西烏珠穆沁旗博和銅多金屬礦區大厚度破碎地層巖心鉆探技術

王洪濤　馬永吉　劉瑞年

摘要：內蒙古自治區西烏珠穆沁旗博和銅多金屬礦區內褶皺、斷裂較為發育。粉砂質泥巖、灰色砂礫巖夾泥質灰巖，巖石成巖不好，呈半固結狀態，并夾有1～3條破碎蝕變帶，膠結性差。鉆孔施工中孔內坍塌、掉塊、縮徑、憋泵、抱鉆、斷鉆等鉆探難題頻繁出現，給鉆探施工帶來諸多困難。通過改善沖洗液配方、采用Q系列鉆具跟管鉆進工藝、多級套管護壁、使用金剛石復合片鉆頭等技術措施，保證該項目大厚度破碎地層鉆探施工順利完成。

關鍵詞：大厚度破碎地層；Q系列鉆具；加重泥漿；復合片鉆頭；跟管鉆進；沖洗液護壁；套管護壁

Core Drilling Technology for Large Thickness Broken Formation in Bohe Copper Polymetallic Ore Field in West Ujimqin Banner

Key words： large thickness broken formation； Q series drilling tool；

weighted mud； PDC bit； drilling with casing； wall protection with drilling fluid； casing pipe wall protection

1. 概述

1.1 基本情況

內蒙古自治區西烏珠穆沁旗博和銅多金屬礦預查為內蒙古自治區地質勘查基金管理中心項目。工作區處于華北板塊與西伯利亞板塊之間的古亞洲洋構造域東部（一級構造單元）的西伯利亞地臺南緣增生帶與華北地臺北緣增生帶的最終碰撞接壤部位，區域內褶皺、斷裂較為發育。褶皺構造主要發育于晚古生代格根敖包組地層中，呈緊閉線性產出，推測樞紐走向北東向。褶皺性質為背斜。斷裂構造以北東向、北北東向為主，次為北西向、近東西向。斷裂構造一般長數十公里，小者數公里至幾百米，主要形成于古生代—中生代。礦體圍巖主要為花崗閃長巖，巖石普遍具硅化、絹云母化、高嶺土化和綠泥石化，在其破碎蝕變帶內主要蝕變為硅化。巖石可鉆性一般在1～5級，完整巖石有7級。礦區主要巖性自上而下依次為：

（1） 第四系全新統沖洪積物（Qhpal），分布較廣，由礫石、粗砂、粉砂、細砂等組成，地表為腐植土。

（2） 第四系上更新統阿巴嘎組（Qpa），巖性主要為致密塊狀、氣孔杏仁狀橄欖玄武巖、玄武巖、安山玄武巖。

（3） 新近系上新統寶格烏拉組（N2b），主要為粉砂質泥巖、灰色砂礫巖夾泥質灰巖，巖石成巖不好，呈半固結。

（4） 中二疊統哲斯組（P2z∧s），巖性主要為長石石英砂巖、生物碎屑灰巖，該套地層巖石組合為長石砂巖、粉砂巖、凝灰巖，上部較粗，下部粒徑相對較細。

（5） 上石炭—下二疊統格根敖包組（CPg），主要巖性上部為礫巖、雜砂巖、凝灰質粉砂巖局部夾雜砂巖及灰巖透鏡體，下部為安山巖、英安巖、火山角礫巖、沉凝灰質礫巖、安山質巖屑晶屑凝灰巖。

1.2 施工中存在的主要難題

1.2.1 粉砂質泥巖、灰色砂礫巖夾泥質灰巖，巖石成巖不好，呈半固結，巖石破碎、水敏性強，孔壁巖石易剝落，形成坍塌掉塊，易導致鉆探事故發生。半固結地層巖心見圖1，蝕變破碎帶地層巖心見圖2。

1.2.2 松散、破碎泥巖在沖洗液的沖刷和鉆具回轉振動作用下，巖心采取率很難保證。

1.2.3 該破碎地層分布廣，厚度大，一般為100m～350m，大部分孔段抗沖洗液沖刷能力弱，易坍塌。坍塌部分被鉆具碾壓擠碎的細小顆粒隨沖洗液返出并混入其中，嚴重侵害沖洗液性能，被簡單磨耗的略有強度的顆粒狀巖屑隨沖洗液上返至孔壁間隙變小處逐漸堆積，造成憋泵、抱鉆，無法正常鉆進。

1.2.4 該地層受沖洗液不斷的沖刷作用，重復剝落、坍塌后造成局部孔壁嚴重超徑，導致斷鉆事故頻發，事故處理時打撈工具與事故鉆桿對接困難，經常出現摸不著頭的情況，事故處理難度很大。

1.2.5 采用套管護壁時，套管受地層縮徑影響下放困難，受地層坍塌、膨脹的擠壓作用起拔困難。

2. 鉆進工藝

2.1 鉆探設備

該工作區采用的巖心鉆機為XY-44型1臺和XY-5型1臺，XY-44型鉆機施工設計深度低于500m的鉆孔，XY-5型鉆機施工設計深度高于500m的鉆孔。配套的鉆塔有HCX-13和HCX-18。配套的泥漿泵分別是BW-250一臺，BW-150兩臺（1臺備用），絞車規格為SJ-1000兩臺，YH30CGF型發電機組2臺，0.8m3攪拌機2臺，Φ93mm直連套管600m，Φ114mm外接箍套管400m，Φ146mm直連套管100m，鉆桿、鉆具由華勘局247隊鉆具廠生產，PQ系列、HQ系列和NQ系列若干。Q系列鉆具主要規格參數如表1所示。

2.2 鉆孔結構設計

該項目2014年末首次鉆探施工，由于對地層的破碎程度和施工難度估計不足，采用常規鉆孔結構為Φ110mm-Φ91mm-Φ75mm，在施工過程中出現井壁間隙小憋泵嚴重，鉆進效率低，套管下放、起拔困難，處理斷鉆事故后無法再次變徑的情況。經過分析、研究確定2015年采用鉆孔結構為Φ150mm—Φ122mm—Φ96mm—Φ76mm。在此鉆孔結構中，通過使用Q系列鉆具跟管鉆進技術，大幅度提高鉆進效率，減少沖洗液對井壁的沖刷、浸泡時間，降低井壁縮徑、坍塌的可能性，同時為套管的下放與起拔提供有利條件。

2.3 鉆頭的選擇[1]

開孔采用Φ150mm硬質合金鉆頭，PQ、HQ鉆具采用金剛石孕鑲鉆頭和金剛石復合片鉆頭（泥包地層使用減少糊鉆，有利于提高鉆進效率），NQ鉆具采用孕鑲金剛石鉆頭。跟管鉆進時，PQ、HQ鉆具充當套管時采用金剛石薄壁鉆頭。因巖石可鉆性級別低，孕鑲金剛石鉆頭選用鋸齒型高胎體鉆頭，有利于防止水口封堵、排除巖粉和提高鉆進效率。

3. 采取的技術措施

3.1 沖洗液的配置與維護技術[2]

該工作區地層根據破碎程度大體可以分為三部分：上部第四系（20m～50m）和粉砂質泥巖、灰色砂礫巖夾泥質灰巖成巖不好，呈半固結地層；中間夾雜的蝕變、水敏破碎帶地層；下部完整巖石地層（鉆進150m～200m即終孔）。

3.1.1 開孔及上部地層沖洗液配方為：1m3水+8%優質膨潤土（山東產）+0.2%火堿+0.1%～0.3%中粘-CMC+0.3%～1%腐植酸鉀+1%防塌劑（RH潤滑型）+1.5%皂化油。泥漿性能參數為：漏斗粘度30s，失水量8ml/30min～10ml/30min，泥漿密度1.08g/cm3，泥皮厚度<1mm。

該沖洗液能夠利用高分子材料的網狀結構和對孔壁巖石的吸附能力膠結巖石和封堵孔壁裂隙，腐植酸鉀的降失水作用使井壁泥餅薄而致密，護壁效果更好。

3.1.2 蝕變、水敏破碎帶地層沖洗液配方為：

1m3水+5%優質膨潤土（山東產）+0.1%火堿+0.1%～0.3%中粘-CMC+0.3%～1%腐植酸鉀+2.5%TM植物膠+0.25%GSP廣譜護壁劑+1%防塌劑（RH潤滑型）+2%重晶石粉+1.5%皂化油。泥漿性能參數為：漏斗粘度26s，失水量8ml/30min～10ml/30min，泥漿密度1.8g/cm3，泥皮厚度<1mm。

該沖洗液除具有上述性能外，還能夠平衡破碎帶地層地層應力，防止孔壁坍塌。

3.1.3 下部完整巖石地層沖洗液配方為：

1m3水+0.1%PAM+0.5%中粘-CMC+1.5%06型高效潤滑劑。

該沖洗液是充分利用高分子聚合物的造漿性好、懸浮力強、潤滑效果好及網狀結構對井壁的膠結黏附性能，容易在鉆桿與井壁間形成一層潤滑膜，起到潤滑減阻的作用，有利于開高轉速，提高鉆進效率。

沖洗液配置與維護措施[3]

（1） 泥漿材料提前預化處理。優質膨潤土要預浸泡10小時以上，而高分子材料只有長時間浸泡大分子長鏈才能充分展開，在沖洗液中發揮吸附和交聯作用，開始時，條件允許情況下預浸泡24h以上為好。

（2） 按順序添加，充分攪拌。為了最大限度發揮沖洗液的優良性能，攪拌時必須按先無機材料后有機材料，分子量由小到大的順序逐一添加，每一種添加劑嚴格按配合比加入后必須充分攪拌。從而避免因添加劑之間阻溶和交聯效果不好導致絮凝分離等現象。

（3） 泥漿凈化。泥巖地層鉆進產生的巖屑在鉆具的不斷碾壓下多數細小且密度接近膨潤土，在沖洗液循環過程中很容易融入其中，利用常規的沉淀方法難以清除，地面必須采取泥漿凈化措施保證其性能穩定。

（4） 嚴格做好上返泥漿性能測定工作，每班至少兩次，并認真記錄測定數據。復雜地層或發現井內異常適當增加測定次數。

（5） 嚴格控制泥漿性能指標，及時調整不符合鉆進要求的泥漿，確保泥漿有良好的護壁、堵漏、潤滑減阻、排粉等效果。

3.2 Q系列鉆具跟管鉆進技術

在大厚度破碎地層施工中，特別是夾雜蝕變層、水敏層較多時，靠沖洗液護壁難以完成鉆孔施工。該項目采用Q系列鉆具跟管鉆進工藝取得良好效果。Φ150mm合金鉆頭開孔一般鉆進20m，下入Φ146mm井口管。PQ鉆具使用薄壁鉆頭下入孔內，接鉆桿直至井口放入孔內，然后下入HQ鉆具鉆進9m，將鉆桿從立軸下打開，放入井內，PQ鉆具合上立軸鉆進至HQ鉆具下頭，從立軸打開放入孔內，再接上HQ鉆具鉆進，如此往復。根據地層破碎程度確定每次倒換地鉆進深度，相對穩定地層時，進尺多些，蝕變層和水敏層進尺采用3m一換，即一根鉆桿長度比較合適。如果發現鉆機回轉阻力較大或電流表顯示100A以上時，調制泥漿沖孔后上鉆下入Φ114mm套管，PQ鉆具正常情況下可以鉆進250m以上。下好Φ114mm套管后，按照上述方法使用HQ和NQ鉆具鉆進（HQ鉆具使用薄壁鉆頭），直至完整巖石下入Φ93mm直連套管。變徑NQ鉆具鉆進至終孔。此鉆進工藝的優勢是因地層破碎嚴重，巖石可鉆性級別低，跟管鉆進容易，鉆進效率高，能夠避免沖洗液長時間對孔壁的沖刷和浸泡破壞，以及鉆具回轉過程中對井壁的擾動破壞。

3.3 提高巖心采取率的措施[4]

（1） 嚴格檢查鉆具配合間隙和靈活程度，卡簧座與鉆頭內胎體距離控制在2mm～3mm，彈卡活動間隙控制在2mm～3mm，每次投放內管前檢查總承彈卡和回轉軸承是否工作正常。

（2） 鉆進過程中保持壓力均勻，嚴禁隨意增減壓和提動鉆具，造成巖心重復破碎或壓縮，降低巖心采取率。發現巖心堵塞及時提鉆，以減少巖心的非正常磨耗。

（3） 不打懶鉆，嚴格控制回次進尺，一般不超過1m。

（4） 嚴格遵守沖洗液檢查制度，按配置要求使用維護好的沖洗液鉆進。

（5） Q系列跟管鉆進時，根據地層穩定情況盡量控制兩種鉆具每次倒換的進尺米數，一般控制在3m～9m合適。

3.4 多級套管護壁技術[5]

使用套管把大厚度破碎地層隔離開，是行之有效而又最為可靠的護壁堵漏方法。該礦區多數鉆孔采取下1～2級套管，有的甚至要下3～4級套管方能保證正常施工。從護壁的可靠性和經濟性綜合考慮，多級套管護壁技術措施應做到：

（1） 根據技術要求和地層情況認真做好每個孔的結構設計，明確各級套管的下入目的與深度。

（2） 全面考慮套管的起拔難度和套管事故的處理方法，現場準備好起拔設備和處理工具。

（3） 下放套管時，必須注意絲扣的擰緊程度。為了順利起拔，套管外要涂抹潤滑材料，一般采用石墨和鋰基脂黃油混合液。

（4） 套管下好后，必須做好各級套管之間的密封工作，防止巖粉沉積增加起管阻力。

3.5 鉆進操作注意事項

（1） 嚴格按操作規程施工，采用合理的鉆進技術參數。堅決杜絕為了追求進尺盲目采用大規程鉆進參數鉆進。鉆具升降操作要平穩，鉆具提升過快，鉆具對孔壁產生的抽吸作用越強，容易引起不穩定孔壁坍塌掉塊和疏通孔壁裂隙引起鉆孔漏失；鉆具下降越快，產生的動壓越大，容易壓裂地層，加劇鉆孔地層漏失[6]。

（2） 取心和上大鉆時必須做到隨提隨回灌，使液柱壓力穩定平衡地層壓力來保持孔壁穩定，避免孔內液柱降低，破壞孔內壓力平衡，造成孔壁坍塌。

（3） 鉆進時泥漿性能維護要做到勤檢查、勤調換、少調換。如果泥漿性能確實變差，必須大幅度的調換泥漿時，要分次更換，不要使更換后的泥漿性能與更換前的泥漿性能相差懸殊影響護壁效果。

（4） 在設備維修和其他原因停鉆時間較長時，必須將鉆具提到地面或確認安全孔段，防止夾鉆、卡鉆事故的發生。

4. 經驗體會

（1） 合理的鉆孔結構是保證鉆孔順利完成的基礎。多級套管操作雖煩瑣，卻是大厚度破碎地層維護孔壁穩定和穿過多層破碎蝕變帶的可靠辦法。

（2） 充分了解破碎地層孔壁不穩定的原因，比如地層結構破碎，不完整，膠結性差，裂縫發育；沖洗液的沖刷和浸泡破壞；施工過程中操作不當等因素。利用現場簡易實驗室進行有針對性的配置沖洗液[7]。

（3） 使用Q系列跟管鉆進工藝有效解決大厚度破碎地層無法連續鉆進的技術難題。

5. 結語

在大厚度破碎地層鉆探施工中，鉆孔護壁是關鍵，配置沖洗液優先考慮其性能要能夠提高破碎巖塊之間的膠結力、快速封堵地層裂隙形成完整孔壁、在孔壁表面形成薄而致密泥餅及適當的提高沖洗液密度平衡地層壓力等因素，不同配方的優質泥漿是保證正常施工的前提。采用Q系列跟管鉆進工藝和金剛石復合片鉆頭大大提高鉆進效率，從而減少沖洗液對孔壁的沖刷和浸泡時間，為套管的下放創造有利條件。利用套管維護孔壁的穩定是最安全最可靠的手段。該項目套管能夠順利下放到完整巖石上，后續工作就迎刃而解了。

參考文獻：

[1] 楊春.軟巖鉆進用新型復合片鉆頭的研制與應用[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2010，37（12）：74-76.

[2] 烏效明，等，鉆井液與巖土工程漿液[M].湖北武漢：中國地質大學出版社，2002.

[3] 孫丙倫，陳師遜，陶士先.復雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術探討與實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，35（5）：13-16.

[4] 宋端正.豫東地區中深孔厚覆蓋地層鉆探套管護壁和泥漿護壁效果對比[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2012，39（1）：44-46.

[5] 翟東旭.甘肅西和大橋金礦區復雜地層鉆探施工實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，40（8）：6-9，17.

[6] 劉炳志，王英.康家灣鉛鋅礦區ZK1122號孔鉆探技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（9）：42-45.

[7] 胡繼良，陶士先，紀衛軍.破碎地層孔壁穩定技術探討與實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（9）：30-32，64.

[8] 周富華，徐學員.內蒙古西烏珠穆沁旗道倫達壩銅多金屬礦成礦特征認識和礦體成因初探[J].西部資源，2013（06）.

[9] 范立新，李世杰，樊彥紅.內蒙古西烏珠穆沁旗哈日根臺礦區銀鋅多金屬礦礦床地質特征及成因初探[J].西部資源，2015（06）.