摘要
本研究以山东招平带南段及外围金多金属资源调查评价项目中的ZK407孔1000 m岩心钻探为例,分析了胶东地区断裂构造发育背景下,深部金矿床的钻探技术难题。钻孔位于招平断裂带南端南墅镇青山村,以破碎带蚀变岩型和石英脉型金矿床为主。在钻探过程中,遇到了地下水压力失衡、孔内坍塌掉块夹钻、严重漏失和烧钻等事故。为了解决这些技术难题,采取了套管隔离、调整冲洗液性能护壁、复合材料堵漏、顶漏钻进和水泥堵漏等措施。这些措施有效地解决了技术难题,实现了预期目标,为该区深部矿产成矿理论研究及资源勘查提供了合格的地质钻孔和实物岩心资料。本研究结果对于类似地质条件的钻探工程具有重要的参考价值。
Key works: leakage formation; plugging technology; cement plugging
本研究为山东招平带南段及外围金多金属资源调查评价项目钻探技术支撑任务,核心任务是完成1000 m的岩心钻探工作,以深入理解研究区域的地质特征。研究区域位于山东半岛西(中)北部的青岛莱西围子山,如
图1 招平带南段项目工作区范围及交通位置
为确保项目钻探施工的顺利进行,选择合适的钻探设备至关重
本研究的工作区位于胶东半岛西部,其大地构造位置隶属于华北陆块(Ⅰ级构造单元)的东南缘。该区域属于鲁东隆起(Ⅱ级构造单元),并进一步细分为胶莱—胶北断隆(Ⅲ级构造单元)和胶北断隆(Ⅳ级构造单元)。研究区位于胶北凸起、南墅—云山凸起、栖霞—马连庄凸起(Ⅴ级构造单元)的交汇处,这一区域是著名的招平成矿带中南段的核心区域(详见
图2 胶西北区域地质简图
在本研究中的围子山矿区内,主要出露的岩性包括斜长角闪岩、黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩和大理岩等(详见
位置 | 岩性 | 厚度/m | 硬度 | 完整程度 | 研磨性 | 可钻性 | 涌、漏水 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
上盘 | 黑云变粒岩、黑云斜长岩、斜长角闪岩 | 100~400 | 中硬 | 完整 | 中—强 | 6~8 | 漏水 |
大理岩 | 400~600 | 中硬 | 较破碎 | 中—强 | 5~6 | 漏水 | |
下盘 | 黄铁绢英岩化碎裂岩、黄铁绢英岩 | 600~700 | 中硬 | 破碎 | 中—强 | 5~6 | 漏水 |
弱片麻状二长花岗岩 | 700~1000 | 中硬 | 较完整 | 中—强 | 6~8 |
ZK407钻孔设计孔深1000 m,开孔日期为2024年5月10日,钻孔过程中遇到了不同程度的漏水层,表现为不返水且无泵压。特别是钻进至67.7 m时,漏水现象加剧。通过采用锯末混合堵漏剂等传统堵漏方法,漏水情况得到了一定程度的控制,返水能够到达孔口套管,使得顶漏钻进得以正常进行。
钻进至134.4 m时,钻进速度显著加快,钻机动力头快速下降30 cm,泵压消失,孔内不返水。在这种情况下,立即停钻并取心,但由于岩心采取不足(见
图3 134.4 m漏水部位岩心
钻进至423.3 m时,泵压从4 MPa降至2 MPa,随后迅速变为无泵压,孔内仅有少量返水。尽管将泵量增加到100 L/min(原泵量为50 L/min),泵压仍未恢复,孔内不返水现象持续,再次出现了大的漏失。取心后,使用100 m测绳未能测到水位(见
图4 423.3 m漏水部位岩心
2023年,在招平断裂带北端进行钻探作业的ZK2003孔,在穿透第一层强变质破碎和漏失带后,采用S76绳索取心钻头钻进至1851.8 m深度时,遭遇了裂隙破碎漏失地层。这一地层特征导致冲洗液全部漏失,水位骤降至560 m,给钻探施工带来了显著的挑战。
为应对这一问题,研究团队尝试了多种堵漏方法,包括随钻堵漏剂、膨胀堵漏剂、混合堵漏剂,以及一些惰性堵漏材料,如麻绳、黄豆、海带等。然而,这些措施并未达到预期的堵漏效果,钻头多次出现微烧和卡钻等现象。尽管尝试了凝胶堵漏剂和水泥堵漏,但均未能成功。
最终,为完成钻探任务,研究团队选择了顶漏钻进的方式,直至钻孔终孔。这一决策反映了在复杂地层条件下,钻探技术的灵活调整和适应性。
在探讨凝胶堵漏剂的作用机理时,我们发现该材料在两种组分混合后能够形成类似果冻的凝胶状结构。然而,在实际应用过程中,特别是在1850 m深度的孔隙内部,孔底区域受到水压的影响,该凝胶堵漏剂可能会被泥浆压碎或被压入地层,从而影响其堵漏效果。
在分析替浆过度的成因时,研究表明水位变化是主要影响因素之一。在实施凝胶堵漏和水泥堵漏的过程中,均需通过替浆水对钻杆内部进行灌注。然而,由于当时的水位高度为560 m,在堵漏材料尚未固化的情况下,水位的下降可能导致堵漏材料被压入周围地层,从而导致堵漏失败。
基于上述分析,为了提高水泥堵漏的成功率,在灌注水泥浆液前,对水泥用量、钻孔容积、钻杆容积以及水泥浆液与地下水之间的密度差进行精确计算,以确保灌注过程的顺利进行和堵漏效果的可靠
在混凝土灌注工程中,常规的水灰比设定为0.5。然而,为了确保搅拌机和水泵的作业效率,本研究将水灰比优化调整至0.56。每袋水泥50 kg加水28 L,形成水泥浆57.6 L。在此过程中,水泥的用量根据灌注孔的深度和体积进行精确计算,同时应该注意根据孔内漏失的严重程度增加水泥用量。
在本研究中,提出的核心问题基于连通管原理,该原理描述了钻孔与地层内地下水之间可能形成的连通管道。根据这一原理,水泥浆的密度显著高于地下水的密度。因此,根据连通管原理,密度较大的水泥浆液面应低于地下水的液面水平。本研究通过计算得出孔内水泥浆与地下水之间的液面差,旨在揭示这一液面差可能导致水泥浆液容易下沉至漏水孔位的外部,进而可能导致水泥堵漏作业的失败。
在本项研究中,针对134.4 m深处的水泥封堵作业于5月19日16时进行。在5月20日18时,通过下钻穿透了该孔,并在106 m处遇到了水泥封堵层。在钻进3 m后,尝试打捞内管,但发现水泥凝固效果不佳,因此停止了穿透作业,并继续等待至5月21日早班。随后,再次下钻穿透该孔。在12时,成功穿透了漏水位置,孔内返水情况正常,表明堵漏作业成功。穿透孔的水泥封堵情况详见
图5 134.4 m透孔水泥
在本研究中,针对地下423.3 m处的水泥封堵作业于6月3日12时进行。在6月4日8时,通过下钻穿透了该孔,并在383 m处遇到了水泥封堵层。在钻进3 m后,尝试打捞内管,但发现水泥凝固效果不佳,且水泥中混有部分堵漏材料,导致卡簧座位置的水泥略为干燥。因此,停止透孔,并对打捞的水泥进行了详细的讨论与分析。分析结果表明,水泥在失去流动性后,能够达到堵漏的效果。基于此结论,继续透孔至孔底424.3 m。在完成透孔后,孔内返水情况正常,泵压稳定,表明堵漏作业成功。穿透孔的水泥封堵情况详见
图6 423.3 m透孔水泥
通过对水泥灌注堵漏技术的应用,水泥浆在堵漏过程中表现出良好的效果,并且成本相对较低。然而,值得注意的是,水泥浆在凝固前处于流动状态,因此在进行堵漏作业时,必须充分考虑水泥浆的密度、水位、漏失速度以及漏失量等因素,并进行详细的计算。这一过程对于确保堵漏作业的成功至关重要。
施工中观察到第一次灌浆过程中水泥的凝固时间过长,达到了40 h。为了解决这一问题,在第二次灌注时考虑了添加速凝剂。通过速凝剂的添加,能够在水泥浆流失之前实现快速凝固,从而有效地达到了堵漏的目的。对于提高堵漏作业的效率具有重要意义。
在第二次水泥堵漏作业中,探讨了采用无固相冲洗液对水泥凝固性能的影响。选择了聚丙烯酰胺作为主要冲洗液,辅以广谱护壁剂和高粘堵漏剂。发现当水泥与冲洗液混合时,水泥的凝固效果并不理想。尽管这种混合物能够实现堵漏效果,但透孔水泥呈现出松散状,并表现出一定的弹性和吸水性。此外,自由水的存在对水泥的硬度产生了负面影响。这些发现对于优化水泥堵漏作业的冲洗液选择和水泥凝固性能具有重要启示。
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