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