某矿区深孔钻探施工技术研究

陈方尤，陈 帅

（广西壮族自治区地球物理勘察院，广西壮族自治区 柳州 545005）

1 引言

随着矿业勘探的不断深入，浅部勘探已经不能满足对于深部矿层信息的需求。深孔钻探作为一种高效且准确的勘探手段，在获取深部地质信息和优化资源开发方面具有十分重要的现实意义。因此，针对广西某矿区的深孔钻探施工技术进行研究，不仅可以为该矿区的资源开发提供有力支持，还可以为类似地质情况下的矿区勘探提供借鉴经验。

2 地质背景与工程目的

2.1 矿区地理位置与地质概况

广西某矿区位于南丹县芒场镇北面，距离县城19 km，孔明村附近，隶属于芒场镇管辖。交通便利，黔桂二级公路和黔桂铁路贯穿于工作区的东侧，距离南丹火车站17 km，芒场镇4 km，而孔明村至芒场之间还有便捷的简易公路相连。矿区地层主要包括石炭系的巴平组、罗城组、黄龙组以及马平组。工作区整体呈现出一种单斜构造，从东到西依次分布着大埔、黄龙组、马平组地层。大埔和黄龙组主要分布在工作区的北东部和东部，其岩层倾向在260°～280°，倾角相对较平缓，约为13°～35°；马平组则主要分布在工作区中西部地区，其岩层倾向在240°～270°，倾角较缓，约为10°～25°。此外，北西向断裂F1以及北东向F2断裂也在该地区发育，其中以北西向断裂F1为主，北东向断裂被其所切割，断层破碎带及两侧的次一级断裂也较为发育，同时还具有明显的方解石化特点。

2.2 工程目标与要求

工程目的为铅锌矿的详细勘查。矿区希望通过深孔钻探，了解矿层的厚度、埋深以及品质等关键参数。设计孔深为1 200 m，顶角倾角为90°，并要求岩心采取率不低于70%，矿心采取率不低于80%，以满足对矿层信息的全面获取与分析需求。这一目标将有助于为矿区资源的进一步开发和利用提供科学依据，从而促进矿区的可持续发展。

3 设备、材料选取与现场施工布置

3.1 设备、材料选取

（1）钻机及钻塔选用。在本次深孔钻探工程中，为满足钻探深度和钻进要求，选择了HXY-6B型钻机和HCX-18型钻塔进行施工。HXY-6B型钻机作为主要设备，其钻孔设计孔深达到1 200 m，钻孔全孔取心直径不小于Φ75 mm。这款钻机具备足够的动力和稳定性，能够满足深孔钻探的需求。而HCX-18型钻塔作为支撑设备，能够支持钻机的运行，使钻机能够在钻进过程中保持稳定的位置和角度。

（2）泥浆材料与性能测试仪器选择。由于钻遇地层复杂多变，对泥浆性能的要求较高。因此，在现场选择了一系列泥浆材料，并配备了相应的性能测试仪器，以便进行实时监测和调整。泥浆材料主要包括：PHP聚丙烯酰胺、GLUB高效润滑剂、PVA聚乙烯醇、GLA改性沥青防塌剂、GPC防塌型随钻堵漏剂、LBM-1低粘增效粉、羧甲基纤维素钠盐等。这些材料的选择是基于地质情况和钻进需要，以保证冲洗液的性能稳定和适应性强。此外，现场还配备了泥浆性能测试仪器，用于对冲洗液的性能进行测定，包括pH值、黏度、密度等参数的监测。通过实时测试和调整，保证冲洗液的性能符合施工要求，从而确保钻探工程的顺利进行。

3.2 现场施工布置

（1）钻孔场地选择与准备。钻孔场地的选择与准备是保障钻探工程顺利进行的重要步骤。本次工程选择了农田作为钻孔场地，具体布置如下：钻场面积为（10×20） m2。在选定的农田区域，进行了地表平整、杂草清理和场地清扫等准备工作，以确保钻探设备的稳定摆放和施工的顺利进行。

（2）钻塔基础构造与设备摆放。为了支撑钻机的稳定运行，钻塔基础的构造和钻探设备的摆放尤为重要。钻塔基础采用混凝土地基，基台由型钢地梁组成，分为上下两层，这种设计能够提供足够的稳定性和承重能力，以保证钻机在施工过程中不会出现倾斜或摇晃现象。在基座的主要着力点下方放置了枕木，以分散载荷并防止地基沉降。钻探设备摆放在连成一体的基台上，以确保设备的稳定性。钻机、钻塔等设备的摆放位置符合施工要求，使得钻进作业能够在稳定的环境下进行。

4 钻孔结构与钻进策略

4.1 钻孔结构设计及参数

在本次钻探工程中，钻孔的结构设计以及相应的参数选择是确保钻孔的稳定与高效进行的关键。工程选择了要求Φ75 mm的钻孔口径终孔，钻孔设计深度为1 200 m。为了应对不同地层特性，钻孔采用了多级结构，具体的钻孔结构设计如下。

钻孔结构按照Φ150-Φ130-Φ95-Φ77的四级结构进行，根据地层特性和设计要求，灵活选用不同口径的钻头，以实现钻进的高效和精准。钻孔的设计结构能够在不同地质情况下保障钻进的稳定和岩芯的有效采集采取。此外，钻进过程中的钻具选择、冲洗液体系以及钻进参数的调整，都是根据实际情况进行的，以保证钻进的安全和高效。

4.2 不同地层的钻进方式与钻头选择

钻进过程中，针对不同地层的特性和岩性变化，选择合适的钻进方式和钻头，是保证钻探工程顺利进行的关键。在研究区域中，地层特性多样，因此采用了多种钻进方式和钻头选择策略。

（1）在第四系及残坡积层中，钻进过程中遇到了砂质土、含砂黏性土和松散破碎地层。为了保障岩心的采集采取率，选用了Φ150 mm口径的品字型合金钻头进行钻进，使用了干钻方式。此种方式能够较好地应对地层破碎性和颗粒物的产生，保证岩心采集采取的有效性。

（2）在微风化破碎带中，地层呈现松散破碎特性。因此，选用了Φ130mm口径的品字型合金钻头，同时采用了润滑型冲洗液。润滑液的使用有助于降低钻头与地层之间的摩擦，保障钻进的稳定性。

（3）对于钙质泥岩等完整岩层，选择了金刚石绳索取心钻具进行钻进。由于地层完整，钻头磨损情况较为严重，金刚石绳索取心钻具能够在高硬度地层中保持较好的钻进效率。

（4）在钙质砂岩和钙质石英砂岩地层中，由于地层的坚硬性和存在的挤压破碎带，采用了S77金刚石绳索取心钻具，同时调整冲洗液的成分，增加了铵盐和改性沥青防塌剂的含量，以降低失水量并保护孔壁稳定。

（5）对于含钙石英砂岩、含钙泥质粉砂岩等地层，根据地层特点选择了适当的冲洗液体系，并使用S77金刚石绳索取心钻具。在面对含钙泥质粉砂岩吸水性强的情况，采用了低黏增效粉和其他添加剂以控制泥浆性能。

5 冲洗液体系与性能维护

5.1 冲洗液体系配制原则

冲洗液在深孔钻探中起着冷却钻头、清除孔底碎屑、稳定孔壁等重要作用。为了确保钻进的效率和钻孔质量，冲洗液的配制需要遵循一系列原则。首先，根据不同地层的特性选择合适的基础液体。基础液体通常是水，但在含钙地层中可以考虑使用含钙离子的水，以维持地层的稳定性。根据地层的特性和钻进过程中产生的碎屑选择适当的添加剂，如黏土、改性沥青等，以提高冲洗液的黏度和稠度，防止孔壁塌陷。其次，根据钻进目标和地层的特性选择合适的冲洗液。对于需要保持岩心完整性的地层，冲洗液的黏度和流变性能需要调整到适当的范围，以保证岩心的采集采取。而在一些硬岩地层中，冲洗液需要具有较低的黏度，以提高冲洗效率。再次，冲洗液的配制还需要考虑环境保护和安全性。选择环保型的添加剂，减少对周围环境的影响。同时，确保冲洗液中的添加剂不会对工作人员的健康造成危害。最后，冲洗液的配制需要根据实际施工情况进行实时调整。在钻进过程中，根据钻探速度、钻孔直径、地层变化等因素，及时调整冲洗液的配方和性能，以保障钻探工程的顺利进行。

5.2 不同地层冲洗液的选择及配制

首先，在软弱泥质地层中，为了稳定孔壁并防止孔底塌陷，通常需要采用高黏度的冲洗液。配制时可以选择添加适量的黏土和聚合物，以增加冲洗液的黏度和稠度，从而有效地控制孔壁的稳定性，防止地层塌陷对钻孔质量的影响。其次，在含水量较高的砂砾地层中，冲洗液的选择应注重冲刷作用，清除钻孔中的碎屑，防止孔底积聚。常见的冲洗液配方包括水和一些清洗剂，以确保有效地将碎屑带出钻孔，保持钻孔的畅通。

5.3 冲洗液性能维护与调整方法

在施工过程中，维护和调整冲洗液性能的方法如下。

（1）定期性能监测。在钻进过程中，应定期对冲洗液的性能参数进行监测，包括黏度、密度、悬浮物含量等。通过实验室测试和现场检测，确保冲洗液的性能与预期目标保持一致。

（2）添加剂控制。根据实际施工情况，随时调整添加剂的用量和种类。如果发现冲洗液黏度降低导致地层塌陷，可以适量添加黏土或聚合物来提高冲洗液的黏度；如果冲洗液黏度过高影响钻进速度，可以适当减少添加剂的用量。

（3）循环与替换。在连续钻进过程中，冲洗液会逐渐受到地层碎屑和污染物的影响，从而降低性能。及时采取冲洗液循环和替换的措施，可以清除孔底的堆积物，保持冲洗液的清洁度和性能稳定。

（4）pH值调节。冲洗液的pH值会影响到其稳定性和对地层的侵蚀性。需要通过适当的酸碱调节剂来维持冲洗液的pH值在合适范围内，避免对地层产生不良影响。

6 钻进过程与技术控制

6.1 钻进参数的实时调整与监测

通过准确监测和调整钻进参数，可以保证钻孔的稳定性、钻头的性能和冲洗液的有效性。钻进参数主要包括以下几个方面。

（1）转速和进给速率。钻进机钻机的转速和进给速率是影响钻头钻进效率和钻孔质量的重要因素。通过实时监测钻进机钻机的转速和进给速率，并根据不同地层的情况进行调整，以确保钻头在不同地质条件下都能保持适当的钻进速度，避免过快或过慢。

（2）冲洗液流量和压力。冲洗液的流量和压力对于清除钻孔底部碎屑、冷却钻头和稳定地层都至关重要。实时监测冲洗液的流量和压力，可以根据地层的不同特点进行调整，确保冲洗液能够充分发挥作用，防止地层塌陷和其他问题。

（3）钻头类型和尺寸。钻头的类型和尺寸应根据地质情况选择，不同的钻头适用于不同的地层。在钻进过程中，关注实时的地质反馈信息，如果发现钻头磨损过快或效果不佳，可以考虑调整钻头类型或尺寸，以提高钻进效率和质量。

（4）冲洗液成分和性能。冲洗液的成分和性能对钻进过程中的润滑、冷却、清洁等起着重要作用。通过实验室测试和实际应用，可以监测冲洗液的性能，并根据不同地质条件进行调整，以确保冲洗液的配制满足钻进的要求。

（5）钻进压力和扭矩。监测钻进机的钻进压力和扭矩可以了解钻头与地层的相互作用情况。通过实时监测这些参数，可以判断地层的硬度和稳定性，从而调整钻进的策略和参数。

6.2 地层异常情况的处理与应对策略

（1）软弱地层处理。当钻进机在软弱地层中遇到困难时，可以适当降低进给速率和转速，以避免过快造成卡钻或地层塌陷。在特别软弱的地层，可以考虑使用扩孔器或钻进套管来增加孔的稳定性，同时通过调整冲洗液的性能来提高冷却和润滑效果。

（2）岩层变化应对。在地层岩性变化较大的情况下，钻头可能会因为不同硬度的地层而磨损或失效。此时，可以根据地层岩性变化的情况，选择合适的钻头类型和尺寸，并适时更换钻头。同时，针对不同地层特点，调整钻进参数，保持稳定的钻进过程。

（3）水涌涌水处理。钻进过程中可能遇到水涌涌水现象，这可能会影响到钻进机的稳定性和冲洗液的效果。在发生水涌涌水时，可以通过增加冲洗液流量和压力来排除孔底的水，确保钻进工作不受阻碍。同时，应及时调整钻进参数，防止因水涌涌水引起的地层塌陷等问题发生。

（4）卡钻处理。当钻进机卡钻时，应停止钻进，避免强行操作导致设备损坏。可以采用反转钻杆、提升钻杆等方法来解除卡钻。在遇到复杂卡钻情况时，应根据实际情况考虑采用专业救援设备和技术。

7 结语

文章结合某矿区深孔钻探施工技术进行了全面深入的研究，为实际工程施工提供了有力的技术支持。在今后的深孔钻探施工中，需要充分考虑地质背景、合适设备与材料的选取、钻孔结构与钻进策略的制定、冲洗液体系的合理应用，以及地质异常情况的应对策略，以确保施工安全高效地进行。