甘肃阳山金矿复杂地层钻探施工工艺探索

方国庆，杨 涛，蔡 隽，崔海龙

（中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410600）

随着地质找矿工作的不断深入，钻探工程施工中遇到复杂地层的概率大大增加，给钻探施工带来了巨大挑战［1］。阳山金矿是亚洲最大卡林型金矿，矿区内葛条湾—安坝矿段地层主要为厚的第四系堆积层和碳／钙泥质千枚岩，为典型的复杂地层。武警黄金部队在阳山矿区安坝矿段钻探施工的ZK3812钻孔，第四系覆盖层厚达200 m，施工过程中孔壁严重坍塌、掉块、缩径、漏失、卡钻等问题层出不穷，已经成为制约矿区钻探施工的“瓶颈”［2］。因此，摸索出一套适合在该矿区复杂地层钻探的施工方法刻不容缓。

1 矿区概况

阳山金矿在甘肃省文县，正处川北陇南交界地，在岷山山脉北段与秦岭山脉西端，位于陕、甘、川三省交界，1997年被武警黄金部队发现，截至2014年12月累计探获黄金资源量390 t，是亚洲最大类卡林型金矿。

1.1 矿区地层情况

在大地构造位置上，阳山金矿夹持于碧口地块、秦岭微板块以及松潘—甘孜褶皱系之间，主要受汤普沟—观音坝断层控制，区内褶皱、断层较为发育，破碎蚀变强烈。岩层主要由第四系覆盖层、碎裂岩、钙／碳泥质千枚岩、灰岩组成，局部地段发育有由斜长花岗斑岩、硅质岩及石英砂岩脉与千枚岩交错形成的软硬互层。

第四系覆盖层：主要由岩石碎块和黏土组成，厚度较大，最厚处达300 m。岩石碎块主要有灰岩、千枚岩、砂岩、斜长花岗斑岩等，灰岩碎块常为硅化后的滚石，可钻性为7～9级，大小不一，磨圆度中等，裂隙发育良好。

千枚岩：呈浅灰色，细粒鳞片变晶结构，千枚状构造，绢云母化、硅化较强，千枚理发育，局部碎裂。

1.2 施工难点

第四系覆盖层厚且由碎石块和泥土胶结而成，胶结性较差，松散破碎（见图1）；碳泥质千枚岩（见图2）为水敏性地层，吸水膨胀，易造成缩径。钻探施工难点主要有：

图1 第四系覆盖层

图2 碳泥质千枚岩

（1）全漏失，裸眼钻进，孔壁不稳定。地层松散，裂隙发育好，护壁堵漏极其困难，几乎为裸眼钻进，给本就不稳定的孔壁造成更大压力。

（2）取心钻进时极易发生堵心，回次进尺短。由于全漏失，岩粉未能顺利排出，易堵心，迫使回次进尺短，提下钻频繁，进一步破坏孔壁稳定。

（3）孔壁坍塌掉块，易卡钻、埋钻，提下钻遇阻，加杆困难。第四系覆盖层松散，加上泥浆从孔底漏失不能有效护壁，孔壁粗糙，坍塌掉块严重，在钻进时卡钻、抱死现象时有发生。频繁的提下钻进一步破坏了孔壁稳定，在提下钻过程中稍有不慎即造成孔内坍塌，提下钻遇阻，加杆困难。

（4）探头石出露切割钻具，易引发断钻事故。孔壁粗糙，灰岩石块出露切割钻具，钻具孔内磨损严重，再加上钻进时卡钻、埋钻等，极易引发断钻事故。

（5）孔壁不稳定，事故处理难。坍塌掉块，极易形成大肚子，发生井故后，一方面因孔壁的进一步坍塌掩埋事故头，另外在处理过程中，由于对井下情况了解不够，稍有不慎导致事故头处形成大肚子，给事故的处理造成更大的困难。

（6）碳泥质千枚岩遇水膨胀，孔壁缩径，钻进荷载大，易抱死。

2 ZK3812钻孔施工工艺探索

2.1 钻孔基本情况

ZK3812钻孔设计孔深710 m，倾角90°，位于阳山矿带安坝矿段38号勘探线上，孔口坐标（x：3657904.14；y：35466174.15；z：2041）。配备使用的钻探设备主要为XY－44A钻机、BW－250泥浆泵、SG－13钻塔、JS－600取心绞车。

2.2 ZK3812钻孔初次施工

根据地层柱状图，钻孔结构设计如图3，使用金刚石回转钻进，Φ150 mm薄壁金刚石钻头开孔，开孔后工艺参数如下：低钻压，1～5 kN；低转速，＜200 r／min；低泵量，52 L／min；岩石碎块裂隙发育较多，钻进时全孔漏失，为节约成本，采用膨润土＋纯碱配制普通泥浆的钻井液；套管护壁方式。

图3 初次施工钻孔结构设计图

按上述工艺参数施工，施工过程中孔内坍塌掉块、加不上杆、卡钻等现象频繁，严重制约着钻探施工。在下入2层套管后，施工至77.21 m时探头石切割钻具，发生断钻事故，钻具遗留孔底，虽进行全力处理，但孔壁坍塌严重，事故头无法找到，未能成功处理，只能弃孔。

钻进施工耗时近一个月，最终止步于77.21 m，通过分析、总结此次施工失败的原因如下：

（1）钻压、转速优化不合理。采用低钻压与低转速，虽在一定程度上保护了孔壁，但因此造成进尺速度慢，增加了裸眼持续时间，不利于孔壁稳定。

（2）钻井液使用未能发挥实效。地层裂隙多又宽，选用的普通配比泥浆全部漏失，未能起到有效护壁的作用，孔壁极不完整，坍塌掉块、加不上杆、提下钻不畅、卡钻、断钻等时有发生。

（3）套管护壁不及时。在钻进速度慢、全孔漏失、孔壁极不稳定的情况下，仍坚持钻进至20和50 m时才分别下入Φ146 mm、Φ127 mm套管。由于钻进速度慢，下入套管前孔壁处于裸眼时间过长，孔壁已严重破坏，井故频发，进一步降低了施工效率，从而形成恶性循环。

2.3 ZK3812钻孔第二次施工

吸取第一次失败的经验教训，第二次施工工艺改进如下：

（1）提高钻压和转速。钻压：3～8 kN，转速：＜400 r／min，并根据孔内实际情况及时调整。

（2）采用小口径打、大口径扩的施工工艺。先使用小口径金刚石绳索取心（Φ95 mm）工艺，然后再进行扩孔：一是能减少提下钻次数，保护孔壁稳定；二是减小钻头唇部面积，利于进尺；三是多采用小口径施工，在钻进时，能有效缓解钻具被抱死的现象发生。

（3）钻井液中添加随钻堵漏剂，同时适当提高密度和黏度。

（4）遇不稳定地层，采用孔口倒浆、投水泥球、投袋装水泥干粉等方式灌水泥浆进行护壁。

（5）钻进至稍稳定地层后及时下套管护壁，选用小一级口径钻进至设计深度时再提套管、扩孔，直至把套管下到预定深度。

通过改进钻探工艺，第二次施工钻进效率显著提升。但所使用的孔口倒浆、投水泥球等灌水泥护壁方式效果不佳，在施工过程中，孔壁坍塌掉块、卡钻埋钻、提下钻困难、无法加杆等问题相比于第一次施工虽有所改善，却依然存在。在施工至72 m时，因探头石切割，发生断钻事故，经过捞、返、磨等处理后，最终遗留的钻具被挤入孔壁的大肚子内，新下钻具能顺利绕过而得以继续施工。在使用Φ95 mm绳索工艺钻进至125.61m时（仍未穿过第四系覆盖层），发生断钻事故，钻具（内含内管总成）和钻杆共计12 m遗留井下，使用丝锥进行打捞，因孔壁坍塌、钻具被埋而打捞失败。在后续的处理过程中，又引发孔壁坍塌和之前在72 m处遗留的钻具从大肚子内掉出，孔内彻底被埋死，处理起来困难重重，故弃孔。

2.4 ZK3812钻孔第三次施工

根据第2次施工至125.61 m处仍为第四系覆盖层，判断该孔第四系覆盖层厚度将可能达到200 m。结合前两次施工所遇地层情况，选择Φ172 mm开孔，设计钻孔结构如图4，并对施工工艺进行改进。

图4 第3次施工钻孔结构设计图

（1）采用小口径打，大口径扩，灌水泥，下套管相结合的工艺。即先使用小口径绳索取心钻进，钻进时一旦遇不稳定地层，及时灌水泥浆进行护壁，再继续扫孔钻进；待钻进至稍稳定地层后，再使用设计孔径进行扩孔，下套管；继续使用小孔径与灌水泥结合向下钻进，遇稳定地层拔套管，大口径扩孔，下套管，周而复始，直至钻进至下套管的设计深度，顺利穿过第四系覆盖层。

（2）采用高压旋喷注水泥浆进行护壁。即在常规泵送法灌注水泥浆的钻杆下端安装特殊侧面喷嘴，从欲护壁孔段底部开始，由下往上边泵送高压水泥浆边慢速旋转和提升钻杆，水泥凝结后形成稳定固结体。

（3）针对钙／碳泥质千枚岩吸水膨胀的特性，采用迅速穿过的方式，同时使用钾石灰体系泥浆配方（膨润土＋5%纯碱＋3%沥青＋3%腐殖酸钾＋3%～5%酚醛树脂＋0.4%石灰＋3%～7%氯化钾＋0.2%～0.5%LV－CMC＋3%超细碳酸钙＋3%聚合醇＋重晶石＋随钻堵漏剂）。

经过不断总结改进，第三次施工较为顺利，施工至196 m后成功穿过第四系覆盖层。在钙／碳泥质千枚岩交错地层中，钻井液效果良好，快速穿过，最终于712 m处顺利终孔。

2.5 三次施工效率对比

三次施工效率对比见表1。

表1 三次施工效率对比表

3 结论

第四系覆盖层是ZK3812钻孔施工的最大难点，能否有效护壁堵漏顺利穿过覆盖层决定该孔施工的成败。通过此次在ZK3812钻孔复杂地层中的三次施工分别对传统的只下套管护壁，随钻堵漏、孔口倒浆方式灌水泥配合护壁和随钻堵漏，小口径打，大口径扩，高压旋喷灌水泥，下套管相结合的方式护壁堵漏效果进行了探索，取得了一定的成效，对今后在超厚覆盖层施工具有一定的指导意义。

（1）随钻堵漏，小口径打，大口径扩，高压旋喷灌水泥，下套管相结合的护壁堵漏方式能够较为有效应对超厚覆盖层。

（2）孔口倒入灌浆易流失，不易与孔壁胶结，护壁效果不佳；投水泥球灌浆方式易在孔内搭桥，形成空腔，不能有效护壁；投袋装干水泥粉需孔内有一定水位，且不易搅拌均匀；泵送对水泥浆流动性能要求高，易流失；高压旋喷灌浆对水泥流动性要求高，高压喷射既能清理孔壁，同时浆液深入孔壁，能够很好地与孔壁胶结为一体，从而达到护壁的效果。

（3）钾石灰体系泥浆抑制性强，失水率低，在钙／碳泥质千枚岩地层中具有较好的使用效果。