山西腰站矿区复杂地层斜深钻孔施工技术

时间：2013-11-29 分类：机械

摘 要：对于山西腰站矿区复杂地层漏失、破碎、缩颈十分严重，对于孔深1750米、斜孔75°在该矿区施工难度更大，而获得成功。本文重点介绍该施工技术措施，供大家借鉴。

关键词:深孔;斜孔;破碎;坍塌;缩颈;漏失严重;钻探施工禁区;施工技术;

1、概述

1.1、工程概况

山西灵丘县腰站铁矿普查(续作)项目是山西省国土资源厅〔2011〕229号文批准的地质勘查项目，由山西省地质勘查局二一七地质队承担该工作任务。在该矿区设计13个钻孔。其中最深钻孔zk6003，设计孔深1750m，方位角160°，倾角75°，坐标位置X：4368284.7，Y：38537831.80。斜孔75°，孔深1750m，属于超深斜孔，这样的钻孔在全国钻探领域里施工中并不多见;而且矿区地层复杂;该钻孔位置海拔1780m，气候干燥、寒冷(年平均气温6.9℃)水源贫乏; 施工难度很大。因河北省地矿局承德地质四队探矿技术研究院在深孔钻探施工领域中有一定的经验，2007年在金刚石绳索取心小口径钻探领域中曾突破全国最深孔深记录，而成为当年地勘行业领域中全国十大新闻之一，而后多次突破过河北省钻探孔深最深记录，故山西省地质勘查局二一七地质队找到我单位寻求施工支持。我单位承担了该矿区的ZK6003孔施工工程。

1.2、地层状况简介

矿区地层主要为上元古界长城系高于庄组，蓟县系、雾迷山组、杨元组，青白口系望望狐组，侏罗系后成组地层。

从上到下6个岩性段：

第一段， 第四系(Q)地层，岩性为灰褐色-黄色粘土，亚砂土，砂砾石，厚度15m左右。

第二段， 侏罗系后城组二段(J3h2)

岩性：砂砾岩、凝灰质砾岩、砂岩、膨润土。

总厚度：10-54m间

第三段， 青白口系望狐组(Qnw)

岩性：燧石角闪石岩，含砾石石英。倾角16-20°，厚度在82m左右。

第四段， 蓟县系雾迷山组(Jxw)和杨庄组(Jxy)

岩性：含燧石条带泥晶，粉晶白云岩，石英砂岩，细砂岩砾岩，白云岩

厚度：430-540m。

第五段， 长城系高于庄组(Chg)

岩性：沙砾屑白云岩，灰质页岩，较破碎，偶见砂砾屑

倾角26-65°，局部可达80°，厚度220-750m, 断裂构造发育。

第六段， 五台群金刚库组(W1j)

岩性：变粒岩，片麻岩，角闪岩夹磁铁石英岩等，产状345°∠70°,该套地层厚度在该地区应大于884m, 为主要控矿地层。

2、钻探施工中的难点

(1)钻孔孔深超深(1750m)，设计孔斜较大(75°)，而且1750米斜孔如何做到防止偏斜，保证钻孔质量?成为本钻孔施工难点。

(2)钻探所在位置，地层复杂，区内构造主要有三大类：脆性断裂构造、褶皱构造、节理裂隙构造发育;根据地质演算，矿层埋深831m左右, 矿层以上部分全孔漏失，掉块、坍塌、缩颈十分严重;海拔较高、水源贫乏、岩石破碎，可以说是钻探施工禁区。

兄弟单位以前在此矿区施工，曾有多个钻孔不成功。我单位8月份到场，第一个钻孔钻至320米时，因地层漏失严重，拉水供应不能满足需要，地层破碎，坍塌缩颈而造成埋钻事故，经简单处理，进展缓慢，综合考虑后选择挪孔，重新开孔。

面对困难，我们不可气馁!想尽办法，坚定信念必须成功。针对施工中所遇到的种种难题，总结失败教训，仔细研究地层特性，在钻探工艺上进行改进和探索。从管理方法、钻孔结构、堵漏方法、泥浆配比，钻进技术参数等方面着手，顺利完成该工程，较好的解决施工中遇到的一切问题，受到了业主和同行们的高度评价和认可。现把ZK6003孔施工经验和技术措施介绍如下，供大家讨论借鉴。

3、针对山西腰站矿区ZK6003孔复杂地层深斜钻孔施工经验和技术措施

3.1、加强人员组织管理

我们抽调有多年施工经验技术人员和机、班长组建队伍，多次技术研讨后，确定施工方案。加强班组管理，强调施工难点，提高全体职工思想意识。严格规范班组交接班制度，尤其是对钻孔内钻进情况、技术参数，必须严格记录，交接清楚。根据孔内地层变化及时调整施工技术方案。

3.2、钻探设备选择及钻孔结构设计

3.2.1设备选择

根据钻孔设计孔深，选用了连云港黄海探矿机械厂生产的HXY-6B型钻机。钻进能力为(∮75钻杆)可达2000米，重量4.36吨，最大扭矩7800牛.米。钻塔选用张家口探矿机械厂生产的23米加重斜塔，天车有效负荷23吨，最大负荷30吨。水泵选用BW-250型泥浆泵和BW-320泥浆泵两种，孔深850米以前用BW-250泵，超过850米以后用BW-320泵。以上设备选择完全能满足施工要求。

3.2.2孔径设计和绳索取心工艺选择

根据地质提供的地层状况和以往深孔施工经验确定钻孔结构为：

开孔∮150mm合金钻头钻进,钻至15m左右穿过第四系地层时，下∮146mm套管,作为开孔定向管;变径∮130mm金刚石钻头单管钻进穿过第二套地层至83m时, 下∮127mm套管;变径∮110mm金刚石钻头单管钻进穿过第三套地层至253m, 下∮108mm套管;变径∮95mm金刚石钻头双管绳索取心工艺钻进至833m, 下∮89mm套管;变径∮75mm金刚石钻头双管钻进至1750m终孔。此套绳索取心工艺技术，级配相当合理，是我院在承德大乌苏沟矿区深孔施工中所采取的，该施工工艺曾获得2008年度河北省国土资源厅优秀成果一等奖。#p#分页标题#e#

3.3、改变供水方案，确保施工供水

由于该孔位海拔过高，周围水源贫乏，以前钻孔施工多采用拉水施工。但钻孔漏失严重，对于这样钻孔施工，拉水无法保障水源供应。为了正常生产217地质队腰站项目部经勘查后在附近沟谷打一眼400米深水井，作为水源井。在海拔1600米处，架设2级泵站，直接送达机场。总计供水管路长达1300m左右，管径50㎜。这样基本能满足机场施工供水要求。

3.4、钻探施工技术措施及难点对策

施工总体原则是根据不同地层岩性，采取不同的口径钻进;不同口径钻进，采取不同的方法，具体地段具体分析，采取相应施工措施。

3.4.1、第四系地层∮150mm合金钻头钻进措施

开孔时主要为灰褐色-黄色粘土，为防止坍塌和缩颈，采用干钻的方式钻进，少钻勤提。当碰到砂砾石时，采用高固相泥浆或投泥球护壁钻进。孔底漏失严重时，采用顶漏钻进，从空隙中人工浇注高固相泥浆，达到护壁防塌作用。超过砂砾石层立即下∮146mm套管进行护孔。

3.4.2、单管金刚石钻头钻进措施

本段地层主要为砾岩、凝灰岩砾岩、砂岩、含有膨润土，漏失、坍塌、缩颈比较严重。

3.4.2.1、采用高固相泥浆进行护壁钻进。

泥浆配制方法：根据地层性质，配置相应性质的泥浆。泥浆主要成分为：新疆产的优质钠基膨润土+碳酸钠+羟甲基纤维素+GSP广谱护壁剂+植物胶，配制时一定要注意成分的添加顺序:膨润土—碳酸钠—纤维素—GSP — 植物胶，每一种添加剂加入后要保证15分钟的搅拌。钻进参数控制：钻进时尽量减少提钻次数，但感到孔内异常时必须立马处理。采取轻压慢转，尽可能减少提下钻和孔内振动对孔壁造成的破坏。孔底压力应控制在10-20kN;正常转速采用3档217转/分钟;泵流量控制在50-80L/min范围内，泵压应在2.0-3.0Mpa。

3.4.2.2、实际钻进时特殊情况处理

钻进到70m左右时，出现缩颈，坍塌十分严重现象，我们采取快干水泥灌孔护壁法。孔深到80米时岩层稍微完整立后，马下∮127mm套管护孔。孔深350米时遇见较完整岩层，下∮108mm套管护孔。特殊地段坍塌、破碎比较严重时，采用灌注水泥护壁法。在830米以前曾使用7次。灌注水泥护壁法：为保护泥浆泵，我们采用人工从钻杆内灌注。精确计算准提浆水用量，再用泥浆泵及时送入孔内。严重破碎地层灌注水泥时，为保护孔壁完整，钻杆不准带扩孔器。

3.4.3、金刚石绳索钻进措施

本段岩性主要为砂岩、砾岩、白云岩、石英砂岩、灰质页岩等。难点主要是破碎严重、漏失情况复杂点多、段长。采用金刚石绳索钻进工艺。

3.4.3.1、绳索取心830m以前泥浆配制

保障绳索取心钻探技术顺利实施的关键是钻井液的使用。我们采用低固相钻井液，配制方法：清水(1m)+新疆优质膨润土(-200目 )(2%-3%)+纯碱(0.1-0.2%)浸泡—制成原浆+ 植物胶(1%--2%)+防塌剂(0.5%-1%)+ CMC(0.1%-0.2%) +PHP(0.5%-1%)—搅拌均匀。

泥浆性能参数：密度1.05g/cm³，胶体率98%以上，粘度31s,失水量10-15ml/30min。

根据孔内情况可以适当调整添加剂的成分含量。

3.4.3.2、绳索取心830m以前钻进参数选择

岩层比较破碎，为减少钻杆对孔壁产生较大扰动，钻压不宜过大，应控制在10-20kN范围为宜;钻速控制在250-350r/min之间;为冷却钻头满足孔底排渣需要，泵量应控制在50-80L/min。漏失严重时我们采取顶漏钻进，暂不做处理。过了破碎段再做调浆堵漏护壁或灌注水泥处理。但顶漏钻进时必须密切注意水泵工作情况，电流变化以免发生烧钻事故。

ZK6003孔因为全孔基本是全部漏失状态下施工的，为确保钻头冷却，每回次下钻开车前冲孔时间多少的确定成为难题，有时根本无返水，无法根据返水情况确定冲孔时间的长短。冲孔时间过长，耽误生产进尺;冲孔时间过短可能造成烧钻事故，因为钻孔太深。我们采用下面公式进行确定预冲孔时间：

预冲孔时间=k×0.2×(H-h)×q÷Q+2

K=1.5为常数

H为孔深

h为静水位

Q为泵量(一档水量取52L、二档水量取90L)

q为钻杆容积

3.4.3.3、绳索取心830m后钻进参数选择和泥浆配制

当钻进至830m左右时岩层出现变化，我们下∮89mm套管。变径∮75mm绳索取心钻进。此段地层岩层相对比较完整，我们调换了泥浆，采用无固相钻井液，配制方法：清水(1m³)+ 植物胶(1%--2%)+防塌剂(0.5%-1%)+CMC(0.1%-0.2%)+ PHP(0.5%-1%)—搅拌均匀。

泥浆性能参数：密度1.02g/cm³， 失水量10-18ml/30min, Ph值8。

本段施工相对比较顺利，但因孔深较深，为了防止偏斜，保证质量，我们减压吊打，控制进尺速度。钻压、转速、依然选择较小的范围内。

4、结束语

山西腰站矿区ZK6003孔施工，历时6个月胜利终孔，钻孔质量完全符合地质要求。受到业主和兄弟单位给予我们很好的评价。总结本次施工经验主要有以下几个方面：

本次钻孔施工采取了多种钻探施工方法：无泵钻进、单管钻进、双管绳索钻进、顶漏钻进等多种钻进方法。根据地层变化，岩层性质选择了水泥护壁、高固相泥浆、低固相泥浆、无固相泥浆等多种泥浆施工方案。#p#分页标题#e#

深孔施工中一定要稳中求进，切不可冒失求快。必须应根据地性变化，岩层特点确定施工方法，决不可千篇一律、也不可一成不变。钻孔结构尽可能采用多级套管，一旦孔内发生事故，就多一次扩孔处理的机会。本孔施工中就先后两次进行扩孔处理，达到预期目的。

山西腰站矿区地层复杂，破碎、缩颈、漏失是本次施工最大题难。倾角75°、孔深1750米，加大本次施工困难，使原本复杂破碎的地层，增加掉块坍塌的可能性，加大施工难度。这样的钻孔也是我队多年钻探施工中极为罕见的。不同的地层使用不同性能的泥浆配比、采取不同的钻进方法是本次取得成功的根本。

在深孔施工中人员管理也极为重要;尤其是在钻井液循环使用中必须做到配置要科学，使用要规范;钻进参数一定要选择合理，不可盲目求快。

参考文献：李振学.南坪矿区复杂地层深孔钻进技术研究〔J〕. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2010,37(12).