瓮安大坪水文地质—矿产勘查深孔施工技术

陈 涛，赵华宣，陈 浩，张 平，贾玉川，张承飞，王 虎

（1.贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000；2.贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺 561000；3.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州贵阳 550081）

1 工程概况

瓮安大坪ZK301钻孔位于贵州省瓮安县建中镇水尾村大坪组，是为查明贵州省瓮安县大坪铅锌多金属矿、磷矿区矿产储量及上部含水层（灯影组）水文地质条件而实施的水文地质—矿产勘查结合钻孔。该钻孔通过水文地质钻探、降压试验等工作手段查明了该地区灯影组水文地质条件，为矿山地质环境评价提供了依据；通过矿山地质钻探查明了矿层顶底板位置、矿层厚度等，为矿产资源储量计算及开采提供了依据。

2 地层结构、地质要求及施工难点

2.1 地层结构特征

钻孔设计及钻探揭露地层结构及特征见表1。

表1 设计及钻探揭露地层结构及特征表

2.2 地质要求

（1）设计孔深950m，浅部碳酸盐岩地层孔段孔径不小于∅219mm，下管封隔止水；水文地质勘查目的层灯影组孔段孔径不小于∅122mm；含矿层段连续取芯，终孔孔径不小于∅75mm，钻孔弯曲度不大于1°/100m；

（2）地质勘查段采取率不小于70%，矿芯采取率不小于85%，矿层顶、底板各3～5m范围内采取率不小于80%；

（3）水文地质勘查目的层灯影组钻进结束后先开展降压试验，获取水文地质参数后再进行矿层取芯钻进。

2.3 施工难点

（1）地质条件复杂、设计要求高、钻孔深度大，同一钻孔实施水文勘查和地质勘查，钻孔结构需多级变径。

（2）水文勘查及以上孔段地层结构复杂、孔径及深度大，地质勘查段取芯率要求高，单一水井钻机或岩芯钻机难以同时满足上部大孔径段和含矿层取芯钻进要求。

（3）采用牙轮/PDC钻头全面钻进工艺、空气潜孔锤钻进工艺和绳索取芯钻进工艺等多工艺复合钻进技术。

（4）矿层以上孔段孔径和深度大、钻杆与孔壁环状间隙大，绳索取芯钻进高转速钻杆易折断。

3 钻孔结构与钻探设备

3.1 钻孔结构

根据水文地质勘查、矿山地质勘查施工工艺和规范及地质设计要求和钻进揭露地层结构，钻孔结构如下。

（1）地表管：0.0～9.17m，孔径∅311mm，揭穿第四系进入稳定岩层3.17m，下∅273mm×6mm套管并水泥固结止水；

（2）一开：9.17～325.94m，孔径∅245mm，进入金顶山组粉砂岩隔水层5.94m，下∅219mm×10mmJ55 石油套管并水泥固结止水，防止上部岩溶裂隙水进入孔内影响目的层（灯影组）水文地质参数的真实性；

（3）二开：325.94～882.85m，孔径∅178mm，揭穿牛蹄塘组页岩进入灯影组白云岩约9.0m，下∅146mm×7.5mmJ55石油套管并水泥固井护壁；

（4）三开：882.85～985.43m，孔径∅125mm，钻至985.43m做洗井和降压试验；

（5）四开：985.43～996.16m，为取芯工艺试验孔段，孔径∅114mm；

（6）五开：996.16～1065m，为绳索取芯钻进孔段，孔径∅77.5mm。钻孔结构如图1所示。

3.2 钻探设备

钻探设备根据钻探目的任务、钻孔结构、钻进工艺、地层条件、设备性能、环保等要求，使用“TSJ2000钻机+XY6钻机”组合满足上部复杂地层及大孔径孔段钻进和含矿层绳索取芯钻进要求，主要钻探设备见表2。

表2 主要钻探设备表

4 水文地质钻探施工技术

本孔钻进工艺及钻具组合情况见表3。

表3 钻井工艺及钻具组合

4.1 牙轮钻进

表层段0.00～9.17m，采用∅311mm牙轮钻头全面钻进。

4.2 空气潜孔锤钻进

一开段9.17～320m为岩溶裂隙发育及富水的白云岩和灰岩，为提高钻速和避免溶蚀裂隙引起的井漏等复杂情况，采用∅245mm 空气潜孔锤钻进工艺。使用2～3 台空压机（2.4MPa）组合送风，采用塔式钻具组合。钻进参数：转速48r/min、钻压10～20kN、风量66/99m3/min、风压1.1～2.4MPa。

4.3 复合片钻进

二开段325.94～882.85m 为水敏性强、易缩径及孔壁稳定性较差的粉砂岩、泥岩及炭质泥岩，采用∅177.8mmPDC 钻头全面钻进工艺，使用防塌性好和抑制性强的防塌聚合物体系钻井液护壁。配方：1m3水+1.5～2.0kg纯碱+40～50kg钠土粉+2.0～2.5kg包被剂+2.0～2.5kg铵盐+3kg无荧光防塔塌润滑剂；性能指标：粘度35～40s、密度1.04～1.06g/cm3、失水10～12mL/30min、pH 值8～9。使用塔式钻具组合防斜；钻进参数：转速48r/min、钻压20～40kN、泵量14L/s。

三开段882.85～985.43m是本勘查孔水文勘查降压试验目的层，采用∅125mmPDC 钻头全面钻进。地层为局部裂隙发育、孔壁稳定性好的白云岩，为减少和避免钻井液对来水通道堵塞、降低洗井难度采用低至无固相钻井液。配方：1m3水+1.0kg纯碱+10～15kg钠土粉+4～5kg 高粘CMC+2.0～2.5kgPAM；性能指标：粘度32～35s、密度1.01～1.02g/cm3、失水10～12mL/30min、pH值8～9。

5 地质勘查钻探施工技术

四开、五开985.43～1065m 段是地质勘查目的层，岩性硬脆及破碎且采芯率要求高。在上部孔段多级变径且孔径和深度大的条件下，对确保采芯率满足设计要求的工艺及技术措施进行了探索，在地质管束缚支撑和石油取芯钻具钻进试验存在风险高和采芯率低的问题后，采用高强度石油套管束缚支撑和绳索取芯钻进技术措施，满足质量技术要求的同时提高了钻进效率。

5.1 地质管束缚支撑

地质勘查深孔钻探施工中多用金刚石+绳索取芯钻进工艺，本孔上部孔段孔径大，钻杆与套管间隙大，钻杆高速旋转挠度较大，钻进时极易发生钻杆折断事故。在大孔径段下入“∅89mmD40 地质套管+扶正筋块”形成较小井筒以束缚支撑钻杆。下至700余米因管材强度及丝扣连接不紧密而跑管，事故处理20余天。

5.2 石油取芯钻具钻进试验

由于D40 地质管作束缚支撑事故风险高不宜使用。为探索石油取芯钻具在地质勘查取芯中的应用效果，引用四川康克石油科技有限公司生产的“ZCQ89-45A”单动双管取芯钻具“内管长度4.23m、PDC+巴拉丝钻头（∅114/45mm）”试钻进，试验段985.43～996.16m。因地层硬脆、破碎及钻头内外径级差大、钻取岩芯直径小、岩芯在内管中碰撞磨损严重，钻取岩芯破碎且基本无柱状岩芯（见图2），采芯率10%～53%不能满足要求。采取调钻压、转速、间隙及“灯笼爪+底喷金刚石钻头”等措施均不能提高采芯率，该工艺技术在硬脆及破碎地层钻探取芯效果不理想。

5.3 高强度石油套管束缚支撑

鉴于上述两种技术措施存在事故风险高、采芯率低的问题，为降低孔内事故风险和提高采芯率，只能采用金刚石+绳索取芯钻进工艺。为确保该工艺的顺利实施，必须将上部大口径井眼调整至与绳索取芯钻具协调匹配的小口径井眼，增加高速旋转钻杆的稳定性和安全性。采用抗拉断和折断能力强的高强度“N80级∅95mm×6.5mm石油套管+扶正支撑”的束缚支撑管柱:∅95mm石油套管(接箍直径∅108mm、内径∅80mm与∅71mm 钻杆环状间隙合理)，套管接箍与孔壁间隙间焊接相应尺寸扶正支撑装置以确保管柱居中和稳定，孔口厚钢板托盘与孔口管焊接封闭和稳定，防止杂物落入卡钻，如图3所示。

5.4 绳索取芯钻进

5.4.1 钻探设备机具

设备选用HXY-6 型岩芯钻机和BW-320 型泥浆泵，机具选用∅71mm 绳取钻杆、S75 单动双管绳索取芯钻具、金刚石钻头。钻头根据地层软硬程度采用表镶金刚石钻头和孕镶金刚石钻头，地层坚硬致密时选用软胎体孕镶金刚石钻头，机具组合为∅77.5mm 钻头+S75 单动双管绳索取芯钻具+∅71mm 绳取钻杆，∅77.5mm 钻头+S75 钻具级配增大了环状间隙、降低了循环压耗并提高采芯率。

5.4.2 钻进参数

（1）钻压：金刚石绳索取芯钻进，破碎地层适当减压钻进；随着钻进过程中金刚石钻头的磨钝而导致的钻进速度下降，可逐渐平稳增压钻进，正常钻压为8～10kN。

（2）转速：为减轻钻具回转对技术套管碰撞，保证管柱安全稳定，采用钻机低速档和油门调节，转速为300～500r/min。

（3）流量：泵流量应满足上返流速为0.5～1.5m/s，以确保及时排除岩屑和冷却润滑钻头，流量为40～50L/min。

5.4.3 钻进效果

（1）钻进效率：金刚石绳索取芯钻进进尺69m，平均钻速1.1m/h，平均日进尺约12m，提高了钻进效率并降低了劳动强度。

（2）采芯率：金刚石绳索取芯钻进钻取岩芯呈柱状（见图4），矿层采芯率为95%～99%，矿层顶/底板采芯率为89%～99%，满足地质设计要求。

6 钻探施工效果

6.1 工艺效果

本孔终孔深度1065m，全面钻进进尺985m，取芯进尺80m，钻孔周期83d，纯钻进时间50d，台月效率385m/月。

（1）空气潜孔锤钻进进尺317m，平均钻速7.93m/h，综合钻进效率约是常规方法的10倍，钻进效率和钻探成本受孔内涌水影响显著，涌水量90m3/h时钻速仅为2.5m/h。

（2）PDC 钻头钻进：二开进尺557m，平均钻速1.41m/h；三开进尺102m，平均钻速0.46m/h，因地层局部含硅质钻进效率较低。

（3）高强度石油套管束缚支撑解决了上部大孔径与绳索取芯钻具不匹配问题，保证绳索取芯钻进施工安全。

（4）金刚石绳索取芯钻进进尺69m，平均钻速1.1m/h，平均日进尺约12m，采芯率达89%～99%，提高了钻进效率和取芯质量。

6.2 施工质量

（1）水文勘查开展两次降压试验工作，上部下管固井止水效果好，获取目的层真实准确水文地质参数，各项指标均满足水文勘查要求。

（2）地质勘查工作，含矿层平均采芯率达到95%，矿层采芯率为95%～99%、矿层顶/底板采芯率为89%～99%，各项指标均满足要求。

（3）钻孔终孔孔斜7.9°，钻孔倾角变化率0.74°/100m，满足设计要求。

7 结论

（1）上覆存在复杂岩溶和水敏性地层的深部水文地质勘查，合理的钻孔结构和下管封隔、护壁技术是获取准确地质资料及安全高效钻进的前提保障。

（2）上部岩溶强发育、富水性地层，空气潜孔锤钻进工艺有效避免了常规钻进工艺存在的钻井液漏失、堵漏难度大、钻进效效低、施工周期长及费用高的难题。

（3）在大孔径水文勘查深孔中开展地质取芯钻探，高强度石油套管束缚支撑可有效解决上部大孔径与绳索取芯钻具不匹配问题和避免断钻具事故，为绳索取芯工艺实施和钻探安全提供技术保障。

（4）TSJ-2000 水井钻机和HXY-6 岩芯钻机的有机组合，解决了上部大孔径段钻进和下部含矿层绳索取芯钻进技术难题，为今后类似工程提供了施工经验。