浅谈压力平衡钻进技术在金矿复杂地层中的应用

　　
　　一、前言
　　我队是一个以找金为主的综合地质队，建队30多年来主要在胶东半岛西北部进行金矿的普查、勘探工作，在已探明的33个金矿中有5个特大型和1个大型金矿都是在招（远）—平（度），龙（口）—莱（州）和三山岛—仓上三条断裂带及两面上找到的，均属构造破碎带蚀变岩型金矿。该类型金矿有较稳定的主裂面，沿主裂面几厘米—几十厘米厚的灰黑色断层泥、并有几十米—上百米的构造破碎岩带。随着多次的构造活动，沿构造带贯入的含矿热液对围岩发生渗透、扩散、交代作用，形成了具有钾化、硅化、绢云母化、高岭土化、黄铁矿化及碳酸盐化的含矿蚀变带、蚀变带内的断泥层、糜棱岩、构造角砾岩具有强烈的水敏性、胶结性和稳定性很差，因此在上述地层中钻进时极易发生坍塌、掉块、缩径、漏失、取心因难等现象，给钻探施工带来诸多困难。
　　过去，我队一直采用钢粒大口径钻进，由于工艺方法落后，效率低、成本高、质量差，不能最大地满足地质工作的需要。83年推广绳钻技术以来，由于复杂地层护孔问题未获全面解决和其它客观因素影响，使这项技术推广缓慢，已上马的4台钻机也未能发挥出金刚石小口径钻探的优越性，87年在刘广志总工程师指导下，开始试验应用推广压力平衡钻进技术，经过5年多的实践与摸索，这项技术在我队已日趋完善，近3年来不仅成功地解决了象仓上矿区这样具有典型和特殊性的金矿复杂地层（硬、脆、碎、酥、糟）施工技术难题，而且全队的探矿工程连年取得了十分显著的技术和经济效益。
　　二、压力平衡钻进技术的基本理论
　　⑴压力平衡原理
　　压力平衡钻进技术的实质，就是要求施钻人员，在正确掌握地层压力和地层压漏或压裂压力的前提下，必须合理地调控作用于环空的各种外压力，使钻孔压力的总和无论在何种状态下，都始终等于或稍大于地层压力，但却小于地层的压漏或压裂压力，以数学式表示：
　　Pfrac＞Pw≥Pf⑴
　　用当量密度表示上述压力⑴式又可写为：
　　Efrac＞Ew’≥Ef⑵
　　式⑴、⑵中：
　　Pfrac、Efrac分别表示地层压漏或压裂压力（MPa）及其当量密度（Kg/m3）
　　Pw、Ew分别表示钻孔压力（MPa）及其当量密度（Kg/m3）
　　Ef；Efrac是地层所固有的，它限定了钻孔压力的上限和下限。只有EW可以人为调节，在一般情况下应使EW稍大于Ef，而且大大低于Efrac，这样施工最安全。
　　⑵钻孔各种压力确定依据
　　钻孔孔壁在地下的受力状态是复杂的，既有地下地层本身所固有的内压力（地层压力和地层上覆压力），又有人为施加压力的外压力（环空压力）。内压力和外压力在目前的小口径钻探中式很难确定的，只能对其作一些粗略或经验估计以供参考，据有关资料介绍，各种压力的确定为：
　　⑴地层压力
　　地层压力是指地层孔隙中流体的压力，金矿地层中的流体是水，因此，地层压力实际上是地层水的压力。
　　如果地层含水Ef值一般在800—900Kg/m3以下，高于1200Kg/m3者极为罕见。如果地层不含水，尤其是开放式的构造，则地层压力大多数为0。
　　⑵压漏或压裂压力
　　完整致密地层Efrac＞3000Kg/m3；
　　泥质胶结的地层Efrac＞2300Kg/m3；
　　非胶结的破碎带、节理或裂隙地层Efrac≈（1.04～1.08）Ef
　　孔深小于200m时取上限，较深时取下限。
　　⑶环空外压力
　　环空外压力（用当量密度表示）由下述压力组成；
　　EW泥浆柱静压力Em
　　液动压力Ed环空压力降Eα
　　跃动压力Eδ粘滞波压力Ev
　　惯性波压力Ei
　　结构波压力Eg
　　除泥浆柱静压力外，其它四种压力都是动压力。环空外压力式上述五种压力的总和。在不同工况下，环空外压力的组合是不相同的，见表1。

　　各种压力的当量密度计算式为：
　　1、泥浆柱静压力的当量密度
　　Em=ρ⑶
　　ρ—孔内冲洗液的密度。
　　2、环空压力降的当量密度
　　2
　　Ea=f12ρVa
　　───⑷
　　Dg
　　Va—环空平均流速
　　3、构波压力的当量密度。
　　4īg
　　Eg=───⑸
　　Dg
　　īg=0.511Qg
　　4、粘滞波压力的当量密度
　　2
　　Ev=f12ρVa
　　───⑹
　　Dg
　　Va=1.5（Kf+Kd）Vp⑺
　　22
　　Dp-Do
　　Kd=──────
　　222
　　Dh-dp+Do
　　Vp—起下钻速度
　　Kf—冲洗液的粘性系数，一般情况下取Kf=0.45
　　DH、Dp和Do分别为孔径，钻杆外径和内径。
　　5、惯性波压力的当量密度
　　ρhaаp
　　Ei=──────
　　g
　　аp—钻具的加速度
　　三、压力平衡技术在金刚石绳钻中应用要点
　　根据压力平衡钻进理论、在金刚石绳索取心钻进中必须有效地调控动压或动压、静压同时调控才能取得压力平衡钻进的效果，而调控上述压力应当解决以下几方面的问题：
　　⑴金刚石绳钻最突出的技术特点是钻具、钻杆与孔壁之间的环状间隙小，钻进过程中，冲洗液循环的上返流速、流动阻力非常大，这对不稳固地层的孔壁稳定极为不利，动压力是影响小口径钻孔孔壁稳定的关键因素，是首先需要解决的问题。在目前金刚石绳钻技术中，解决这个问题最好的方法就是加大钻头和扩孔器的外径，降低冲洗液的上返流速和流动阻力，以实现压力平衡达到安全钻进的目的。
　　⑵根据公式⑷可以看出，环空压力降得大小与环空平均流速Va平方成正比，而Va的大小是由泵量和泵压来决定的（当环状大面积为定值时），因此，在冲洗液能够满足冷却和排粉的需要时，应尽可能地降低泵量和泵压。
　　⑶冲洗液的类型及性能是调控钻孔静压的主要手段，因此在满足护壁、清孔的条件下，应尽可能选用无固相、低粘度的冲洗液。
　　⑷根据表1可以看出，环空外压力的最大值（正值）为下钻加速期；最小值（负值）为提钻加速期，在这两种工况条件下，最容易使钻孔壁压裂或压漏和抽吸井涌或坍塌，在实际操作中严格控制提下钻速度，坚持回灌这也是人为调控钻孔动压力的有效方法。
　　四、钻进工艺方法选择
　　我队自推广压力平衡钻进技术以来，主要采取以下工艺技术方法：
　　⑴钻孔结构
　　①一般地层采用三级钻孔结构
　　即φ91mm（合金）→φ75mm（金刚石）→φ50mm（金刚石）
　　②复杂地层采用四级钻孔结构（如仓上、大尹格庄矿区）
　　即φ110mm（合金）→φ91mm（金刚石）→φ75mm（金刚石）→φ59mm（金刚石）
　　⑵金刚石钻头和扩孔器
　　①金刚石钻头
　　根据不同矿区、金刚石钻头的外径分别加大1、1.5和2.5mm；钻头水口由原来13×5×4mm（长×宽×深）改为15×7×6mm；
　　②扩孔器
　　扩孔器除随钻头外径加大而相应加大外，主要是选择了宽水槽（由原来的16条改为10条），且将水槽在钢体部位加深1mm；
　　⑶冲洗液
　　①在地层完整孔段选用清水+皂化油或清水+PAM冲洗液。
　　②在复杂地层孔段采用24＃—1型优质无固相冲洗液其配方为：1立方米水中加入PAC141—2Kg,KHm—2—4Kg；PAM—0.5Kg。
　　

⑷钻进技术参数
　　①钻压：
　　由于加大了钻头直径，钻头底唇面积也相应增加，因此钻压要比常规口径大一些，一般选择为：
　　φ59mm口径P=10-20KN
　　φ75mm口径P=15-30KN
　　②转数：
　　根据不同地层转数一般选择为：
　　φ59mm口径д=610—1096r∕min
　　φ75mm口径д=500—320r∕min
　　③泵量
　　根据压力平衡钻进原理，泵量的大小，直接影响环空外压力的大小，因此在满足冷却和清孔的前提下要尽可能地降低泵量，但由于受水泵档位的限制，我队主要采取两种泵量，即：
　　φ59mm口径Q=361∕min
　　φ75mm口径Q=35—601∕min
　　五、技术经济效果
　　自87年推广应用压力平衡钻进技术以来，我队探矿生产开创了一个新局面，取得了十分显著的经济技术效益。
　　⑴攻克了复杂地层钻探施工的技术难题
　　仓上矿区具有几十米一百余米的含矿蚀变构造带、蚀变带内的断层泥层、糜棱岩、构造角砾岩不仅具有强烈的水敏性，而且胶结性也很差，多年来仓上矿区一直是队上钻探施工难度大的矿区，尤其推广小口径金刚石钻探的难度更大。90年在队组织的仓上矿区会战中，参战的6台小口径钻机全部采用了压力平衡钻进技术，使得完工的78个钻孔中，只有2个因机台误用了含钠离子为768.68毫克当量的盐池边沟里的水配制冲洗液致使孔内坍塌而被迫换径外，其余钻孔均为一径终孔（φ76.5或77.6）未发生处理时间超过24台时的坍塌孔内事故。仓上会战中，我们采用压力平衡钻进技术，不仅提前，保质地完成了勘探任务，而且还对外径加大1、1.5、2.5mm金刚钻头及钻进技术参数进行优选试验，取得了丰富的试验资料和实践经验，锻炼了队伍，提高了机台的技术素质。
　　⑵推广应用压力钻进技术后，小口径台月效率每年递增，已由87年的391米提高到759米（92年1—5月）；优质孔率由87年的95%提高到100%（90—91年），这两项指标创我队历史最好水平。
　　⑶由于采用压力平衡钻进技术，极大地减少了孔内事故，提高了效率，使机台台年进尺提高，实现了少开多进，降低了钻探成本，我队台年实际进尺已由87年的1848米提高到91年的3120米。钻探成本仅92年1—6月就比91年同期就节约33.85万。
　　⑷90—92年（3—5月）钻探主要经济技术指标见表3

　　六、几点结论
　　⑴压力平衡钻进技术是解决金矿复杂地层钻探施工的一条有效途径。
　　⑵S75+1、S75+1.5mm、S75+2.5mm金刚石钻头，在金矿复杂地层施工都可以满足压力平衡钻进的条件，但要据地层的复杂程度灵活掌握。
　　⑶严禁带内管提下钻，严格控制提下钻速度，是避免人为造成孔内坍塌的有效措施。
　　⑷根据地层情况合理使用冲洗液既是保障安全钻进也是降低成本的重要措施。
　　由于时间仓促，加之本人水平有限，文件难免有不当之处，因此，恳请各位领导和同志们批评指正。
　　参考文献：
　　1、刘广志主编《金刚石钻探手册》地质出版社1991
　　2、胡浦元《浅谈压力平衡钻进技术在金刚石小口径钻探中的应用》讲义、山东地矿局
　　

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