效果好，减小振动，降低失水量，提高泥浆稳定性、润滑性和改善泥浆流变性。见表2。

6.3堵漏措施

采用该种低固相泥浆，能保持孔壁稳定，有效地排出岩粉，降低孔内钻进阻力。遇到轻微漏失地层，加入随钻堵漏剂；如果地层裂隙较大，采用大裂隙堵漏剂堵漏，待有泥浆返出孔口后加入随钻堵漏剂，一般堵漏效果较好。每次提钻后必须向孔内灌注泥浆，保持孔内压力平衡。稀释泥浆时，不要一次到位，泥浆比重慢慢降低，避免由于孔内压力变化过大而造成塌孔。

6.4泥浆维护

现场配备一台泥浆搅拌罐和三个药剂桶，将待加入的处理剂预先在药剂桶内水化、溶解后倒入搅拌罐搅拌，根据钻进中处理剂消耗情况，搅拌罐内搅拌好的处理剂溶液有控制地加入到循环槽或泥浆池内[4]。经常测试泥浆性能，随时掌握泥浆性能变化，及时进行性能调节，并做好配制、净化处理、捞砂工作。根据地层变化及时调整泥浆性能，加强净化并适时补充处理剂来恢复其性能。调配好的泥浆，不得随便加入清水。现场泥浆循环系统尽可能加长，泥浆槽设置2~3个沉淀池，及时清理捞砂，保持泥浆性能。

7总结

小南川铜矿复杂地层钻探施工，勘查区交通条件差，气候寒冷，地层较为破碎，钻探施工困难。合理选择绳索取芯钻具，配制优质泥浆，采取积极有效措施，能够在特别复杂地层完成钻探施工任务。机组积极探索和优化钻探工艺，施工3个钻孔，钻孔质量合格，顺利完成钻探任务，得到了业主方的肯定和好评。

参考文献：

[1]刘广志.金刚石钻探手册[M].北京：地质出版社，1991.

[2]时志兴.河南省寺家沟银多金属矿区复杂地层绳索取心钻进技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2019,46(3):31-35,41.

[3]李宽，李鑫淼，梁健.绳索取心钻杆折断事故的原因、预防与处理措施[J].探矿工程（岩土钻掘工程）,2018，45（7）：48-51.

[4]郑秀华，王军，蔡福民，杨冬培，张天笑.兰渝铁路深孔隧道勘察碳质泥岩防塌孔钻井液技术[J].铁道建筑，2010（2）：41-43.

作者：张金平 汪传武 赵建宇 单位：西安地质矿产勘查开发院有限公司