“一孔多用”钻孔的施工实践

0 引言

金川公司位于中国镍都甘肃省金昌市金川区，其硫化镍储量居世界第三位，其下属矿山龙首矿、二矿区、三矿区已投入开采多年。为该地区矿产资源可持续发展，金川公司于 2022 年部署实施了四矿区贫矿开采工程的可行性论证工作，共设计钻孔6 个（其中Ⅳ-ZK16-7 是“一孔多用”钻孔）工作量2305m。承接了Ⅳ-ZK16-7钻孔施工，在实施过程中的难点问题主要有钻进越级、扩孔越级，孔内掉块、漏失、坍塌掉块、钻孔缩径及超径等。本文总结了钻孔施工中所遇到的问题及现场处理办法，旨在为该矿区或类似问题的钻孔施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地层情况

矿区地层自上而下为第四系（Q4）、第三系（Q2+Q3）、混合岩、二辉橄榄岩、超基性硫化镍贫矿、二辉橄榄岩、超基性硫化镍贫矿、大理岩。第四系因地势条件覆盖厚度不等，覆盖层厚度约为 60-140m 不等，中间夹有砂卵石层 50-90 米不等。矿区岩石硬度中硬，可钻性级别划分为 5-7 级左右，研磨性中等，岩石中节理、挤压破碎发育，钻进过程中可能遇到的孔内问题有：漏失严重、坍塌掉块、钻孔缩径及超径等。易造成的孔内事故主要包括：卡钻、埋钻、孔斜等。

1.2 钻孔结构设计及主要目的

施工的钻孔结构基本分为 4 级：一开采用 Ф170mm 单管取心钻进 6m 后，下入 Ф168mm 孔口管；二开采用Ф150mm 单管钻进至150m 后下入Ф146mm 套管和筛管，水文测井后洗井做抽水试验；三开采用Ф122mm 绳索钻进6m 后下Φ114mm 套管；四开采用Φ75mm 绳索取心钻至终孔。

扩孔结构：起拔Ф114mm 套管后采用Φ122mm 口径扩孔至585m，洗井

2 施工技术措施

根据设计要求，施工方法如下

（1）小口径钻进取心

在孔深 0-82m 采用复合片或金刚石单管 Φ110 口径钻进取心，82-150m 之间采用 Φ95 金刚石绳索取心钻进钻进，150-585m 用 Φ76 金刚石绳索取心。

（2）扩孔成水文孔和试验

在 0-6m 孔段用自制合金 Φ170 钻头扩孔，下 Φ168 套管。在 6-150m 孔段采用金刚石 Φ152 钻头扩孔，下Φ146 筛管。在150-585m 孔段采用三级扩孔钻具扩孔，口径Ф122，下Φ108 套管。

3 施工中主要存在的主要困难和应对措施

3.1 钻进口径越级

0-150m 钻孔口径 Φ152，150-585m 钻孔口径 Φ76，钻孔结构越过两级，在施工 150-585m 期间容易出现钻杆断裂、脱扣等问题。为保证孔内钻具级配，防止钻杆钻具断裂、脱扣。在施工中用 Φ110 钻具钻进 1m，下Φ108 套管，又在 Φ108 套管中用 Φ96 钻具钻进 1m，下 Φ89 套管。两层套管既解决了钻进越级问题，又阻止了筛管中细砂流入钻孔，也防止后期扩孔套管起拔不成功带来的问题。

3.2 扩孔口径越级

岩矿取样和地应力测试结束后，150-585m 孔段孔径要求从 Φ76 扩孔至 Φ122，扩孔深度 435m，地应力测试造成的孔壁破坏和越级扩孔，扩孔难度非常大。为保证扩孔效率，防止扩孔偏斜，在扩孔中使用 Φ91 钻杆，设计了三级扩孔钻具（见图一），一次扩孔到底，既减少了扩孔次数，又做到了防止孔斜及原 Φ76 口径内岩心遇阻情况。

三级扩孔岩粉多，而使用 Φ91 钻杆加大了环状间隙，增大了排沙量，而设计的扩孔钻具在使用中采用常规钻头，易购、易换，也为扩孔节约了成本, 提高了效率。

3.3 孔壁稳定性差

（补充孔壁稳定性差的原因及施工中孔壁失稳的实际情况）

由于各段岩石地层不一样，钻孔主要穿越岩石地层为第四系（Q4）松散砂土砾石层、第四系（Q2-3）胶结或半胶结的砂岩或砂质泥岩、第四系（Q1）钙泥质胶结底砾岩、混合岩、二辉橄榄岩、橄榄岩、超基性岩型贫矿石、大理岩、断层影响带、断层带。施工中出现缩径、坍塌。在钻进中孔壁受钻杆柱摩擦，起下钻受阻钻进过程中引起垮孔、卡钻、缩径等孔内事故。部分孔段每次起下钻都要多次扫孔，钻进至破碎层位时，为降低成本，提高效率，根据地层复杂情况和钻孔深度采用相应护壁措施。

在矿区现有泥浆材料的前提下结合复杂地层护壁防塌要求，采用磺化泥浆体系，其具体配方为：

①第四系（Q4）松散砂土砾石层主要特点为松散，颗粒之间无胶结，钻进时井壁很容易坍塌，该地层用泥浆主要目的是增加井壁颗粒之间的胶 力 型泥浆为主，具体为水：膨润土：纤维素：纯碱：植物胶=1000 ）提粘型泥浆为主，具体为水：优质膨润土：Na-CMC ：纯碱 =100 重 1.07-1.1，粘度 25-35s，失水量小于 12ml/30min，PH 值越约 9.5。遇微小漏失时，可加入 1%～4% 随钻堵漏剂（GPC），预防漏深用量 1-2%，封堵砂层孔隙和微裂隙用量2-4%。

②地层相对完整，中等硬度岩石钻进时，主要增强泥浆的润滑性和冷却性，减少泥浆的流动阻力，对进入泥浆体系中的岩粉起絮凝作用，减少固相含量以利于提高钻速，使用聚丙烯酰胺（PAM）不分散底固相泥浆，采用 LBM（低粘增效粉）或聚丙烯酰酸钙（CPA）做为降失水剂，主要配方为水：膨润土：纯碱：聚丙烯酰胺（PAM）：聚丙烯酰酸钙（CPA）/LBM（低粘增效粉）=1000 ：4.7 ：6 ：0.2-0.4 ：0.2/2-4。或者使用 LBM（低粘增效粉）－ GLUB（润滑剂）体系，降低失水量，提高泥浆粘度和切力，降低钻杆扭矩及摩擦，防止绳索钻杆内壁结垢，对破碎地层具有良好的护壁效果，基本配方如下，水：膨润土：纯碱：植物胶：LBM（低粘增效粉）：GLUB（润滑剂）=1000 ：5 ：1 ：2\~5 ：3-5 ：0.5-1。

③钻遇二辉橄榄岩、橄榄岩、超基性地层时孔内岩石较为破碎，容易发生掉块塌孔，钻进时主要预防孔壁坍塌，泥浆主要以磺化沥青粉或腐殖酸钾做为防塌稳定剂，基本配方如下：水：膨润土：纯碱：LV-CMC（低粘羧甲基纤维素钠）：KHm（腐殖酸钾）：磺化沥青 =1000 ：4 ：2 ：7-8 ：2 ：2，但受材料质量等因素影响，通过 LV-CMC 及腐殖酸钾控制黏度。

④钻遇二辉橄榄岩以绿泥石化蚀变软弱岩层为主时，井壁粘土接触到泥浆中水时容易发生粘土吸水、膨胀、分散，需要减少泥浆对地层渗水，需要降低泥浆失水量以及增强井壁沿途的抗水敏性，配置泥浆需要注意以下几点：一是选用优质膨润土，二是添加Na-CMC（钠羧甲基纤维素）、聚丙烯酰胺（PAM）等降失水剂增加水化膜厚度，增大渗透阻力，提高泥浆粘度，三是适当提高泥浆比重，四是在 Na-CMC（钠羧甲基纤维素）、聚丙烯酰胺（PAM）作用不明显情况下换用磺化酚醛树脂和腐殖酸钾的加量以降低失水，若泥浆黏度较低，通过加大 LV-CMC 的用量进行调节（增黏）；在维护过程中泥浆黏度较高，加大腐殖酸钾的用量（降黏），也可以通过清水+ 各种处理剂配制成溶液加入到泥浆中（注意其中处理剂用量一定得加足）。基本配方如下：水：膨润土：纯碱：LV-CMC（低粘羧甲基纤维素钠）：KHm（腐殖酸钾）：聚丙烯酰胺（PAM）=1000 ：4 ：2 ：7-8 ：2 ：0.5 或水：膨润土：纯碱：LV-CMC（低粘羧甲基纤维素钠）：KHm（腐殖酸钾）：磺化酚醛树脂=1000 ：4 ：2 ：7-8 ：2 ：7-8。

⑤在钻进断层影响带时，岩石破碎，孔内容易发生掉块及坍塌，在上述泥浆基础上加 1% ～ 2% 改性沥青和 0. 1%～0 .3% 接枝淀粉共聚物或 1. 5%～2% 的 GSP（广谱护壁剂）降低失水量，吸附充填加固井壁，降低扭矩。基本配方如下：水：膨润土：纯碱：纤维素：改性沥青：腐植酸钾：接枝淀粉共聚物=1000 ：30 ：2 ：5 ：1-2 ：10 ：0.1-0.3 或水：膨润土：纯碱：纤维素：GSP（广谱护壁剂）：腐植酸钾：接枝淀粉共聚物=1000 ：30 ：2 ：5 ：1.5-2 ：10。

⑥在钻进断层破碎带采用：以 1000ml 清水 +0. 2～0 .4%SM 植物胶 +0.5～1Kg 火碱 +500 ～ 800ppmPHP 无固相冲洗液钻进，以高浓度 SH+PHP 作护孔材料，若护孔效果不理想，则采用扩孔下套管法护壁。必要时也可用水泥固结护壁堵漏，其配方为：水泥+ 水+ 氯化钠=100+40+1. 5～2 ( 重量比)。

常规条件下的泥浆性能要求如下：密度 1.02～1 .03g/cm3，滤失量 ⩽ 15mL/30min，漏斗粘度 17～20s ，含砂量≤ 0.5%，pH 值 8～9 。

针对大的破碎带，通过提高泥浆粘度和比重，适当控制失水量，使孔壁形成薄且具有一定韧性的泥皮，一是能较好的保持孔内压力平衡和排渣能力 ；二是防止破碎带掉块和冲洗液漏失。最终，有效解决了钻孔中垮孔、缩径等问题，节省了人力、物力，提高了经济效益。

3.4 试验对孔壁的多次破坏

在施工中多次试验都要洗井后进行，使原本不稳定的孔壁雪上加霜。地应力测试工作选择方法为水压致裂法，水压致裂法在测试过程即使是完整孔壁都会造成严重的破坏；加之钻具及测试仪器在孔内频繁上下串动，产生的抽吸作用使原本就不稳定的孔壁更易失稳。同时，由于该孔的特殊性，在施工中不能使用水泥护壁，只能采用泥浆和套管护壁。

为配合各种试验，根据孔壁破坏情况多次调整泥浆配方，修复孔壁。（补充现场调整泥浆配方方法）

在施工中根据孔内情况进行了多次 采用造浆性能较好的膨润土，粘土含量控制在 3%～5% 左右，纯碱 0.3%。选择中等分子量（ 又有选择性絮凝作用；选用 Na-CMC 或水解聚丙烯腈降失水；同时加 刚石钻进中钻具钻头的润滑问题，在上述泥浆中加入 0. 5%～ 1％的润 经过多次试验后，通过不断的尝试和岩层特有的造浆性能，在孔壁多 泥浆的合理使用为钻孔成功实施奠定了良好的基础。

确定泥浆配方

基浆配制：清水 +3% 膨润土+0.3% 纯碱。

钻进泥浆配制：基浆 +0.4 植物胶 +0.8% 抑制剂 +0.5%KP 共聚物 +0.4% 随钻堵漏剂 +0.4% 润滑剂 +0.03% 聚丙烯酰胺。

要求配制中对各种处理剂严格计量、分别溶解，并充分搅匀、水化，其性能见表

3.5 干钻法和跟管钻进的使用

由于钻孔上部分第四系、第三系厚度较厚，并在中间夹有砂卵石层，为保证岩心采取率、防止塌孔，施工中先采用干钻法。干钻施工至18m 后开始用跟管钻进，每钻进2-5m，用套管跟进，然后继续钻进，直到完整地层。

4 结束与建议

（1）在复杂钻孔的施工中要做好钻孔的施工设计和方案，优化钻孔结构，针对施工中出现的问题，制定合适的施工方案并做到保守通过预留手段使钻孔自始而终都有路径可寻。

（2）钻进过程中，要随时根据孔内岩层变化情况和孔壁稳定程度，及时调整冲洗液，来满足钻进要求，保证孔壁稳定，减少孔内事故率，提高钻进效率。

（3）在钻探施工中加强钻探工艺技术的研究，是保障项目工期和钻孔质量，节约施工成本和减轻劳动强度，提高钻探经济效益的关键。

（4）复杂钻孔和复杂地层的施工应选择性能良好的设备、管材，尽可能减少因机械和管材造成的事故。

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作者简介：黎攀军（1988-），男，汉族，工程师，钻探工程技术专业，主要从事的工作：小口径岩心钻探工作的管理和技术