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
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1、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
2、;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
3、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
4、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、
5、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
6、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
7、、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
8、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
9、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
10、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.
11、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、
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