湖北磷矿复杂地层深孔钻探施工工艺.pdf

2 0 1 0 年第3 7 卷第1 1 期探矿工程 岩土钻掘工程 1 9 湖北磷矿复杂地层深孔钻探施工工艺 胡成涛1 ，郑门关1 ，周红心2 ，许华松2 1 ．中化地质矿山总局湖北地质勘查院，湖北荆州4 3 4 0 0 0 ；2 ．中国冶金地质勘查总局中南局，湖北武汉4 3 0 0 8 1 摘要介绍了湖北兴I U 磷矿复杂地层深孔钻探施工工艺。针对复杂地层合理选择- r 钻头和钻进工艺参数；对破 碎孔段采用优质泥浆钻进后，下套管稳定孔壁；对坍塌、掉块严蘑的孔段采用水泥浆封孔固壁；同时合理选择了绳 索取心钻具，利用X Y 一5 型钻机，完成了复杂地层1 9 3 0m 深孔钻探任务。 关键词复杂地层；深孑L 钻探；封孔同肇；绳索取心 中图分类号P 6 3 4 ．5文献标识码A文章编号1 6 7 2 7 4 2 8 2 0 1 0 1 1 0 0 1 9 0 3 C o n s t r u c t i o nT e c h n i q u eo fD e e pH o l eD r i l l i n gi nC o m p l e xP h o s p h a t eR o c k ／H UC h e n g - t a 0 1 ，Z H E N GM e n 舒‘0 n 1 ， Z H O U H o n g - x i n 2 ，X UH u a s o n 9 2 1 ．H u b e iG e o l o g i c a lP r o s p e c t i n gI n s t i t u t e ，C “n aC h e m i c a lG e o l o g ya n dM i n eG e n e r a l B u r e u ，J i n g z h o uH u b e i4 3 4 0 0 0 ，C h i n a ；2 ．C e n t r a lS o u t hM e t a l l u r g yG e o l o g i c a lE x p l o r a t i o nC o m p a n y ，W u h a nH u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h ep a p e rp r e s e n t st h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fd e e ph o l ed r i l l i n gi nc o m p l e xs t r a t ai nX i n g s h a np h o s p h a t e m i n eo fH u b e ip r o v i n c e ．T h eb i ta n dd r i l l i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e mw e r ep r o p e r l yc h o s e nf o rd r i l l i n gi nt h ec o m p l e xs t r a t a ． H i g hq u a l i t yd r i l l i n gf l u i dw a su s e di nf r a c t u r e dh o l es e c t i o nd r i l l i n gw i n lc a s ef o rh o l ew a l ls t a b i l i t y ，c e m e n t i n gw a su s e di n s e r i o u sc o l l a p s i n ga n db l o c k f a l l i n gs e c t i o n sa n dw i r e l i n ec o r i n gt o o l sa n dX Y - 5t y p ed r i l l e rw e r eu s e dt oc o m p l e t e1 9 3 0m d e e ph o l ei nc o m p l e xs t r a t a ． K e yw o r d s c o m p l e xs t r a t a ；d e e ph o ／ed r i l l i n g ；s e a l i n g ；w i r e - l i n ec o r i n g 1 工程概况 近年来，中化地质矿山总局湖北地质勘查院在 湖北鄂西地区寻找深部磷矿过程中，施工的钻孔大 都在1 0 0 0m 以上。2 0 0 9 年完工的玉林矿区Z K 0 0 2 钻孔，孔深1 9 3 0m ，创下了湖北地质勘查院历年以 来钻探孔深记录。 玉林Z K 0 0 2 钻孔位于湖北兴山瓦屋磷矿以东， 在神农架磷矿和宜昌磷矿之间。著名的新华大断裂 就在其东南，受其影响，本区域的含磷岩系深埋于 1 0 0 0 多米之下，且具有良好的找矿前景。2 0 0 9 年 初，中化地质矿山总局湖北地质勘查院开展了该地 区的地质调查，并施工了2 个钻孔进行验证，玉林 Z K 0 0 2 钻孔便是其中关键一钻。通过该孔施工，为 湖北地质勘查院的找矿工作向第二贮矿区空间进军 积累了经验。 玉林Z K 0 0 2 钻孔设计深度1 9 0 0m ，实际钻进深 度1 9 3 0m 。该钻孔于2 0 0 9 年9 月1 01 3 开孔，2 0 1 0 年1 月2 0 日终孔。钻探台月为4 个台月，纯钻进时 间1 2 0 0h ，完成钻进回次1 0 1 0 回次，有效进尺1 9 3 0 m ，全孔无报废进尺米数。 钻孔地质要求主要指标完成情况岩心采取率 为8 5 ．2 ％，矿心采取率9 8 ％；水文观测次数3 5 0 次， 为标准的1 0 0 ％；钻具丈量2 1 次，平均误差 0 ．3 ％o ；全孔测斜2 1 次，终孔1 9 3 0m 处测量钻孔弯 曲度数据为顶角4 ．2 。、方位角9 3 ．2 0 。 2 Z K 0 0 2 钻孔穿越的地层及岩性情况 2 ．1 地层 本钻孔穿越地层自上而下为第四系、寒武系、 震旦系及神农架群，矿区岩层属沉积地层。 第四系为坡积、残积物，厚度4 ．6m ；寒武系以 灰岩为主，本钻孔揭穿厚度为6 5 5m ；震旦系为白云 岩、硅质白云岩，常夹燧石条带或团块，磷矿层赋存 于该层的下部，本钻孔揭穿该层厚度为1 2 7 0 ．4m 。 2 ．2 构造 本矿区上部地层岩层倾角平均l O o 一2 5 。，产状 较陡，往下产状逐渐趋于平缓，岩层倾角平均1 0 。左 右。受地质作用的影响，上部岩层节理发育，岩石较 为破碎，孔深1 5 1 ～3 2 0m 段为1 7 0m 厚的破碎带。 全孔岩石裂隙发育，岩层透水性强，孔内漏失严重， 清水钻进孔口基本不返水。 2 ．3 岩性 收稿日期2 0 1 0 0 7 2 8 作者简介胡成涛 1 9 6 6 一 ，男 汉族 ，湖北人，中化地质矿山总局湖北地质勘查院探矿技术负责人、高级工程师，探矿工程专业，从事探矿 技术与管理工作，湖北省荆州市。 万方数据 探矿工程 岩土钻掘工程2 0 1 0 年第3 7 卷第1 1 期 上部岩性主要为灰岩，成分碳酸钙，较软，研磨 性弱，可钻性4 级左右；下部岩性主要为白云岩、硅 质白云岩，岩石硬度较高、研磨性中等，可钻性5 7 级；局部含有较多燧石层，燧石呈不规则条带和团块 状分布，其岩石致密、硬度大、研磨性弱，可钻性达 1 0 级以上。钻进至1 3 0 0 一1 7 0 0m 和1 8 0 0 ～1 9 0 0m 两段时遇坚硬的硅质地层和燧石条带，有时日进尺 不足1m 。 3 钻探设备、钻具和钻头的选择 3 ．1 设备的选择 湖北地质勘查院以前未施工过1 9 0 0m 深的钻 孔，也没有2 0 0 0m 深孔钻探的钻机。近几年多个矿 区数十个1 0 0 0m 左右深孔施工经验的积累，认为 X Y 一5 型钻机的潜能还有可能发挥，因此，我们决 定采用现有的X Y 一5 型钻机施工。同时，广泛了解 深孔钻探机械设备信息，以便随时进行设备更换。 考虑到本矿区地层的复杂性和设备能力不足， 施工前进行了精心的组织；施工中既重视传统的经 验，又结合实际进行技术攻关，及时总结和调整钻探 工艺，使用优质的化学泥浆，选择先进、可靠的钻具， 保障X Y 一5 型钻机充分发挥它的潜能，圆满地完成 了任务。 3 ．2 钻杆的选择 众所周知，深孔钻进和复杂地层钻进中常见事 故是孔内断钻杆。断钻杆事故不管能否顺利处理 好，总要延缓工期，造成钻探成本提高。断钻杆事故 发生与钻杆的质量有关，还与钻孔的状况、操作技术 等因素有关。 绳索取心钻进的效率能否得到有效的发挥，与 钻具质量的优劣有直接的关系，它主要影响着内管 的投放和打捞成功率，甚至引起孔内事故发生。一 方面，钻具在孔内经过长时间钻进所产生的磨损和 疲劳，材质不过关的钻具极易变形、弯曲或断裂；另 一方面，弯曲与变形的钻杆更严重地敲打和碰击孔 壁岩石，造成自身磨损加快和孔内掉块隐患。因此， 绳索取心钻进对钻杆有很高的要求。通过对钻具供 应厂家进行慎重的考察和评比后，选择了武汉金地 探矿机械有限公司生产的系列绳索取心钻具。 3 ．3 钻头的选择 选择武汉金地探矿机械有限公司生产的电镀钻 头。对于灰岩地层钻进，岩性较软，研磨性低，可钻 性4 ～5 级，钻头参数8 个水口，金刚石浓度9 5 ％， 金刚石粒度5 0 ／6 0 目，胎体硬度H R C 3 0 。 白云岩、硅化白云岩，岩石硬度较高、研磨性中 等，可钻性5 ～7 级，钻头参数8 个水口，金刚石浓 度9 5 ％，金刚石粒度5 0 ／6 0 目，胎体硬度H R C 2 5 。 含燧石的地层中钻进，由于燧石结构致密、硬度 高、研磨性弱，可钻性达1 0 级以上，因此，在钻头的 选择上应注意2 个方面一方面要求胎体较软，硬度 较小；另一方面，要求钻头应有较长的使用寿命，以 免经常起大钻，增加辅助时间，影响钻探效率。为 此，厂家特制了一款同心圆尖齿钻头，具体参数8 个水口，金刚石浓度7 5 ％，金刚石粒度5 0 ／6 0 目，钻 头胎体硬度H R C 2 0 ，钻进效果比较理想。 4 Z K 0 0 2 钻孔分层钻进及钻进工艺 4 ．1 开孔 开孔地层为第四系表土层，厚度0 ～4 ．6m ， D 1 1 0m m 钻头开孔钻进至孔深6m m ，下0 1 0 8m m 孔口管5 ．8m 。 4 ．2 一次换径 一次换径在孑L 深6m 处，由开孔孔径D 1 1 0m m 换为0 7 6m m 设计终孔直径钻进。在钻进至孔深 1 5 1m 处时，遇强破碎带，钻进时钻机负荷加大，电 动机电流突然变大，停车时有严重的回车现象；提钻 后发现钻杆上粘有大量的黄泥；下钻钻具不能到底， 孔壁坍塌、孔底大量积砂，钻进受阻。之后扩孔、换 径钻进、下套管。 4 ．3 二次换径 孔深6 1 5 1m 孔段，孔径由0 7 6m m 扩至0 9 1 m m ；过1 5 1m 后，仍用伪lm m 钻头钻进，至孔深 3 2 0m 处，确认穿过破碎带，地层已变完整后，下入 0 8 9m m 套管，隔离该孔段破碎带。 在穿过该段钻孔时，采用优质泥浆钻进，克服了 孔壁坍塌、掉块以及泥浆严重漏失的不利局面。用 时1 个多月，顺利地将套管下到孔深3 2 0m 处，为下 部的钻进创造了条件。 泥浆参数与性能使用高分子有机聚合物，聚丙 烯酰胺 分子量1 2 0 万单位 、防塌剂、护壁剂、 “8 0 1 ”堵漏剂。以泥浆池内1 0m 3 的水为基准溶剂， 加聚丙烯酰胺2 ．5k g 、防塌剂1 5 0k g 、护壁剂7 5k g 。 仪器实测泥浆的各项性能指标密度1 ．0 2g ／c m 3 、粘 度1 6s 、p H 值8 。 4 ．4 三次换径 套管下人孔深3 2 0m 处，换0 7 6m m 钻头钻进， 钻进至终孔深度1 9 3 0m 。第三次换径后，钻进工艺 参数的变化分为3 个阶段。 万方数据 2 0 1 0 年第3 7 卷第l l 期 探矿工程 岩土钻掘工程 2 1 第一阶段，为孔深3 2 0 ～1 0 0 0m 孔段，在该孔段 钻进，岩石基本完整，硬度不高，钻进参数如下 钻机转速视孔内情况，选择9 0 6r ／m i n 和5 7 7 r ／r a i n 两挡钻进，在确保钻孔和设备安全的前提下， 选择高转速； 钻压随钻孔的深度增加，逐步增大减压数值； 经过摸索，孔底钻头压力在8 一1 0k N 为安全经济钻 压； 泵量地层不漏失时选择5 7L ／r a i n ，地层漏失 时选择7 2L ／r a i n ；在钻进过程中还应视泵压表的变 化来控制泵量，当泵压在1M P a 以下时，可以适当地 加大泵量，当泵压在2M P a 以上时，应视情况适当减 小泵量。 第二阶段，为孔深1 0 0 0 1 7 0 0m 孔段，在该孔 段范围钻进，岩层比较复杂，必须集中精力操作，严 格控制钻进参数。各钻进参数如下 钻头转速钻具的润滑性良好，转速严格控制在 5 7 7r ／r a i n 或以下，严禁换高挡位钻进； 钻压孔底钻头压力控制在6k N 左右，不得随 意增加钻压； 泵量不论地层是否漏失，均选择7 2L ／r a i n 的 泵量钻进。 第三阶段，为孔深1 7 0 0 1 9 3 0m 孔段，在该孔 段范围钻进，属非常规操作钻进。此时的钻具重力 在1 5 0 1 8 0k N 之间，而钻机的极限减压能力最大 1 5 0k N 。也就是说，超过1 7 0 0m 减压钻进时，除了 利用钻机的液压系统减压外，还得使用升降机辅助 减压，这在钻探安全操作规程中是不允许的。 第三次换径后，全孔使用泥浆钻进。虽然孔内 漏失严重，但经过有效的堵漏，钻进时孔内的水位始 终保持在1 0 0m 左右。水位的提升保证了孔壁的稳 定、钻具的减振和岩粉的悬浮，从而大大地减少了孔 内事故隐患。孔内1 0 0m 以上无水位处，钻具采取 抹黄油的方法润滑。 孔深3 2 0m 以后钻进，未遇上复杂地层，因此， 泥浆的配制只使用了聚丙烯酰胺，另辅以润滑剂改 善泥浆润滑性能。 泥浆的配制聚丙烯酰胺0 ．2 5k g ／m 3 ，高效润 滑剂2 ．5k g ／m ’。 钻孔在6 0 0 ～6 2 0m 孔段，孔壁有两处经常出现 掉块。经分析，6 2 0 ～6 6 0m 换层为寒武系的水井沱 岩层，属隔水层。则6 2 0m 以浅岩层长期处于地下 水的侵蚀，加上在此处分层的上下岩层的不整合接 触，在侵蚀和应力的作用下，此处出现掉块属于正 常。对该处的处理方法，首先尝试频繁地提钻具超 过掉块部位，利用钻具的抽吸和泥浆的激荡作用破 坏孔壁，扫除残留掉块，但由于此处过于破碎，这种 处理方法效果不很理想。为此，只好采用水泥封孔 固壁。由于地层产状的缘故，层间水有一定的压力， 即所谓的承压水，钻孔钻穿隔水层至下部的含水层 后，必然会打破层间水的压力平衡，钻孑L 与大气相 通，由于压差的作用，下部的水就存在向上的顶力。 此时，用水泥封孔后，如果不采取措施，部分水泥浆 液就会被下部的水流稀释而不得凝固，也就达不到 封孔固壁的目的。解决的方法是灌注水泥时，待池 中的水泥浆抽完后，先用聚丙烯酰胺泥浆作为一部 分替浆水替浆 其作用是隔住上部水与水泥浆的混 合 ，再抽人计算好的替浆水用量，待水泥浆液灌注 到位后，在孔口进行补水或灌粘土泥浆进行反加压， 以抵消下部水的顶力，使水泥浆液在孔内处于静态 平衡的状态下凝固。该方法收到了较好的效果。 5 结语 湖北兴山磷矿复杂地层深孔钻探施工表明，针 对复杂地层的不同孔段必须采用合理的钻进技术， 合理选择钻进工艺参数。对破碎孔段采用优质泥浆 钻进，必要时可下套管稳定孔壁；对坍塌、掉块严重 的孑L 段采用水泥浆封孔固壁是稳定孔壁的有效措 施。 同时，合理选择绳索取心钻具，配制优质泥浆， 采取积极的攻关措施，利用X Y 一5 型钻机，才能够 完成复杂地层1 9 3 0m 深孔钻探任务。 参考文献 [ 1 ] 刘广志．金刚石钻探手册[ M ] ．北京地质出版社，1 9 9 1 ． [ 2 ]张春波，等．绳索取心金刚石钻进技术[ M ] ．北京地质出版 社。1 9 8 5 ． [ 3 ] 李世忠．钻探工艺学[ M ] ．北京地质出版社，1 9 9 2 ． [ 4 ] 许华松，罩强华，熊海书．J D 直连式深孔绳索取心钻杆的研制 与应用[ J ] ．探矿工程 岩土钻掘工程 ，2 0 0 8 ，3 5 1 0 3 3 3 5 ． 万方数据