湘河大泉钒矿复杂地层钻进技术

毛雅杰,陈全明

(西北有色地质勘查局七一五总队,陕西西安 710600)

湘河大泉钒矿复杂地层钻进技术

毛雅杰,陈全明

(西北有色地质勘查局七一五总队,陕西西安 710600)

湘河大泉钒矿钻探施工中所遇到的主要问题是第四系黄土层及坡积砾石、细砂岩风化层较厚,上部破碎,钻孔坍塌、掉块严重,下部矿层呈粉状粘土岩,取心难度十分大,成孔困难,导致勘探工程进展缓慢。经过现场及时分析原因,采取有针对性的钻探工艺及其他技术措施,有效地解决了这些问题。

岩心钻探;复杂地层;坍塌;掉块;护壁;取心

1 概述

湘河大泉钒矿位于陕西省商南县境内,此矿区是中国与加拿大合资项目。施工区域内主要地层为第四系黄土层及坡积砾石,上部含砂砾,下部为灰质白云岩、白云质灰岩及角砾状白云岩互层。矿体主要为碳质粘土岩,矿层呈粉状,取心十分困难。

由于首次接触钒矿岩心钻探施工,对于地层的复杂程度了解不到位,在施工第一个钻孔 ZK801孔时,走了一些弯路,台月效率不足 200 m。经过该孔的探索、实践,获得了该矿区钻探技术要点,后续钻孔台月效率达到 300 m以上。本文以 ZK801孔的施工过程为例,介绍该矿区钻探施工中出现的主要问题及解决措施。

2 钻孔设计情况

根据地质找矿需求,该矿区前期设计 8个钻孔,主要是查明矿体条数、产状、厚度及品位。钻孔设计深度 200～450 m。钻孔所遇到地层由上到下依次为:第四系黄土层及坡积砾石,厚度 15～40 m;灰质白云岩,白云质灰岩,厚度 100～220 m之间;泥质灰岩,灰质白云岩,角砾状白云岩,厚度 80～170 m,矿体位于该层下部,厚度 10～30 m,钻穿矿层 20～30 m即可终孔,终孔孔径 75 mm。

3 钻探设备及施工工艺

施工设备:XY-4型钻机,BWJ-125型泥浆泵,A形钻塔。

施工工艺:S75绳索取心钻进,泥浆护壁。

4 施工中出现的主要问题及解决办法

ZK801钻孔设计深度 370 m,倾角 65°,方位角245°。施工一开采用 “130 mm硬质合金钻头开孔,钻穿第四系黄土层及坡积砾石下入 “127 mm套管封住上部易坍塌层;二开采用 “110 mm口径金刚石钻头钻进至较为完整岩层后,下入 “108 mm地质套管;三开采用 “91 mm钻具导正 “75 mm绳索取心钻具钻进至终孔。

4.1 施工中遇到的主要问题

(1)第四系黄土层及强风化层成孔困难。由于下达的地质设计施工任务书对第四系覆盖层的厚度没有表述,现场对开孔措施重视不够,该孔位正好位于两山之间沟底,由于常年累月的沉积物堆积,实际第四系松散层厚度达到 20 m,并且含碎石量高,约占体积的 50%。风化层厚度达 25 m,开孔至 50 m孔段,漏失一般,坍塌严重。

(2)“108 mm地质套管下完后,更换为 “75 mm绳索取心钻进 ,在 95～105、165～185、215～221、257～265 m等孔段均出现渗漏至全孔漏失现象,并有轻微的掉块现象。导致事故较多、施工效率大幅度下降、施工成本急剧上升,严重影响了施工进度。

(3)近矿尾岩孔段采心困难,采取率达不到地质设计要求。主要原因是矿层软硬互层,硬层厚度在 0105～0110 m之间,软层见水就化。

4.2 施工过程中所采取的技术措施

4.2.1 对于上部第四系黄土层及坡积砾石孔段漏失、坍塌的处理

ZK801孔开孔后,由于对该层位重视不够,按照常规的方法进行施工,采用高粘度固相泥浆护壁直接钻进至孔深 16 m,孔内出现漏失、坍塌,故采用加大泥浆粘度和密度来处理漏失层,但效果不理想,随后,给泥浆加入固相材料后漏失得到有效控制。为了保证施工安全,提前下入 “127 mm地质套管封堵上部漏失层和坍塌层。之后 “110 mm口径钻进,钻进至孔深 25 m时,孔内出现漏失,孔壁失稳,坍塌严重,钻具下不到孔底,孔深又变为 21 m,被迫停钻。分析原因,确定采用白泥球固壁、泥浆护壁的方法钻进,即对已成孔投入含有 CMC、白泥、Na2CO3的粘土球,每投入一定量后,下入锥形钻头反复捣实,直至填到 “127 mm套管内,再使用泥浆循环钻进,钻进一段再用粘土球封固一段,按照此方法反复进行,取得了比较好的护壁效果,很快就穿过第四系黄土层及坡积砾石,然后采用金刚石钻头钻达完整岩层后下入 “108 mm地质套管,换径 S75绳索取心钻具正常施工。

为减小钻具与孔壁的阻力,提高钻进效率,正常钻进时采用无固相泥浆。其配方为:淡水∶CMC∶植物胶∶广谱护壁剂 =1 m3∶3 kg∶2 kg∶115 kg。其性能为:密度 1101～1103 kg/cm3,粘度 21～23 s,失水量 15 mL/30 min。该泥浆的主要特点是具有良好的护壁、润滑、防漏失和减小阻力的效果,性能调整范围较大。

4.2.2 坍塌孔段的护壁处理措施

由于该地区受断裂带的影响,钻孔在正常施工过程中钻遇细砂层时出现孔内坍塌情况。根据ZK801孔的施工经验总结了一套处理细砂层的办法:采用泥浆快速穿过,之后采用注水泥固孔的办法处理。注水泥浆的要领:首先,用清水洗孔,将粘在孔壁上的泥皮洗净,再将准备好的 425水泥浆 (密度在 1180～1185 g/cm3)快速从钻杆内注入孔内,注意在施工时必须密切注意孔内排粉量,以便孔径的测算,计算好水泥用量,确保一次性成功。候凝 36～48 h开始透水泥,透完水泥塞后,应将水泥浆与泥浆混合液替换,换新泥浆再钻进。

4.2.3 全漏失孔段的护壁堵漏措施

全孔漏失是先出现渗漏,然后迅速转为全部漏失。ZK801孔钻进到孔深 95 m时,泥浆渗漏发展到全孔漏失,采用 4.2.1所述的解决渗漏的措施,经过现场处理毫无效果。经过研究,先采用 CMC+植物胶 +Na2CO3与水搅拌成糊状再从钻杆内灌入;然后调整泥浆,提高粘度,加入惰性材料和堵漏剂,合上回转器,开泵送入孔内,在确认加入的材料到达漏失位置时(泵压突然升高又快速回之平稳状),停止泥浆泵,回转器转速控制在 310～390 r/min,并上下串动 4～5次,使所加入的材料挤至孔内壁的裂隙上,开泵循环,漏失孔段消失后,逐步将泥浆粘度调整恢复到正常钻进时标准。

由于该矿区钻孔漏失孔段多,出现漏失次数较多,根据 ZK801孔成功经验与方法,将上述堵漏方法进行了总结。并在本工区各机台相互学习和交流,共同掌握此方法。为该矿区后续钻孔的施工打下基础。

4.2.4 提高近矿围岩段岩心采取率的施工措施

该矿区钻进到近围岩段,为特殊的岩性及地质构造,矿层为粘土岩,软硬互层。地质设计要求岩心不能被泥浆浸泡,保持岩心完整,回次进尺必须控制在 0130 m。采用普通绳索取心工艺达不到要求的采取率,甚至是空管,根本达不到地质要求,矿层太厚时出现坍塌现象,造浆率极高,造成埋钻事故。

为解决这一问题,ZK801孔施工中采用泥浆及钻进工艺两个方面的综合措施。

(1)调整泥浆,将孔内原有泥浆全部替换,更换新配置无固相泥浆,其配方为:淡水∶CMC∶PAM∶聚丙稀酸钾 =1 m3∶3 kg∶015 kg∶2 kg,泥浆粘度保持 22～24 s,密度保持在 1103～1106 g/cm3,失水量 6～10 mL/30 min。主要作用是提高泥浆粘度,护壁性能好,还能够很好润滑孔壁携带大量岩粉。

(2)选用双动双管钻具钻进,钻具总长度不超过 1180 m。采用小八角硬质合金自制外径为 “75 mm,内出刃 2100 mm硬质合金钻头。配内钻头 63/43 mm复合片钻头,内钻头超前外钻头 0150～0170 m。钻压 5～8 kN,转速 80～180 r/min,冲洗液量 60～100 L/min,回次进尺控制在 0130 m。

操作注意事项:在下钻时严禁急刹车、跑钻现象发生,必须做到平稳下钻,下至距孔底 2100～3100 m时合上回转器扫至孔底再钻进。上钻时禁止高速、墩钻,要求平稳,每钻 12～18 m时必须回灌泥浆一次,达到平衡环空压力的作用。通过施工实践,成功地解决了取心难的问题,从而提高了岩矿心的采取率,达到地质设计要求。

5 钻进效果

有了 ZK801孔的经验,施工 ZK1201及 ZK1202等钻孔时,采取了预防措施,取得了良好的效果,特别是在施工 ZK5002孔时,该孔设计孔深 300 m,实际终孔深度 499174 m,钻遇钒矿层共 3层,最厚矿层达到 30 m,经过加拿大专家现场检查,该孔岩(矿)心平均采取率 98%,矿心采取率均在 100%,赢得了加拿大专家一致好评。

该矿区地层基本相似,都存在漏失和全孔漏失的孔段,在施工第一个钻孔所积累经验的基础上,在钻探工艺上不断总结,后续钻孔都不同程度缩短了施工时间。取得了好的经济效益,已施工的钻孔均被评为一级钻孔。

6 结语

(1)加强学习交流,提高对钻进规律的认识,是解决复杂地层钻进的捷径。

(2)该矿区采取的提前预防、配置泥浆护壁、根据不同的层位及时调换泥浆的方法是解决复杂地层比较有效的方法。

(3)根据矿层的类型,选用不同的钻具施工对提高近围岩矿心的采取起到很好的效果。

[1] 胡辰光.钻探工程技术及标准规范实物全书[M].北京:地质出版社,2003.

[2] 刘广志.金刚石钻探手册[M].北京:地质出版社,1991.

[3] 马植侃,王滨,刘建明.钻探工程学 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.

Drilling Technology in Complex Formation of Xianghedaquan Vanadium Deposit

MAO Ya-jie,CHEN Quan-m ing(No.715 Party,North-westMining and Geological ExplorationBureau forNonferrousMetals,Xi’an Shaanxi710600,China)

A series of difficultieswere encountered for drilling in Xianghedaquan vanadium deposit:quaternary loess&di-luvium gravel,thick weathered layer of fine sand rock;broken upper partwith borehole collapsing and block falling;pow2 der clay rock for lower ore bed,hard for coring and boring.These difficultieswere effectively overcome by pertinent drilling technology and technicalmeasures.

coring drilling;complex formation;collapsing;block-falling;wall protection;coring

P634

A

1672-7428(2010)03-0021-03

2009-11-20

毛雅杰(1963-),男 (汉族),河南偃师人,西北有色地质勘查局七一五总队副总队长、工程师,探矿工程专业,从事石油勘探、探矿工程与管理工作,陕西省西安市临潼区文化东路 41号,715myj@sohu.com。