河南栾川地区金钼矿复杂地层深孔岩心钻探技术_华伶利.pdf

2023年第1期新 疆 有 色 金 属河南栾川地区金钼矿复杂地层深孔岩心钻探技术华伶利 顾科伟 刘蓓（中国地质调查局西安矿产资源调查中心，陕西西安 710100）摘要：栾川地区南坪金钼矿区地层复杂，通过实施1500m深孔岩心钻探工程，针对硬脆碎、坚硬打滑和蚀变碎裂水敏性泥质等地层特点，探索应用PQ绳索取心钻具，研究优化钻头设计和选择应用条件，在强蚀变、水敏泥质地层试验植物胶冲洗液，总体上简化了钻孔施工工序和钻孔结构，有效控制了钻孔施工安全风险，确保了钻孔顺利钻进至1560.18m完钻，基本解决了钻探效率低、钻头寿命短和岩心采取质量等问题，获得了很好的经济效益。关键词：深孔；地质岩心钻探；冲洗液；破碎地层；金刚石钻头1 工程概况1.1 交通地理工作区隶属河南省栾川县狮子庙乡，河南省栾川县红庄元岭金矿详查登记区，工作区面积39.63km2。矿区位于三门峡市东南 90km 处，自矿区向北经洛宁县至三门峡市火车站运距 150km，距洛阳市 170km，矿区与各市县均有公路相通，交通便利。1.2 地质条件河南栾川南坪矿区整体处于马超营大断裂中，区内四条大断裂横贯全区。南坪矿区东47勘探线以东为金矿段，55勘探线以西为钼矿段，4755勘探线为金钼矿交接矿段，深度千米以内岩性主要以泥岩、砂砾岩和安山岩为主，深度千米以外岩性主要为花岗岩。千米以内的岩石受地应力作用破碎成大小不等的安山岩碎块、碎屑和胶泥，其余呈粉末状，胶结物为绢云母、绿泥石、蚀变岩碎屑，特别是钼金矿接触带地层多为碎裂安山岩，碎裂结构，角砾构造，角砾多为安山岩碎块、碎屑及石英块，胶结物多为安山岩碎屑及少量硅质，胶结疏松，主要蚀变多为高岭土化、绿泥石化、绿帘石化、硅化、碳酸岩化和钾化。地层总体稳定性差，遇水易膨胀、崩塌，工作区地层情况见图1。1.3 钻孔技术要求钻孔位于石瑶沟矿段，ZK5507设计为直孔，孔深设计1500m。地质技术要求如下：（1）取心质量：围岩岩心采取率不低于 65%，矿心回次采取率、分层采取率均不低于80%。厚大矿体内部矿心采取率低于 80%的连续长度不能超过5m，否则应采取补救措施。（2）钻孔弯曲度：每钻进100m以及终孔时必须进行弯曲度测量，采用电子测斜仪测量方位角和顶角，连续测定 2次取平均值，顶角偏斜不得超过 2/100m，方位角可不测，若钻孔偏斜与设计出入较大时，应及时采取纠斜措施1。（3）孔深校正：每钻进100m，主要矿层前后及主要标志层、下套管前和终孔后，必须进行井深验证。（a）硬脆碎地层岩心（b）碎裂泥质地层岩心图1工作区地层情况DOI:10.16206/ki.65-1136/tg.2023.01.007192023年第1期新 疆 有 色 金 属（4）终孔要求：钻孔终孔口径不小于60mm，并按地质和规范要求封孔。2 施工技术难点ZK5507钻孔施工技术难点主要为：一是易发生夹、卡和埋钻事故，地层中粉砂岩、砂砾岩及碎裂蚀变岩层厚度大，钻进中产生的岩屑颗粒大，冲洗液难以带出地表，易在钻具和孔壁间隙变化位置堆积，引起冲洗液通道阻塞，岩粉无法正常排出，而造成卡、埋钻等孔内事故。松软散孔段地层易散落或坍塌，坍塌后造成孔壁超径，形成“悬塘”，断钻事故频发，而且不利于断钻事故处理度；二是地层漏失严重，矿区断裂纵贯全区，地层裂隙、次裂隙发育，钻孔漏失层重复出现，治理难度大；三是岩心采取困难，钻遇泥质地层、蚀变碎散破碎带时，岩心受冲洗液冲刷易水化分散，严重扰动岩心原状结构和强度，造成岩心采取率低；四是岩石可钻性级别范围大，浅层以松软散地层为主，中深层以硬脆碎地层为主，深部以坚硬打滑地层为主，对冲洗液护壁性能和高效碎岩钻头选择提出更高的要求。3 钻探工艺3.1 钻孔结构钻孔结构设计要充分考虑地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和钻探设备情况，并合理选择开孔直径、换径次数与深度、套管级数。ZK5507 孔采取“三级套管四径成孔”工结构，即 150-PQ-HQ-NQ四级成孔，14611489三级套管，最终实钻孔深1560.18m，钻孔结构及套管程序见图2。图2钻孔结构及套管程序3.2 设备选择考虑钻孔设计要求和地层条件，以及减预防和少孔内事故等需要，选择采用XY-6B型立轴钻机，并配套 GS23 型钻塔，主要配套设备为 BW-250 泥浆泵、JS-3000 取心绞车、NJ-600 型泥浆搅拌机和KXP-2D型电子测斜仪。3.3 钻具组合结合钻孔结构设计，采用合适的钻具和钻头，以获取较高的钻进速度和较好取心质量，具体钻具组合如下：一开：150mm金刚石钻头（薄壁）/PDC钻头/合金钻头+3m岩心管（单管）+变径接头+114mm绳索钻杆。二 开：122mm 金 刚 石 绳 索 取 心 钻 头+122.5mm下扩孔器+3m绳索取心钻具总成+122.5mm上扩孔器+弹卡室+弹卡挡头+114mm绳索钻杆三开：96mm 金刚石绳索取心钻头+96.3mm下扩孔器+3m绳索取心钻具总成+96.3mm上扩孔器+弹卡室+弹卡挡头+89mm绳索钻杆四开：76mm 金刚石绳索取心钻头+76.5mm下扩孔器+3m绳索取心钻具总成+76.5mm上扩孔器+弹卡室+弹卡挡头+71mm绳索钻杆3.4 钻进方法基于钻孔设计和钻具组合，并结合实钻地层情况对钻孔结构深度进行调整优化，各级口径钻进工艺方法如下：一开：采用 150mm单管 PDC取心钻头和金刚石钻头的钻进方法，配合膨润土纤维素冲洗液护壁，按照钻孔结构设计钻进至48.0m，穿过表土覆盖层及第四系层，判断已到达较完整的砂砾岩层，下入 146mm护壁套管48.3m，封井口，换下一级口径钻进。二开：采用PQ口径（122mm）金刚石绳索取心钻进方法，配合植物胶冲洗液护壁，钻进至215.5m，穿过砂砾岩及碎裂蚀变岩层，选择较稳定的地层，下入114mm钻杆216.0m，以保护松散易坍塌的碎裂蚀变孔段地层，封井口，换下一级口径钻进。三开：采用 HQ 口径（96mm）金刚石绳索取心钻进方法，配合植物胶冲洗液护壁，钻进至675.5m，穿过强蚀变、水敏泥质地层，判断已穿过设计的第一矿层，至较坚硬的安山岩地层，下入89mm护壁套管676.0m，封井口，换下一级口径钻进。四开：采用NQ口径（76mm）金刚石绳索取心钻202023年第1期新 疆 有 色 金 属进方法，由于深部岩石完整性较好，且硬度较高，地层 总 体 稳 固，采 用 无 固 相 冲 洗 液 裸 孔 钻 进 至1560.18m，并穿过第二矿层，顺利终孔。绳索取心钻进阶段各开次钻进参数范围见表1。3.5 冲洗液冲洗液的选择必须根据预测地层特点、钻进方法、钻孔深度、工程要求正确选择冲洗液的类型。根据ZK5507地层地质预测情况，需准备膨润土、植物胶、纯碱、羧甲基纤维素纳、聚丙烯酰胺钾盐、PAB干粉、磺化沥青、801堵漏剂、皂化油和锯末等材料。（1）开孔松散覆盖层使用膨润土纤维素冲洗液配方：58%膨润土+0.25%纯碱+0.3%磺化沥青+0.3%羧甲基纤维素纳+0.016%聚丙烯酰胺钾盐，若漏失加入锯沫 5kg/m3。冲洗液基本参数：漏斗粘度23s，失水量810ml/30min。（2）泥质、砂砾岩及碎裂蚀变岩层使用植物胶冲洗液配方：4%膨润土+0.25%碳酸钠+2.5%TM 植物胶+0.3%羧甲基纤维素纳，漏失可加入锯沫5kg/m3，压力平衡钻进可加入重晶石粉提升冲洗液比重。冲洗液性能参数为：胶体率90%以上，漏斗粘度28s，失水量812ml/30min，泥皮厚度小1mm。（3）硬脆和较完整地层使用PAB无固相高分子冲洗液配方：11.2%PA 粉+0.24%PB 粉。首先分别预溶PA粉成5%的溶液、预溶PB粉成1.5%的溶液，浸泡24h后，按照配方规定的浓度配制。冲洗液基本参数：漏斗粘度22s，失水量6.68ml/30min。4 技术措施及取得成效4.1 P口径绳索钻具应用南坪矿区地层复杂，特别是ZK5507钻孔，因该孔地表浅层风化严重，含有绿泥化蚀变、碎裂岩和角砾岩等地层，若采用传统的单管钻具（130mm、110mm）钻进或扩孔2-3，涉及到钻进和扩孔工作量增加，成孔工序复杂，钻探施工效率低，且钻孔质量和安全风险增大。为解决以上问题，试用P口径绳索取心钻具4-5，配套114mm绳索取心钻杆，该系列绳索钻杆也可当做套管使用，甚至发生严重卡钻事故后直接作为护壁套管，可先采用下一级口径（H口径）施工完毕，最后处理卡钻事故，降低了因井内事故引起钻孔报废的概率。试验效果：在蚀变碎裂岩和高岭土化孔段，采用底喷金刚石钻头+PQ绳索取心钻具钻进方法，施工钻进240m，与单管钻进相比，岩心采取率由50%提高到98%，基本解决了浅部复杂地层的岩心采取问题。试验应用中发现岩屑或泥质胶结物易堵塞钻头水眼，经研究将钻头底喷水眼适当增大，基本解决了岩粉和泥质地层钻进的堵塞问题。通过应用PQ绳索钻具，确定了浅部复杂地层大口径钻进技术可行，精简了施工工序和钻孔结构，降低了钻孔安全风险和套管用量，极大提升了施工生产效率6，获得了很好的经济效益。4.2 钻头选择和优化在该矿区使用普通金刚石钻头钻进，钻头的寿命和钻进效率低、钻探异常损耗快，经对矿区地层与钻头适用性进行分析研究，认为该钻孔不利钻进的地层大致分为三类：硬脆碎地层、坚硬打滑地层和蚀变碎裂泥质地层7-8，并针对不同地层优化钻头应用。在硬脆碎地层钻进，金刚石钻头胎体在回转切削过程中不连续，造成胎块冲击损坏，应尽可能提高耐磨性和抗冲击性能，并保证金刚石切削出刃效果。因此，设计了适用于硬脆碎地层钻进的孕镶金刚石梯齿形钻头9，钻头硬度3035，胎体强度1000MPa、抗冲蚀性达28L/cm2、抗冲击韧性达到5J/cm3。在以安山质蚀变碎裂岩为主的760808m孔段进行试验，该孔段石英脉和裂隙较为发育，通过试验应用发现，钻头使用寿命提高了 40%，效率提高了 2030%，经实践该钻头在硬脆碎地层条件下使用寿命和钻速较为理想。在坚硬打滑地层试验应用“表孕镶”钻头（混镶钻头）10，钻头胎体采用表镶颗粒人造金刚石孕镶人造金刚石热压而成，表镶粒径810目的人造金刚钻具口径PQHQNQ钻压/kN1525815612转速/rpm225360360490360730泵量/Lmin1658040653245冲洗液类型植物胶冲洗液、PAB植物胶冲洗液、PABPAB表1钻进参数212023年第1期新 疆 有 色 金 属石颗粒，孕镶 1640 目金刚石颗粒，浓度 100%150%，钻头胎齿设计采用交错布齿方式。钻孔钻进至花岗岩地层，岩石可钻性为 10级，对这类坚硬打滑地层，使用普通金刚石钻头，钻头寿命约为 20m/只，机械钻速不足0.5m/h，使用硬度2530“表孕镶”钻头，钻头寿命可达 4050m/只，机械钻速达到1.12m/h。在强蚀变碎裂泥质地层试验应用底喷金刚石钻头。强蚀变碎裂泥质地层具有松散软碎的特点，冲洗液冲刷易分散，针对这种地层特点，采用底喷式钻头+无水口卡簧座，避免和降低冲洗液直接冲刷岩心，对岩心造成扰动，以提高取心质量。可根据钻进需要，不同开次选择相应口径的底喷钻头。在较完整、岩石硬度为中等及以下的地层试验应用孕镶金刚石高胎体钻头，钻头胎体工作层高度大至22mm，比普通金刚石工作层高度增加30%，钻头对比见图3。在808924m孔段进行钻头试验，岩性以蚀变安山岩为主，局部破碎，地层总体相对较完整，高胎体钻头最高进尺达到116.51m/只，平均寿命为7080m/只，钻头使用寿命提高了2倍多，钻头每米造价成本降低了13%，减少了换钻头次数，纯钻台时明显提高。图3高胎体钻头与普通钻头通过以上不同地层，选用不同参数金刚石钻头试验应用和效果对比分析，高胎体钻头在较完整地层中钻进有明显的优势，在硬脆碎地层易发生高胎体折断。在硬脆碎地层使用设计的孕镶金刚石梯齿形钻头，抗破碎冲击能力强、胎体硬度适中，能保证金刚石正常出刃，钻进效率和钻头使用寿命较理想。对坚硬打滑地层使用设计的“表孕镶”钻头，可获得较高的钻速，对强蚀变碎裂泥质地层可选择使用底喷钻头，以提高岩心采取率。4.3 植物胶冲洗液应用应用实例一：在45110m孔段，地层主要为褐铁矿化蚀变安山岩、断泥层和英安岩，绢云母化、硅化、绿泥石化、高岭土化比较严重，中间有4.8m厚的断层泥，且裂隙较发育，此段孔壁极易破碎坍塌，并且有局部漏失，取心比较困难。使用植物胶冲洗液后，平均钻速提高30%，孔内冲洗液返出量及携带岩粉能力大幅提升，全孔段未发生坍塌、掉块等事故，岩心平均采取率大于85%。应用实例二：在545555m孔段，地层为强蚀变、水敏泥质地层，钻进施工中钻孔孔壁发生坍塌，采用扫孔、捞粉方法处理，发现钻进深度越扫越浅的现象，甚至造成泵压升高，无法正常扫孔，经反复研究采用加重冲洗液钻进，平衡地层压力，植物胶泥浆中加入 1.5%的重晶石粉，泥浆比重为 1.12g/cm3，经过36h扫孔，钻头到达钻进孔底，且提下钻具畅通。正常钻进至650m，提钻换钻头后钻具不能正常下至孔底，但能顺利扫至孔底，并正常钻进，最终成功穿过该段复杂地层。植物胶冲洗液配制及使用注意事项：（1）对冲洗液材料进行实验室品质鉴定，材料达不到规定性能，慎重使用；（2）膨润土基浆必须预制浸泡；（3）冲洗液配制要特别注意添加顺序，必须按先无机后有机，分子量由小到大等顺序添加；（4）冲洗液搅拌时间要充足，每一种添加剂加入后至少要保持1015min搅拌；（5）做好冲洗液性能维护，特别不能受雨水污染，严防地下水稀释；（6）取心、提下钻，必须做到及时回222023年第1期新 疆 有 色 金 属灌，保持孔壁压力平衡11。5 钻孔施工质量ZK5507终孔深度1560.18m，终孔口径76mm，孔底方位31.6，顶角2.7，全孔岩心平均采取率97.6%，以上质量均符合规范和地质设计误差要求。钻孔历史工期 83d，纯钻时间 53.1d（64%），辅助时间 28.2（34%），机故时间1.7d（2%），钻孔施工全过程无重大故发生，平均机械钻速1.2m/h，施工质量和钻探效率总体较好。6 结语通过大量试验性探索工作，成功钻进完成ZK5507钻孔，主要获得以下几方面成效：（1）探索应用PQ绳索取心钻具，简化施工工序和钻孔结构，降低了钻孔安全风险和套管用量，极大提升了施工生产效率，获得了很好的经济效益。（2）针对不利钻进的硬脆碎地层、坚硬打滑地层和蚀变碎裂泥质地层，优化钻头设计和选择应用条件，基本解决了碎岩效率低、钻头寿命短和岩心采取质量等具体问题。（3）在强蚀变、水敏泥质地层试验应用植物胶冲洗液，有效预防了钻孔孔壁坍塌、掉块等事故，并通过使用加重剂，有效控制了钻孔坍塌恶化程度，并顺利确保后续钻进工作顺利完成。参考文献：1DZ/T 0227-2010，地质岩心钻探规程S.2杨海珠.千家坪钒矿复杂地层钻孔施工技术措施与实施效果J.西部探矿工程，2011，23（09）：93-94.3郭保铎，张波，张涛.陕西秦岭银洞湾张子坪矿区复杂地层钻进工艺探讨J.西部探矿工程，2018，30（08）：78-80.4李振学，邓敏.栾川县多金属矿复杂地层岩心钻探技术J.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（9）：56-59.5张永春，赵海滨，常洪华，等.威海地区3000m深部地热钻探关键技术的应用与分析J.钻探工程，2021，48（S1）：111-119.6王洪涛.柴家沟钼矿复杂地层岩心钻探技术J.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（8）：37-40.7董杰.肃北县长流水金矿复杂地层深孔岩心钻探施工技术研究J.甘肃科技，2019，35（12）：28-29+48.8易亚东，吕洪富，颜秉超.岩金矿复杂地层钻进技术总结J.吉林地质，2019，38（01）：89-91.9DZ/T 0277-2015，地质岩心钻探金刚石钻头S.10揭进伟.浅谈复杂地层深孔岩心钻进关键技术C.防治地灾 除险安居浙江省地质学会2017年学术年会论文集，2017：496-500.11王利.大角度斜孔复杂地层钻探难点及对策J.西部探矿工程，2019，31（3）：96-98.收稿：2022-04-20媒体聚焦|项目入选！石榴云/新疆日报讯（记者 王亚芸报道）日前，自然资源部发布 矿产资源节约和综合利用先进适用技术目录（2022年版）公告，新疆有6项技术入选。先进适用技术的评选，需经自愿申报、省级自然资源主管部门及有关单位推荐、专家评选、社会公示等程序。目录的发布，旨在加快矿产资源节约和综合利用先进适用技术推广应用，切实发挥技术政策的引导作用。新疆今年入选的6项技术分别为：新疆哈巴河阿舍勒铜业股份有限公司的大体积充填体间厚大矿柱大规模安全高效开采技术，新疆紫金锌业有限公司的超低品位混合型铅锌矿高效协同分选技术，新疆有色金属工业（集团）有限责任公司的低品位复杂难处理铜锌硫化矿高效分选技术，以及国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司的硫酸亚型盐湖卤水生产硫酸钾技术、硫酸钾浮选尾矿管道溶钾回收利用技术，和新疆中核矿业科技集团有限公司的切割开窗式地浸工艺井及成井技术。自治区自然资源厅相关负责人介绍说，我区入选的6项技术，均是已经成熟的、业内公认的、符合新疆资源特点、具有广阔应用前景的技术，将会在有效指导我区矿山企业进行生产工艺改造升级、矿业绿色低碳转型、提高资源利用效率、保障资源安全方面发挥基础性作用。（来源：新疆有色微平台）23