湖南水口山金矿区钻探

1、PAGE 44PAGE 45水口山金矿区复杂地层深孔钻进综合治理摘 要钻探工程是地质勘查的重要手段，金刚石绳索取心钻进是目前国内岩心钻探普遍应用的施工工艺，困扰金刚石绳索取心钻进的主要难题是遇到破碎、坍塌、漏失及断层泥夹角砾层、绿泥石化和高岭石化等蚀变带，因松散、松软水敏、破碎地层而引发的孔壁坍塌、掉块，遇水膨胀而缩径、遇水溶解而超径、漏水等现象，钻孔因缺少必要的治理技术措施或采用方法不当，易造成钻进效率和质量降低，费用增加。特别是在深孔施工中，因地层复杂，破碎带的层数、深度、厚度不确定，治理难度大，致使钻孔出现孔内事故，甚至造成废尺、废孔等损失，影响对矿体的综合评价。本文依据历年来在哈达门沟

2、金矿区复杂地层钻进施工的经验教训，特别是收集当前国内有关复杂地层深孔钻进的相关资料，通过复杂地层和漏失情况判断分析、实验室测试调配泥浆、无固相冲洗液、岩样浸泡实验、现场配制调试及性能维护、堵漏方法研究、实践探索、科学管理等方法，系统分析了矿区施工地层的复杂程度，总结了复杂地层深孔钻进钻孔护壁与堵漏等施工要点和综合治理方法。根据钻层的破碎、蚀变程度和层位深浅，采取细分散泥浆、不分散低固相泥浆、普通无固相冲洗液和优质高聚物无固相冲洗液等分层钻进的技术措施，分述了实际施工中各冲洗液适宜的地层和各性能指标，确定了低固相泥浆、细分散泥浆是处理哈达门沟金矿区含角砾蚀变带、清除孔内大颗粒物的有效钻井液，PA

3、A高聚物无固相冲洗液是处理绿泥化、高岭土化等蚀变带最佳钻井液。针对不同裂隙程度和漏失情况，分述了采取顶漏钻进、冲洗液堵漏、套管护壁堵漏、惰性材料堵漏等适用的地层和方法。突出了复杂地层深孔钻进在施工材料准备、明确预防处理措施、处理孔内事故的原则和深孔钻进操作注意事项等施工管理和操作技术要求的重要性。总结得出复杂地层深孔钻进要选择适宜地层的分层钻进技术措施是施工关键，施工管理是基础，综合治理不仅是各项技术措施的综合，更是技术与管理的综合。关键词：复杂地层，钻进，护壁，堵漏，管理目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc216686862 第一章 前 言 PAGEREF

4、 _Toc216686862 h 1 HYPERLINK l _Toc216686863 1.1 研究目的意义 PAGEREF _Toc216686863 h 1 HYPERLINK l _Toc216686864 1.2 研究内容及方法 PAGEREF _Toc216686864 h 2 HYPERLINK l _Toc216686865 1.3 预期目的 PAGEREF _Toc216686865 h 2 HYPERLINK l _Toc216686866 第二章 复杂地层及护壁堵漏综述 PAGEREF _Toc216686866 h 3 HYPERLINK l _Toc216686867

5、 2.1 综合分类 PAGEREF _Toc216686867 h 3 HYPERLINK l _Toc216686868 2.2 不稳定地层分类 PAGEREF _Toc216686868 h 4 HYPERLINK l _Toc216686869 2.3 漏失地层的分类 PAGEREF _Toc216686869 h 6 HYPERLINK l _Toc216686870 2.4 冲洗液的发展 PAGEREF _Toc216686870 h 7 HYPERLINK l _Toc216686871 2.5 漏失地层的处理 PAGEREF _Toc216686871 h 9 HYPERLINK

6、 l _Toc216686872 第三章 研究区概况 PAGEREF _Toc216686872 h 13 HYPERLINK l _Toc216686873 3.1 研究区概况 PAGEREF _Toc216686873 h 13 HYPERLINK l _Toc216686874 3.2 以往钻探工作 PAGEREF _Toc216686874 h 15 HYPERLINK l _Toc216686875 3.3 钻探施工表现 PAGEREF _Toc216686875 h 17 HYPERLINK l _Toc216686876 3.4 矿区复杂程度属类 PAGEREF _Toc2166

7、86876 h 18 HYPERLINK l _Toc216686877 3.5 施工设备及工艺 PAGEREF _Toc216686877 h 19 HYPERLINK l _Toc216686878 第四章 矿区主要护壁方法 PAGEREF _Toc216686878 h 21 HYPERLINK l _Toc216686879 4.1 无固相聚合物冲洗液 PAGEREF _Toc216686879 h 21 HYPERLINK l _Toc216686880 4.2 泥浆护壁 PAGEREF _Toc216686880 h 25 HYPERLINK l _Toc216686881 4.3

8、 灌注水泥浆液护壁 PAGEREF _Toc216686881 h 27 HYPERLINK l _Toc216686882 4.4 冲洗液的现场管理 PAGEREF _Toc216686882 h 28 HYPERLINK l _Toc216686883 4.5 综合护壁实例 PAGEREF _Toc216686883 h 28 HYPERLINK l _Toc216686884 第五章 堵漏方法 PAGEREF _Toc216686884 h 30 HYPERLINK l _Toc216686885 5.1 801堵漏剂的应用 PAGEREF _Toc216686885 h 30 HYPE

9、RLINK l _Toc216686886 5.2 PAM-水泥-泥浆絮凝堵漏 PAGEREF _Toc216686886 h 31 HYPERLINK l _Toc216686887 5.3 灌注水泥浆、下套管堵漏 PAGEREF _Toc216686887 h 31 HYPERLINK l _Toc216686888 5.4 综合堵漏实例 PAGEREF _Toc216686888 h 32 HYPERLINK l _Toc216686889 第六章 施工管理 PAGEREF _Toc216686889 h 34 HYPERLINK l _Toc216686890 6.1 施工准备充足 P

10、AGEREF _Toc216686890 h 34 HYPERLINK l _Toc216686891 6.2 明确施工措施 PAGEREF _Toc216686891 h 34 HYPERLINK l _Toc216686892 6.3 处理孔内事故的原则 PAGEREF _Toc216686892 h 36 HYPERLINK l _Toc216686893 6.4 钻进操作注意事项 PAGEREF _Toc216686893 h 37 HYPERLINK l _Toc216686894 第七章 结 论 PAGEREF _Toc216686894 h 39 HYPERLINK l _Toc

11、216686895 致 谢 PAGEREF _Toc216686895 h 41 HYPERLINK l _Toc216686896 参考文献 PAGEREF _Toc216686896 h 42第一章 前言中国地质大学（北京）工程硕士学位论文第一章 前 言1.1 研究目的意义钻探工程是地质找矿的重要手段之一。随着近年来地勘市场极剧升温和地质工作的不断深入，金矿地质勘探逐步由寻找埋藏浅、易发现矿转变为埋藏深、难识别隐伏矿，施工钻孔越来越深，钻遇的地层越来越复杂，施工难度越来越大。金矿体赋存的岩层，多受构造及矿化蚀变影响，使其力学性质和完整性等有着很大差异。钻孔通过这些岩层时，会发生孔壁坍塌、掉

12、块，遇水膨胀而缩径、遇水溶解而超径、漏水等现象，即通常说的复杂地层，对钻探施工的难易程度产生重要影响。钻进复杂地层时，往往使钻进效率和质量降低，费用增加，有些地层复杂程度严重的地区甚至出现报废钻孔和钻孔无法施工的情况。研究复杂地层钻进的综合治理对金矿地质勘探具有重要的地质意义和经济意义。哈达门沟金矿区是内蒙古中西部的一个特大型岩金矿床。该区自1986年发现以来，武警黄金二支队先后在哈达门沟矿段和柳坝沟矿段发现8个脉群计69条金矿脉，累计探获（333）以上金资源/储量87.2吨。依据1992年、1994年提交的两个勘探报告，包头市鑫达公司已建成日处理矿石1000吨、平均年产黄金800千克的黄金矿

13、山。2008年初自治区国土资源厅与我部二支队签订了为期三年的联合勘查协议，总投资额为6692万元，其中岩心钻探工作量为56500米，力争三年内使矿区达到超大型金矿规模。该项目设计钻孔普遍较深，600米以上钻孔31090米，占项目钻探总工作量的55%。另外矿区地层极为复杂，钻探施工中，因松散、松软水敏、破碎地层、断层角砾而引发的孔内坍塌、掉块、漏失等难题，在每个钻孔中均有不同程度的存在，属典型的复杂地层。研究治理哈达门沟金矿区复杂地层钻进难的问题，是钻探工作能否顺利完成、联合勘查项目能否顺利进行、百吨特大型金矿目标能否顺利实现的关键。笔者自1992年以来，长期从事岩心钻探施工技术与管理工作，曾先

14、后进行过黑龙江省漠河县砂宝斯矿区、吉林汪清县杜荒岭矿区蚀变岩层钻进施工。2005年至今，一直从事哈达门沟矿区钻探施工技术指导工作，对复杂地层钻进在施工工艺、护壁、堵漏及施工组织管理进行一些资料收集和初步研究，力图通过本次对复杂地层钻进难题的课题研究，解决矿区钻探施工井故率高、成本居高不下等问题，提高施工效率，确保联合勘查任务圆满完成。同时，也为其它钻探工作者提供一定借鉴。1.2 研究内容及方法在以往工作和前人研究的基础上，总结以往的施工教训，通过理论分析的方式，判断矿区地层复杂和漏失情况属类，寻求可行的护壁堵漏方法。查阅近年关于复杂地层钻进方面的期刊资料及生产单位研制的新型护壁堵漏材料、改型管

15、材。了解相关部队兄弟单位及同行业地勘单位复杂地层深孔施工技术管理经验，选择钻井液及护壁堵漏材料，进行实验室配方及岩样浸泡实验，探索各种材料配方、性能及使用要点，优选适应矿区各地层的钻井液。采用多种综合方法进行堵漏实践对比，对不同漏失程度的孔段进行堵漏，探索堵漏规律。同时对复杂地层深孔钻进施工工艺、管理等进行综合研究，寻求复杂地层深孔钻进综合治理的方法和有效途径。1.3 预期目的对哈达门沟矿区复杂地层深孔钻进进行归纳总结，优选出适合不同地层的护壁堵漏方法，采取合理的工艺，加强管理。力图通过研究，进一步提高施工效率，减少孔内事故的发生，降低工程成本，确保内蒙古自治区联合勘查项目如期完成，也为其他钻

16、探工作者提供参考。同时，提交论文一份。第二章 复杂地层及护壁堵漏综述第二章 复杂地层及护壁堵漏综述哈达门沟矿区属典型的复杂地层。正确分析复杂地层的存在状态和特征，能有效地确定复杂地层的治理方案，克服钻孔护壁堵漏工作的盲目性，增强治理的有效性，提高护壁堵漏的成功率，实现安全钻进的目的。多年来，国内外不少学者对复杂地层的分类，从简单到复杂，从定性到定量，由经验上升到理性，进行了大量的研究工作，并提出了行之有效的治理方案与措施，对指导生产实践起到了积极作用。根据胡辰光主编的钻探工程技术及标准规范实务全书，复杂地层分类如下。2.1 综合分类根据复杂地层的成因类型、性质和状态，及其在钻进过程中可能出现的

17、复杂情况，复杂地层作如表21 所示的分类。从表21所列的复杂地层情况分类看出，在钻进过程中出现的复杂情况，归纳起来，主要为两种情况即：孔壁不稳定或孔壁失稳的地层，称为不稳定地层；孔内冲洗液漏失（或涌水）的地层，称为漏失（或涌水）地层。因此，为了针对不同性状和特征的地层采取有效的防治措施，对不稳定地层和漏失地层，还应作进一步的分类。表3 1 复杂地层综合分类表地层分类成因类型典型地层复杂情况各种盐类地层水溶性地层岩盐、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏钻孔超径、泥浆污染、孔壁掉块、坍塌各种粘土、泥岩、页岩水敏性地层（溶胀分散地层、水化剥落地层）松散粘土层、各种泥岩、软页岩、有裂隙的硬页岩粘土胶结及

18、水溶矿物胶结的地层膨胀缩径、泥浆增稠、钻头泥包、孔壁表面剥落、崩解垮塌、超径流砂、砂砾松散破碎地层松散的孔隙性地层、风化裂隙发育地层、未胶结的构造破碎带流砂层、砂砾石层、基岩风化层、断层破碎带漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、钻孔超径裂隙地层构造裂隙地层、成岩裂隙地层节理、断层发育的地层漏水、涌水、掉块、坍塌岩溶地层溶隙地层溶隙、溶洞发育的地层（石膏、石灰岩、白云岩、大理岩）漏水、涌水、坍塌高压油、气、水地层封闭的储油、气、水的孔隙型地层、裂隙及溶隙地层储油、气、水的背斜构造；逆掩断层的封闭构造井喷及其带来的一切不良后果高温地层岩浆活动带或与放射性矿床有关的地层地热井、超深井所遇到的地层泥浆处理剂失

19、效、地层不稳定、H2S 造成危害2.2 不稳定地层分类根据不稳定地层产生的原因和性状，可将不稳定地层分为“力学不稳定地层”和“遇水不稳定地层”。2.2.1 力学不稳定地层力学不稳定地层是指受地质成因或受构造运动影响造成的破碎地层，或受太阳、大气、地表水、地下水和生物活动而遭受机械破坏与化学破坏的地层。这类地层一旦被钻穿后，就会破坏其原来的相对稳定或平衡状态，使孔壁在重力作用下产生坍塌掉块等孔壁失稳现象。这类地层有些分布在地表附近，有些则可能埋藏较深。属于浅部的力学不稳定地层包括表2 1 中的流砂、砂砾松散地层，具体如风化残积层、冲积层和洪积层、流砂层等。这些地层的特征是：胶结差或不胶结、松散、

20、孔隙度大、稳定性差、透水性强、钻进时不仅孔壁易坍塌，而且还伴随着冲洗液漏失或涌水。最不稳定的流砂层，极易坍塌，甚至无法形成钻孔。深部的力学不稳定地层主要有表2 1 中的破碎地层和裂隙地层，具体如断层破碎带和交叉断裂裂隙形成的硬脆碎地层。这些地层的特征是：被破碎成颗粒或被切割成大小不等的块体，颗粒或块体间无连结、空隙大、透水性强、稳定性差。钻进时孔壁坍塌、钻孔超径，同时常出现冲洗液的漏失。2.2.2 遇水不稳定地层遇水不稳定地层是指孔壁与冲洗液接触，因而产生松散、溶胀、剥落、溶蚀等孔壁失去稳定性的地层，故亦称水敏性地层。钻进中遇到这类地层时，常出现钻孔缩径、超径、孔壁剥落、崩塌等孔壁失稳问题。依

21、孔壁遇水产生的情况不同，遇水不稳定地层又可分为：（1）遇水松散地层。这类地层由于受风化或蚀变的影响，岩层遇水后经浸泡，产生松散性破碎，表现为掉块、塌孔、孔内渣子多等。这类岩层如风化黄铁矿、风化大理岩、风化花岗岩、风化泥质砂岩等。（2）遇水溶胀地层。这类地层遇水后，颗粒或分子间的联结力降低，岩层吸水后体积膨胀，甚至进而以胶体或悬浮状态分散在水中形成悬浮体。这类岩层有粘土、泥岩、软页岩、绿泥石等。钻进这类岩层时，产生因溶胀而缩径，因分散成悬浮体而超径。（3）遇水剥落地层。这类地层由于其结构的不均匀性，如层理、节理、片理的存在，以及其充填物和胶结物的水敏性，遇水后往往产生片状剥落或块状剥落。如硬页岩

22、、片岩、千枚岩、滑石化高岭石化板岩、硬煤层等。（4）遇水溶解地层。这类地层与水接触后便溶解于水中，由于溶解的结果，使孔壁出现超径。属于这类地层的有：岩盐、钾盐、石膏、芒硝及天然碱等。造成力学不稳定的原因主要是地质因素。由于成因、构造运动、地表风化等的不同，它们产生的复杂情况及复杂程度也不相同。遇水不稳定地层除地层本身的性质、结构等决定性因素外，水的作用是促使它们发生复杂情况的主要外界因素。因此，力学不稳定与遇水不稳定是既有区别又互相联系。地质因素是两者的客观原因，水的作用是造成不稳定的外界因素。同时，力学不稳定又可因水的作用而加剧。2.3 漏失地层的分类钻孔冲洗液漏失是地质勘探钻进中经常遇到的

23、复杂情况。为了解决钻进中冲洗液漏失，必须对漏失地层进行分析研究，以便有针对性地进行堵漏。关于漏失层的分类研究，从40 年代起，国内外许多学者就已开始，至今已有许多分类方法，其中根据漏失层的一些主要参数的综合对漏失层进行分类，是在总结以前的各种分类方法的基础上比较科学而全面的一种。它是通过各种测试手段对漏失层进行测试，在取得实测资料的基础上，利用数学方法，通过电子计算机处理，综合分析而得出的。这一漏失层分类方法，是由我国地质矿产部湖南省地矿局提出的。2.3.1 漏失层参数分类中考虑了反映漏失层漏失通道大小和特征、漏失量大小和地下水活动情况的参数共5个，它们是：（1）主通道类型（R）。漏失层中冲洗

24、液流失渠道的规格较大者称为主通道。它表明漏失层的成岩与构造特征，是漏失层最严重的部位和堵漏的重点，是决定堵漏材料种类、规格和堵漏工艺的关键参数。根据漏失层的孔、缝、洞特征，主通道类型分为：孔隙类（R1）通道、裂隙类（R2）通道和洞穴类（R3）通道。（2）漏失层厚度（H）。指与不漏失层上、下界面的孔段长度，可分为薄层（H1）、厚层（H2）和大厚层（H3）3 类。（3）漏失层钻孔容量（V）。指漏失层钻孔所揭穿的空间容量，它表征其结构的破坏程度（即垮塌程度）。钻孔容量的大小是选择堵漏工艺、方法和材料用量的重要因素。按容量大小可分为：小容量（V1）、中等容量（V2）和大容量（V3）3 种。（4）漏失量

25、（Q）。它说明漏失层在一定条件下的吸收能力或吞吐能力。漏失量分为：小漏失量（Q1）、中等漏失量（Q2）和大漏失量（Q3）3个等级。（5）漏失地层地下水径流量（U）。指漏失层中含水层受推移速度影响产生的地下水流量，表明地下水的活动状态。流经漏失层的地下水径流量影响堵漏方法、堵漏工艺、堵漏材料性能及其配方用量等，是一个不可忽视的水力参数。径流量分为：微弱（U1 ）、较强（U2）和强烈（U3）3个等级。2.3.2 漏失层分类经对上述5个参数的综合统计分析，将漏失层分为11类，5个等级。漏失层分类如表22所列。此分类方法较全面地考虑了影响漏失的各种因素，是迄今为止较为全面的反映漏失层特点的一种分类方法

26、。按此方法在矿区初步试用，取得了较好的效果。钻孔堵漏成功率达8090，经济效益和社会效益显著。2.4 冲洗液的发展冲洗液在钻探施工中占有重要作用，尤其在复杂地层钻进施工中，更是实现钻进顺利的关键。钻孔冲洗液经历了如下五个阶段的发展历程：（1）清水和自然造浆阶段。约在1904 1921 年间。此时还没认识到用专门的处理剂。（2）细分散泥浆阶段。约在1921 1942 年间。开始使用粘土进行人工配浆，并使用简单的化学处理剂（如纯碱、单宁等）使粘土分散得很细，从而得到细分散泥浆。已经有了简单的测试仪器进行泥浆性能测定。（3）粗分散泥浆阶段。约在1942 1966 年间。由于细分散泥浆很容易受外界环境

27、的影响而导致性能很快变差，这促使人们去研究粘土分散与环境对其影响的问题。在当时著名的胶体电学稳定理论指导下，已经使用钙盐配制粗分散泥浆，并开发应用了大量有机处理剂（如降粘剂和降失水剂）和较高分子量的聚合物（如纤维素和淀粉的衍生物），以稳定和改善粗分散泥浆性能。在此阶段对冲洗液性能的研究和性能测试方法都有了较快的发展。表22 漏失层分类表类型级别参数组合漏失层参数名称档次划定指标孔隙类综合型大容量型大厚度型R 1 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V 1 2R1 H 1 2 Q1 3 U1 3 V3R1 H 3 Q1 3 U1 2 V1 2孔隙R 1裂隙R2洞穴R3S 点孔状S 条脉状S 管洞

28、状裂隙类综合型大容量型大厚度型强径流型R 2 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V 1 2R2 H 1 2 Q1 3 U1 2 V3R2 H 3 Q1 3 U1 3 V1 2R 2 H 1 2 Q 1 3 U 3 V 1 2厚度薄层H 1厚层H 2大厚层H31m1 10m10m容量小量V1中量V2大量V 33V T3 10V T10V T洞穴类综合型大容型大厚度型强径流型R3 H 1 2 Q1 3 U1 2 V1 2R3 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V3R3 H 3 Q1 2 U1 2 V1 2R3 H 1 2 Q1 3 U3 V1 2漏失量小漏Q1中漏Q 2大漏Q305R P051

29、.0QP1.0Q P径流量微弱U 1较强U2强烈U31lmin(110)lmin10lmin注：VT 理论容量；QP 泵量（4）不分散低固相泥浆阶段。由于泥浆的性能主要由高分子聚合物来控制，其中的粘土含量很少，所以它既有较好的流变性，又有较好的护壁性能，可得到较高的钻速。泥浆处理剂已发展到16大类，200多个品种，1500余种商品。对流变学的研究更加深入，形成若干理论。已经使用整套的泥浆性能测试仪器。泥浆的固相控制设备已较完善。（5）无固相聚合物冲洗液阶段。聚合物在冲洗液中的应用，就使得冲洗液中不含粘土固相成为可能。这不但极大地提高了钻速，而且能获得很好的胶结护壁效果，因而，无固相冲洗液非常适

30、合钻进深孔和钻进复杂地层。近十年来，无固相聚合物冲洗液发展很快，如本文提到的PAA等。其它类型的冲孔流体，如空气、空气泡沫、雾气、充气液体等也随着钻进方法的发展有了不同程度的发展。钻孔冲洗液每一种新类型的出现，都是钻孔工程技术发展的需要，由于每一种冲洗液都有其适用条件。因此，它们之间不是新类型完全淘汰旧类型的关系，而是性能的差异和适应条件不同而已。2.5 漏失地层的处理根据对钻孔漏失原因的分析，得知钻孔漏失是在下列条件下发生的：岩层具有裂隙和孔洞，为冲洗液漏失提供了天然通道；孔内液柱压力大于地层压力，在压力差作用下迫使冲洗液沿裂隙和孔洞流失。因此，解决漏失的方法应从：调整孔内液柱压力；堵塞冲洗

31、液漏失的通道；将漏失层与钻孔隔离等几个方面着手。1.泥浆堵漏泥浆堵漏是最基本最常用的方法，也是在轻微漏失地层堵漏的行之有效的方法。在漏失地层中使用的泥浆，其性能应符合：比重小、粘度和切力大的要求。比重小可降低液柱压力，减小液柱压力与地层压力间的压力差，削弱或消除压力差对漏失的影响。粘度和切力大的泥浆，当渗入漏失层的裂隙或孔洞后，因流速变慢，容易形成结构。同时泥浆在孔壁上形成泥皮，达到堵塞漏失通道的目的。当漏失层的裂隙或孔洞较大时，可在泥浆中加入一定量的惰性填充物，以提高堵塞漏失通道能力达到堵漏的目的。一些常用的泥浆堵漏的方法大致如下。（1）采用高粘度，高切力，低比重的泥浆在轻微漏失层中预防及处

32、理漏失。其具体方法是选用造浆率高的膨润土，适当加大粘土含量并加碳酸钠处理，使泥浆比重控制在1.1以下，粘度在3040s以上和切力较大而失水量较小。如泥浆性能达不到上述要求，可采用有机增稠剂处理，如采用香叶粉等处理以提高泥浆粘度和切力。（2）采用泡沫泥浆预防及处理漏失：在泥浆中加入发泡剂和稳泡剂，使泥浆通过搅拌混入空气，达到配制成充气泡沫泥浆。充气泡沫泥浆所使用的发泡剂有阴离子型和非离子型两类。虽然阴离子型发泡剂有较强的发泡能力，但当遇盐、钙浸时会失效或减效，另外岩粉也会大量吸附阴离子型发泡剂，因此采用非离子型发泡剂比较适合。充气泡沫泥浆对原浆的要求是：泥浆比重不大于1.081.1，粘度2530

33、s，失水量一般不超过20mL30min。钻进过程中，岩粉会吸附发泡剂，会逐渐消泡，必须补充发泡剂并利用泥浆喷枪进行充气工作。（3）采用石灰乳泥浆处理漏失：在泥浆中加入浓度为1020的石灰乳，其加量根据具体情况决定，使泥浆粘度和切力提高到要求的数值，并由泵送入或由孔口注入，以堵塞漏失通道达到堵漏的目的。（4）采用冻胶泥浆处理漏失：在泥浆中加入水泥、氯化钙、水玻璃等结构剂，使泥浆形成高粘度的冻胶状。从孔口灌注到钻孔中，使高粘度的冻胶物在漏失通道中凝固，堵塞漏失通道，以达到堵漏的目的。（5）采用填充材料架桥及泥浆相配合的方法处理漏失：在普通泥浆（或高粘度和高切力泥浆）中加入惰性填充材料（如棉籽壳、云

34、母片等）经搅拌均匀后作冲洗液，泥浆中的填充物进入漏失后的裂隙中，填充堵塞裂隙达到堵漏的目的。填充材料的规格应适应漏失通道的大小。填充材料的加量应根据具体情况来决定。2.粘泥和泥浆配合处理漏失将粘结性强的粘土加适量的水调合成可塑状的软泥，为了提高堵塞能力，可在软泥中加入锯末、麻刀等填充物，根据孔径大小做成不同规格的泥球，待表面稍微风干后，由孔口投入（或送入）。投入时要防止泥球中途卡塞，投入泥球后用粗径钻具将粘土挤入岩层的漏失通道中，然后用泥浆作为冲洗液缓慢扫孔，使粘泥封闭漏失通道达到处理漏失的目的。3.水泥浆堵漏利用水泥浆来处理钻孔漏失是一种常用而有效的方法，它是利用钻杆泵送或灌注器注入水泥浆来

35、填充、胶结、封闭漏失通道的方法。在处理漏失时，要求水泥浆有一定的流动性能，以便流入漏失通道中并在其中凝结、封闭漏失通道，同时要求水泥浆的凝固时间要适当，以减少水泥浆液的漏失或被地下水稀释，提高堵漏的效果。堵漏时应选用硫铝酸盐地质勘探专用水泥，如选用普通硅酸盐水泥时，应在水泥浆中加入速凝剂，以加快水泥浆液的凝固速度。水泥浆液的配方应根据实际情况通过试验的方法确定。如为孔壁漏失，则应在漏失孔段的下部选孔壁规则完整的地方进行架桥，然后再进行灌注水泥浆，以取得用最少的水泥浆即可达到堵漏的目的。4.化学浆液堵漏化学浆液用于防止渗漏的历史虽然不太长，但已收到不同程度的效果，还有待于进一步研究完善。从堵漏的

36、观点来看，化学浆液的性质应以能填充漏失通道并迅速凝固胶结封闭为主，其次再考虑浆液固结物的强度。目前使用的化学浆液有：脲醛树脂、氰凝、301聚脂、丙凝、铬木素浆液等。堵漏时应根据钻孔漏失的强度和漏失层的特点来选择化学浆液的类型。如在地下水活动剧烈的漏失层中，必须考虑浆液的凝固速度和地下水位活动的影响问题。5.填充法（架桥法）与其它堵塞胶结法联合堵漏此种方法是先往孔内送入填充材料堵塞大裂隙或空洞，减弱其漏失能力，再用其它堵塞胶结的方法，以减少堵塞胶结物的漏失，提高堵漏效果。常用的填充物有：锯末、稻壳、榛子壳、橡子壳、核桃壳、云母屑、棉子壳、玉米棒等。如漏失通道较大且地下水活动剧烈时，可采用砂、砾做

37、填充材料。生产实践证实砂子充填的部位有较大的抗压强度，具有冲不垮、压不开的特点。砂、砾可采用天然的河砂砾，其规格视漏失通道的大小而定，投入的速度要慢，以防中途卡塞，投入后应开泵送水将砂砾送入漏失通道，当投入的砂砾超过漏失孔段顶部0.51m左右，即可用粘度为30s左右的泥浆冲孔，用专门钻具扫孔并捞出多余的砂砾，然后续继用泥浆护壁正常钻进。如漏失孔段的孔壁不稳定而易坍塌时，在用砂砾填充后可灌注水泥浆，待水泥浆固结后可扫孔钻进。6.套管隔离法对严重坍塌超径、老窿、大裂隙、大溶洞等严重漏失层，当用其它方法仍无法控制时，则可下入套管（或暗管）将漏失带与钻孔隔离。对套管的底端和暗管的顶底端部，必须严密封闭

38、止水，否则达不到堵漏的目的。第三章 研究区概况第三章 研究区概况3.1 研究区概况哈达门沟金矿区位于包头市九原区阿嘎如泰苏木和乌拉特前旗沙德盖苏木境内（交通位置图见图2-1），地处阴山山脉乌拉山中东段，其范围西起乌兰不浪沟，东至平方沟，南邻河套平原，北邻沙德盖盆地，东西长约12km，南北宽约15km，实际工作区面积约100km2。分为哈达门沟矿段和柳坝沟矿段。图3-1内蒙古自治区包头市哈达门沟矿区交通位置图地理坐标（极值坐标）：哈达门沟：东经：10930001093630北纬：403930404400柳坝沟： 东经：10930001093500 北纬：404400404530区内山势陡峭，海拔

39、1768-2255m，冰冻期从10月下旬至次年4月，无霜期约158天。矿区大地构造位置位于华北地台北缘()内蒙台隆()的乌拉山复背斜()南翼。矿区内出露的地层是晚太古界乌拉山群第三岩组的一部分，按岩性划分为五个岩性段，从老到新分别为黑云角闪斜长变粒岩、黑云角闪二长片麻岩、含榴石黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩及黑云二长片麻岩，是一套原岩为火山碎屑岩建造的中高级变质岩。其中第二、第三、第四岩性段是金矿体的主要赋存层位。区域内构造非常复杂，褶皱、断裂构造十分发育，哈达门沟金矿赋存于复背斜南翼近核部的断裂内，矿化类型以含金石英脉网脉的钾长石蚀变岩型为主，是哈达门沟式金矿比较典型的矿脉，矿区长期受南

40、北向的挤压应力影响，从南向北在工作范围内形成一个逐渐减弱的动力变质带，不仅发育一系列断裂破碎带，而且形成了各种动力变质的岩石。按其破碎程度和岩石性质，可分为断层角砾岩、糜棱岩及碎裂质岩石。图3-2 哈达门沟金矿区综合地质图图3-2 哈达门沟金矿区综合地质图断层角砾岩主要分布在断裂破碎带之内，矿区南侧的钾长石化蚀变岩两侧，经常可以见到几米数十米的角砾岩带，硅质胶结，有时为碳酸盐胶结。碎裂岩在矿区内非常普遍，特别是在矿体及其顶底板围岩中非常发育，呈碎裂结构，压碎构造，岩块多呈尖棱角状不规则状。图3-3 矿区典型破碎带糜棱岩化岩石主要分布在构造破碎带附近，在矿区西部的大坝沟两侧发育，在矿体的局部地段

41、有出露。由于受动力变质作用，多数长石、石英已成较细的碎粒，并沿一定方向分布，少数石英呈粒斑出现。图3-3 矿区典型破碎带在构造有利部位寻找蚀变带，蚀变类型主要为钾长石化、硅化、绿泥石化、高岭土化、绢云母化、碳酸盐化。本区的围岩蚀变主要有钾长石化、硅化、其次是绢云母化、绿泥石化、高岭土化。 图3-4 矿区典型破碎蚀变带岩心3.2 以往钻探工作该矿区分为哈达门沟矿段和柳坝沟矿段。1986年初，原武警黄金十一支队在该区进行岩金普查时，发现了哈达门沟金矿，之后相继开展了地质普查、详查、勘探及地质科研工作，1999年，发现了柳坝沟矿段。截止2007年底，矿区累计完成钻探实物工作量74000米，2008年

42、又施工钻探工程量18000米，其中我部自营7500米。哈达门沟矿段：1987年开始对13号矿脉开展深部钻探工作，少部分在24号脉，在此阶段共投入钻探12513m，13号脉群已基本完成了普查，局部达到详查程度。1989年地质工作转入详查阶段。1990年原十一支队与国家黄金管理部门前定了“892规划”项目合同，详查与勘查工作穿插进行，矿区的勘探工作进入高峰期。“892规划”项目于1992年底提交勘探报告，提交的储量已达到大型矿床的储量规模。该阶段共投入钻探28675米。1993年原武警黄金第十一支队提交了24号脉的地质勘探报告，项目共投入钻探6513.83米，通过工作发现该脉地表矿化较强，金品位较

43、高，深部矿化较弱，金品位较低。上述13、24号脉地层相对完整，钻探工作采取普通金刚石单动双管钻进，冲洗液采用细分散泥浆和低固相泥浆，且钻孔较浅（多为400米以内），钻探施工相对较顺利，但效率不高（台月效率仅350米/台月），采取率也仅达80%左右。1999、2005、2006年武警黄金二支队对25、28、55号脉开展地质普查工作，累计施工钻探2800米，由于该矿脉北倾，地层南倾，为顺层钻进，坍塌、掉块、漏失十分严重，孔内水位极低，加之脉体较为破碎，个别地段脉体呈炉灰状，采取率严重不足，施工效率低。因此，影响了对该矿脉深部的评价。柳坝沟矿段：1999年2001年武警黄金二支队对柳坝沟矿段313号

44、脉、307号脉开展地质普查工作。2005年在313号脉西段开展工作，2006年在313号脉东段、中段、西段开展工作，累计施工钻探3500米。2007年对313、314号脉开展全面勘探工作，313号脉深部东段、中段、西段进行钻探施工，该矿段累计钻探钻探12319米。期间，由于施工钻孔越来越深，加之西段地层较复杂，施工效率较低，影响矿体的评价进度。过去由于对矿区地层的复杂性认识不足，采用的工艺技术不合理，加之管理不善，严重影响钻进效率甚至导致多个钻孔报废。如2005年施工的zk10002号孔，在施工至160米处，出现4米厚的绿泥石化破碎带，由于预防工作没有做好，导致孔内坍塌，采用冲孔、捞沙、灌注水

45、泥等方法，共处理19天，无法通过，不得不报废。2006年施工zk10804号孔时，在450米处出现坍塌，长约5米，先后采取泥浆冲孔、干钻、灌注水泥浆等多种办法，都无法通过，共处理22天。最后不得不下套管，换用59绳索取心钻具终孔。2007年以前，虽然我们一直在研究矿区复杂地层钻进难的问题，但始终没有形成一套行之有效的处理方法，导致孔内事故不断，钻进效率低下，成本连年超支。由于该区一直由我部进行地质勘探及钻探施工，除进行过地质科研工作外，只有二支队钻探工程师李维贞在浅谈复杂地层钻进中护壁与堵漏一文（ 探矿工程，2004期）中，就该区和干斯陶勒盖矿区钻探难题有过初步的治理方法论述。但由于当时矿区施

46、工钻孔较浅，且均在哈达门沟矿段施工，地层尚不复杂，仅有局部坍塌、掉块和漏失，未发现绿泥石化等破碎蚀变带，故论述较为简单。其它各类文献没有该区与钻探相关的著述。3.3 钻探施工表现加快勘查的矿段主要在柳坝沟矿段，部分在哈达门沟矿段。区内岩石为中等研磨性，可钻性79级，个别地层达到10级。柳坝沟矿区地层一般漏失较少，其复杂性主要表现在:每个钻孔都有24层破碎蚀变带，厚度在几米至几百米不等，不返水。孔内坍塌、掉块严重，并伴有缩径现象，造成下不去钻、断钻等事故，无法正常施工，个别钻孔因无法处理而报废,严重影响钻进效率。特别是每个钻孔都在见矿前存在1-2层绿泥石化蚀变带，该蚀变带厚度2-16m不等，埋深

47、各异，主要由绿泥石、高岭土、蒙脱石组成，该层遇水即散，坍塌、缩径随之发生，扫孔相当困难，扫孔过程中，孔内阻力大、泵压高，坍塌物难以排出孔外，即便能扫到孔底，一提钻，钻具还在扫孔前的位置。由于孔内阻力大，时常造成断钻、脱扣事故，扫孔过程中只要一停泵，必定造成埋钻事故。由于坍塌物堵塞孔壁间隙，泵压快速增高，压裂地层造成严重漏失、不返水。坍塌后，无论是泥浆冲孔、干钻都无法排除坍塌物。而该层的深度是跟着矿体走的，随着孔深的增加，绿泥石化蚀变带的位置也在加深。通常，在200米以内，扩孔下套管最简单有效，但200米以后扩孔下套管的办法难度较大，而且破碎带的层数、深度均不确定，可供换径的选择余地有限，只能采

48、用多种护壁堵漏相结合的方法，才能有效地解决复杂地层钻进难的问题。哈达门沟矿段突出表现为：25、28、55号脉矿脉北倾，地层南倾，为顺层钻进，坍塌、掉块、漏失比较严重，孔内水位极低，加之脉体较为破碎，个别地段脉体呈炉灰状，采取率严重不足，施工效率低。3.4 矿区复杂程度属类通过钻进施工复杂情况的表现、所采岩矿心的观察，结合复杂地层分类情况，矿区柳坝沟矿段为典型的砂砾松散破碎地层和水敏性地层，属断层破碎、蚀变带，其中的绿泥石化、高岭土化蚀变较强，内含大量角砾，一旦因冲洗液性能不良、不能有效保护孔壁稳定，钻具回转呈现阻力很大甚至蹩车，泥浆粘度、比重、含砂量升高，循环槽内有大量上部的地层碎屑，泵压升高

49、甚至蹩泵，提钻开始时阻力很大，下钻不到底必须扫孔才能到底。同时，当有泵压时，冲洗液将压入地层微小裂隙中，造成短暂漏失，一旦钻头提离孔底、泵压降低，冲洗液将快速涌回孔内，发生涌砂、孔壁垮塌、钻孔超径或缩径等现象。同时，有大量角砾被冲洗液带出，并沉淀于孔底，形成“群砾封门”，且难以排出孔外。因此类地层深度较深、厚度不定，难以穿过，下套管、水泥灌注等均难以达到预期效果，必须在提高钻井液的护壁性能上作文章。通过钻进施工复杂情况的表现及地表出露岩石裂隙、所采岩矿心的观察，根据漏失层的分类，哈达门沟矿段25、28、55号脉为顺层钻进，自浅表的相对完整逐渐到漏失比较严重，直到全孔漏失，一般自80米深以后为全

50、孔破碎，孔内水位极低几近孔底，转动困难，为大厚度、大径流量、大漏失量的裂隙型漏失，必须采取有效的堵漏和润滑相结合的措施，方可实现正常钻进。3.5 施工设备及工艺我部在该矿区共开动两个机台（其它8台为外部施工方），为XY-44。XY-44钻机为XY-4型钻机的改型产品，其施工深孔的能力进一步增强，适合矿区深孔施工需要。我部七支队在山东大磨曲家矿区曾施工终孔口径59钻孔深达1045米。其技术参数为：立轴转速：正 83，152，217，316，254，468，667，970 r/min 反 67，206r/min立轴行程：600mm立轴最大起重能力：120KN立轴最大加压能力：90KN卷扬机最大提升

51、能力（单绳）：45KN卷筒容绳量（5层）：70米卷扬机提升速度（单绳3层）：0.7, 1.29, 1.84, 2.68m/s钢绳直径：17.5mm动力机功率：37kW动力机转速：1500r/min质量（kg）：2450生产厂家：连云港黄海机械厂同时，为满足深孔施工泵量、和冲洗液上返流速的需要，泥浆泵选用BW-250型泥浆泵。其技术参数为：泵速（1/min）： 200 116 72 42缸径80mm时流量（l/min）： 250 145 90 52压力（MPa）： 2.5 4.5 6 6缸径60mm时流量（l/min）： 166 96 60 35压力（MPa）： 4 6 7 7质量（kg）：50

52、0功率（kW）：15.44生产厂家：衡阳探矿机械厂采取的钻进工艺为S75金刚石绳索取心钻进工艺，其中一个机台钻杆为71普通绳索取心钻杆，另一机台为新购置的XS75新型绳索取心蹾粗钻杆，其抗拉、抗扭强度大，不易发生钻杆脱扣、折断等事故。因该地区地表覆盖层较薄，通常开孔即为基岩，且岩石硬度较大，大径开孔或频繁扩孔、下套管、换径效率较低，故钻孔结构比较简单。一般采用130或110开孔，下入孔口管后，换用91金刚石钻进至完整基岩后，下入89套管，然后改用75钻头钻进至终孔。当施工钻孔大于600米以上、破碎蚀变带埋藏较深时，在600米左右下入73套管，改为59钻进至终孔。同时，在野外建立简易泥浆实验室，

53、进行各种冲洗液配方的岩样浸泡试验和性能测试，从中选出合适的冲洗液。岩样为从钻孔中取出的蚀变层岩心，事先制成19mm柱状，晾干待用。机台配备了简易泥浆测试仪器，定期对现场泥浆性能进行测试，控制固相含量，及时性能维护。图3-5 矿区简易实验室图3-5 矿区简易实验室第四章 矿区主要护壁方法第四章 矿区主要护壁方法孔壁的坍塌或缩径主要是由于岩石破碎、松散无胶结或胶结程度很差，易被溶蚀，水化膨胀，是在外界条件（孔壁岩石受力的变化，冲洗液的性能，冲洗液的浸泡与冲刷，钻具的震动与敲击，升降钻具时的压力激动，钻进技术参数与操作等）的作用下而发生的。因此，在预防或处理孔壁坍塌或缩径时，应根据岩性正确地选择冲洗

54、液类型和配方，采用人为的胶结方法增强松散破碎岩层的稳定性，减少或消除外界条件的影响，采用隔离坍塌的孔段等技术措施。由于哈达门沟矿区破碎带的层数、深度、厚度不确定，单纯采用任何一种护壁措施都很难取得最佳的护壁效果，必须灵活运用多种护壁措施，才能有效治理矿区的复杂地层。通过冲洗液配制和岩样浸泡实验，柳坝沟矿区施工中，除在钻进完整和微漏失地层时，采用乳状液；在轻微漏失和中等破碎地层时，使用普通PHP无固相冲洗液外，复杂地层主要采取以下措施。4.1 无固相聚合物冲洗液无固相聚合物冲洗液（简称无固相冲洗液），也叫无粘土冲洗液。它由水、高分子聚合物和无机盐组成。与泥浆相比，它具有钻速高、护壁性能强、流变特

55、性可调范围大、紊流减阻作用好、有较强的预防冲洗液漏失能力和较好的润滑性等优点，适用于小口径岩心钻探钻进复杂地层。性能为：PH=7，漏斗粘度18-25秒，全失水，浸泡岩样时间可达24h。当发现含粘土类矿物的岩层时，为防止遇水膨胀的，可加入KCl：0.3。为有效润滑钻具，实现高转速金刚石钻进，故加入一定的乳化油。配制前，应提前两天预泡PHP干粉,浓度为1%。泡制搅拌时,慢慢分散地加入PHP干粉,以防PHP成块状。千分之四该冲洗液因其中主要成分为PHP，故其防塌性能不强，但因配制简便，成本低，向机台运送的材料少，通常可用于较完整岩层、遇水不会很快塌散的薄松散性岩层和轻微破碎岩层。配方PAA粉0.52

56、%助剂A 0.025%助剂B 0.081性能：漏斗粘度23-27秒，比重1.03，失水量7-12L30min。经过岩样浸泡试验，极为松散的绿泥石层等岩心置入其中可保持长时间不散。浓度越高，护壁效果越好。（5）当发现冲洗液量不足以替换出孔内原有冲洗液时，不得随意加水降低浆液浓度，应补充符合性能指标的PAA浆液。（6）加温溶解PAA时，最好将油桶置于有水的水箱中，依靠水温加热，以免PAA挂在桶壁结块、烧糊，造成浪费。4.2 泥浆护壁在矿区多年的施工经验证明，在孔壁已经坍，和PAA无法实现护壁的情况下，尤其是坍塌的大颗粒无法排出孔外时，使用不分散低固相泥浆或细分散泥浆是最佳的选择。因其粘度大，能够排

57、除孔内无固相冲洗液所无法排除的大颗粒坍塌物，即“群砾”，而且泥皮的护壁效果要好于无固相冲洗液的吸附、胶联效果。4.2.1 不分散低固相泥浆4.2.1.1不分散低固相泥浆的优点固相含量少，泥浆密度不高，孔内液柱对孔底压力小。泥浆中粘土颗粒不过细分散，对钻速影响的颗粒少。清洗孔底的能力强，具有较强的携带岩粉能力具有较强的护壁能力。由高聚物处理的泥浆，其护壁作用包括粘土在孔壁表层形成的滤饼胶结作用；高聚物在孔壁内孔隙的岩石表面上的吸附胶结作用；高聚物对泥皮的胶结作致密作用。4.2.1.2 不分散低固相泥浆的配方及性能不分散低固相泥浆的配方为：膨润土 ：4Na-CMC:聚丙烯酰胺：0.01%乳化油：其

58、性能是：旋转粘度为15.0,失水量为10-13ml,比重1.04g/cm3,PH值为8左右,泥饼厚度为0.5mm,苏氏漏斗粘度为2630s。4.2.1.3 泥浆的配制过程按配制1立方米泥浆为例：分别溶解1.5kg纯碱、3kg降失水剂Na-CMC和1%的PHP溶液备用。搅拌机内加入700L水，缓慢加入膨润土4050kg，搅拌均匀。倒入纯碱溶液，搅拌均匀。细流加入1%PHP溶液10L。加入降失水剂Na-CMC溶液，搅拌均匀。取3kg切削膏，水溶后加入搅拌均匀。补充清水至1立方米，搅匀即可使用。当该泥浆仍无法排出大颗粒物时，可适当增加粘土含量至10-15%，不加PHP，即为细分散泥浆。配1立方米细分

59、散泥浆配方为:膨润土160公斤，烧碱1.5公斤。性能：漏斗粘度26-30秒，泥皮厚度0.6毫米，失水量15毫升/30分，比重1.12。其粘土含量高，泥浆密度大，可有效排出孔内岩粉。4.2.2 LBM-1低粘增效粉的应用无论是不分散低固相泥浆还是细分散泥浆，其共同的缺点在于绳索取心钻进中，投放内管速度慢，钻杆内壁易结泥皮，不宜开高转速。为解决这一难题，今年我们购进了北京探矿工程研究所研制生产的LBM1型低粘增效粉，该粉是由优质膨润土和GSA等多种高分子化合物的高温聚合物，其特性为：（1）在水中极易分散，配浆方便。（2）单用LBM和水就可以配出不同性能的泥浆，无需加入其它材料。（3）加量少，一般在

60、3%以下。（4）胶体性能稳定。（5）流动阻力小。泥浆沉沙性能好，可有效防止绳索取心钻进钻杆结垢问题。（6）泥浆润滑性能好。配1立方米泥浆: LBM1型低粘增效粉30公斤。性能：漏斗粘度18秒，泥皮厚度0.5毫米，失水量15毫升/分。该冲洗液具有低粘度、低切力的特点，钻进中钻杆内壁不易结泥皮，护壁作用好，适宜开高转速，但对大颗粒坍塌物携带能力弱。针对这一特点，我们在使用不分散低固相泥浆或细分散泥浆穿过破碎层后，换用增效粉钻进，既保护了孔壁，又实现了快速钻进。4.3 灌注水泥浆液护壁泥浆穿过泵送水泥浆液护壁必须重点把握以下几个环节：（1）准确计算灌注孔段的体积，水泥及添加剂的用量。（2）准确把握水