李红梅，石逊

（河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台 054000）

白涧铁矿南区勘查项目是邢台市“十三五”重点建设项目，同时也是河北省“十三五”重点勘查规划项目之一。该铁矿是目前河北省南部发现的最大的高品位大型磁铁矿床，资源储量大、品位高、矿石组构简单，是河北省乃至全国未开发的优质铁矿资源。本次钻探任务位于白涧铁矿南区，存在工期短，对区域内地层状况、施工技术难点掌握不够等现实问题。通过优化钻孔结构，使用新工艺、新方法以及合理选择钻进参数［1］等对策圆满完成了钻探任务，为下一步的勘探奠定了基础。

1 概况

1.1 项目概况

白涧铁矿钻探工程项目，位于邢台沙河市西部章村煤矿、窑坡村附近。东距沙河市、107国道、京广铁路、京深高速公路20~25 km，邢台-峰峰一级公路通过工区，交通方便。

本次勘探主要是对白涧铁矿南区进行详查，设计钻孔5个，孔深730~1100 mm，钻探工作量4179 m。经专项部署，精心组织，于2020年8月正式开钻施工，2020年底完成全部工作量，钻孔合格率100%。

1.2 地质概况［2］

本勘探区域范围内地层出露较全，最下早古生界奥陶系，晚古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、白垩系，新生界第四系。

（1）早古生界奥陶系（O）。该系与下伏寒武系为连续沉积，可分为5组。岩性特征为：灰色薄—中厚层粉细晶白云岩，局部夹内砾屑粉细晶白云岩，灰色中厚夹薄层燧石条带、结核白云岩夹内砂屑、杂色中厚—厚层角砾状白云质粉晶灰岩、角砾状泥晶灰岩夹粉晶白云质灰岩。深灰色中厚—巨厚层泥晶灰岩、花斑状泥晶灰岩、含生屑粉晶灰岩夹层纹灰岩、沥青灰岩、含铁硅质结核、闪长岩。本段局部地层胶结松散，含泥质较多，遇水膨胀缩径、掉块。

（2）晚古生界石炭系（C）。平行不整合于中奥陶统之上。包括中统本溪组、上统太原组。主要岩性为灰-灰黑色炭、泥、铝土质粉砂岩及砂质泥岩和炭、泥质页岩，夹2~7层石灰岩，含煤2~12层。本段局部地层胶结松散，有采空区，易坍塌。

（3）晚古生界二叠系（P）。本系地层包括山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组。主要岩性为深灰—灰黑色砂质页岩、中细粒砂岩、泥岩夹细砂岩及煤层，底部为中细粒砂岩，含燧石白云质泥质灰岩，中部粉砂岩、细砂岩夹页岩，是重要的产煤层位，含煤3层，其中2号煤稳定可采，1号煤局部可采。局部因煤矿开采导致岩石松散，易坍塌。

（4）新生界第四系（Q）。广泛分布，包括以下地层：主要为紫褐色粘土及砾石层，冰川作用的产物；砖红、黄红色粘土夹杂的基岩碎块主要为黄土状粉质粘土、粉土夹砾石层；粉土、砂土、砂砾石层。分布于河床及其两侧。

综上所述，区域内上部地层主要是砂岩、泥岩、煤等软硬不一的岩石，局部因煤矿开采导致岩石松散，易坍塌。下部地层主要是坚硬的白云岩、灰岩、角砾岩，局部地层胶结松散，含泥质较多，遇水膨胀缩径、掉块。整个区域内岩溶裂隙发育，有破碎带，钻探施工中几乎全漏，泥浆护壁性差，时常发生掉块卡钻。

1.3 钻探技术要求及质量指标

终孔直径≮75 mm，岩心采取率≥70%，矿心采取率≥80%。每100 m倾角偏差≯2°。采用环保无污染冲洗液钻进，每班至少观测水位1~2回次。每钻进100 m，进、出矿层时（矿层厚度<5 m时只测量一次）要测量孔深，孔深误差率<1/1000。封孔水泥强度为42.5 MPa，全孔封孔，水灰比<0.5。

2 钻探工艺

2.1 设备及机具选择［3］

本次施工使用XY-5、XY-6B、CD-2000型钻机各1台，NB-250型 泥 浆 泵3台，SG-23型 钻 塔3部、SJ-1000型绳索取心绞车3部、绳索取心钻杆若干。

2.2 钻孔结构及钻进方法［4-6］

根据以往相邻矿区的钻探施工经验，考虑到第四系地层含卵石，可能会影响到钻进效率和整体施工进度，经我队相关专家和甲方专家共同分析地质情况，经甲方同意变更施工设计，变更后钻孔结构采取5级成孔，即Ø150 mm-130 mm-110 mm-96 mm-75 mm（见图1）。

图1 钻孔结构示意Fig.1 Schematic diagram of the drilling structure

（1）钻遇采空区。钻进过程中首先采用Ø150 mm金刚石钻头单管钻具钻进至基岩后，下入Ø146 mm护壁套管作为孔口管，下入Ø127 mm套管作为技术套管。然后采用Ø110 mm取心钻具钻进至穿过采空区后，起拔Ø127 mm套管，采用Ø130 mm扩孔钻头，钻进至完整的采空区下底板后，下入Ø127 mm套管，隔离采空区。

（2）若没有钻遇采空区，用Ø110 mm取心钻进至奥灰岩完整地层后，下入Ø108 mm套管。换用Ø 95 mm绳索取心钻具钻进，穿过奥灰岩峰峰组见磁县组后，下入Ø89 mm套管，必要时可以使用Ø89 mm绳索取心钻杆当作套管使用。最后换用Ø75 mm金刚石绳索取心钻具钻进至终孔。

2.3 钻头的选择［7-9］

针对矿区内的地层情况及岩石可钻性，金刚石钻头、扩孔器的磨损情况，通过合理选择金刚石钻头胎体硬度、扩孔器外径及保径胎体硬度等措施提高钻进效率。为了解决环空间隙小、泵压高问题，普遍选择扩孔器外径比正常扩孔器大1~2 mm，钻头也相应加大1~2 mm。在下部破碎、泥质含量多、遇水膨胀的地层，为避免频繁起下钻，而使孔壁受到强烈的抽吸作用，加剧孔壁不稳定，造成坍塌掉块，形成超径孔段，进而引起断钻杆等事故的频繁发生，采用了高胎体双水口钻头。在钻遇采空区时采用全面不取心钻头钻进。

可钻性在6级以下的地层（砂岩、泥岩等）多选用底唇面为多阶形和内锥形或锯齿形、胎体硬度HRC30~35、金刚石粒度60~80目的直水口孕镶金刚石钻头。钻头平均寿命可达230 m。

可钻性在6级以上的地层（闪长岩、灰岩、白云岩等）多选用底唇面为多阶形和内锥形或锯齿形、胎体硬度HRC25~30的金刚石孕镶钻头。钻头平均寿命可达150 m。

2.4 钻进参数的选择［10］

结合以往相邻区域钻探施工经验，以及各地层的钻进速度、设备运行等情况，总结出最优钻进参数如表1所示。

表1 钻进参数优选Table 1 Optimization of drilling parameters

3 钻探施工中存在的问题及解决措施

3.1 钻探施工中存在的问题

（1）上部地层软硬互层，钻孔弯曲控制难度大。岩石松散（见图2），易坍塌、卡钻，不仅钻进效率低，而且地层坍塌易造成钻孔回填现象，甚至会出现埋钻，报废工作量。

图2 煤系地层岩心Fig.2 Cores from the coal measure strata

（2）下部地层局部有破碎带，含角砾，泥质含量大，胶结松散易膨胀（见图3、图4），易发生掉块卡钻、缩径，下放起拔套管困难，造成孔内套管遗留，增加成本等问题。

（3）钻进过程中几乎是全孔漏失，钻杆摩阻大，易发生断钻杆的事故，再加上地层原因，往往会出现事故越处理越复杂的情况。

图3 下部破碎带岩心Fig.3 Cores from the lower fracture zone

图4 下部水化膨胀地层岩心Fig.4 Cores from the lower hydration swelling formation

3.2 主要解决措施

3.2.1 冲洗液的应用［11-14］

（1）上部地层为第四系和煤系地层，地层胶结松散，易坍塌；下部局部地层含泥质、角砾，容易水化膨胀、缩径和分散，机械强度降低，容易造成卡钻、埋钻等事故。因此需加入具有抑制泥页岩缩径、有利于减弱泥页岩的水化渗透、减小失水量的聚合物，如腐植酸钾（KHm）。

另外冲洗液还需要良好的携砂能力、较高的动切力、好的流变性能和润滑性等。

（2）在钻进第四系地层及煤系地层时，使用低固相钾基聚合物冲洗液，其配比为：1 m3水+30 kg膨润土+5 kg KHm+适量烧碱和润滑剂。其性能为：粘度29~33 s，密度1.03~1.05 g/cm3，失水量4 mL/30 min，pH值8~9。

在钻进至下部灰岩及闪长岩地层中因局部地层破碎、含角砾及泥质，故采用高分子聚合物无固相冲洗液，其配比为：1 m³水+0.2%~0.5% AC-141+0.5%~2% KHm+适量烧碱和润滑剂。其性能为：粘度30~35 s，密度1.01~1.04 g/cm3，失水量5 mL/30 min，pH值8~9。

3.2.2 孔内压力平衡调控措施［15］

钻进过程中，当地层被钻进打开后，会破坏了地层原有的地应力平衡，加上地层破碎、胶结性差，极易形成孔内掉块现象，甚至由于地层应力失去原有的平衡，引起孔壁坍塌。为确保地层相对稳定，需适量提高冲洗液的密度来构建新的应力平衡模式，以防止围岩地应力作用挤垮孔壁，造成事故。

通过以下措施达到了平衡地层压力、维护孔壁稳定的效果。

（1）调节孔内液柱静压力。通过调整冲洗液密度，改变孔内液柱压力。在保证孔内压力稳定的前提下，尽可能地降低冲洗液的密度。

（2）降低环空压力降。通过合理选择钻具组合，增大环状间隙、控制冲洗液粘度和切力、保证冲洗液正常循环的情况下，尽可能地降低冲洗液的上返速度，提高冲洗液的润滑性能，降低冲洗液循环阻力等措施保证环空压力降在合理的范围内。

（3）控制提下钻速度和加速度。尽量避免抽吸作用对孔内薄弱孔段的破坏。

（4）重新开泵时应采用较小的泵量。

（5）提下钻时，应先把钻具里的内管取出，降低孔内波动压力。

3.2.3 护壁措施

（1）反丝套管的应用。为了解决破碎地层下套管难、起拔套管时孔内遗失套管的问题，结合地层情况，采用反丝套管作为护壁套管，提升完孔后套管的回收利用率。

下反丝套管应注意确保套管底部坐落在完整、具备一定承载力的岩石上，避免在钻进过程中，因为套管底部出现超径、坍塌等造成放空，进而引起套管脱落。再者，下套管的同时应在套管外壁均匀涂抹聚合物凝胶，并在套管下放完成后封闭套管外壁环状间隙，避免杂物进入环状间隙。进而提高套管起拔的成功率。

（2）钻杆当护壁管的应用。在施工过程中，如遇施工到下套管的位置后，由于孔内坍塌或地层破碎掉块等原因导致套管无法下放到位置，可以使用钻杆配合特制的钻头扫孔至下套管的位置后代替套管使用。避免报废工作量，甚至废孔的风险。

3.2.4 高胎体双水口钻头的使用

在钻孔施工到奥灰岩后，根据钻孔实钻经验及数据，选用高胎体双水口钻头进行施工。此钻头金刚石胎体高度是以上所选金刚石钻头的2倍。钻进过程中每个钻头的使用寿命约为以上所选金刚石钻头的2.5倍，极大地提高了钻进效率，减少了提下钻次数，减少提升孔内钻杆的抽吸现象，进而保证了孔壁的稳定性，保证了孔内安全。同时节约了施工成本，带来了很好的经济效益。

3.2.5 质量保证措施［16-18］

3.2.5 .1岩心采取率保证措施

第四系地层采用弹子式单管钻进，钻进中须用小泵量钻进至岩心管长度的1/2~2/3时，停泵从主动钻杆中投入弹子，待水泵憋水后，干钻至岩心管打满，形成自堵。干钻时必须上下活动钻具，防止烧钻，感觉岩心卡牢即可提钻。提钻时，由于弹子密封岩心管接头，使岩心管内形成真空，岩心不易掉落，确保了岩心采取率。煤系地层及其以下地层采用绳索取心钻具施工，在施工过程中通过每回次取心后测量岩心直径、钻具到孔底后先轻压慢转0.3~0.4 m后再恢复正常参数钻进等方法很好地保证了岩心采取率。全孔最低岩心采取率为92%，矿心最低采取率高达98%。

3.2.5 .2钻孔弯曲度保证措施

（1）场地平整、坚固。设备安装牢固、周正，设备安全防护设施齐全有效。

（2）开孔前必须对钻探设备及安装质量进行全面的检验。钻机、动力机、钻塔必须安装稳固，天车、立轴、孔口三点必须在一条直线上。如果不合乎要求，必须进行修正，调整，确保钻孔的垂直度，预防孔斜。

（3）开孔钻进中，应逐步加长岩心管，并采用轻压、慢钻、适当泵量钻进，且钻进至25 m后测量一次倾角和方位角。

（4）为了避免磁铁矿磁场对测斜数据的影响，采用陀螺测斜仪进行测斜。

（5）换层钻进时，由软变硬时，轴心压力要适当变小，钻速要相应降低；由硬转软时，压力要减小到正常压力的1/3，要控制回次进尺长度，且粗径钻具要适当加长。

通过一系列的保证措施，孔斜率控制在了所要求的范围内，本次施工钻孔合格率达到了100%。

4 施工效率分析

本次施工中，总计完成钻孔5个，钻孔合格率100%。台月效率由以往的483 m提高至679 m。和以往在此区域施工的钻进效果对比见表2。

表2 钻进效果对比Table 2 Comparison of drilling efficiency

5 结语

此次施工，我们对此区域内的地质特点有了初步的了解。通过绳索取心钻杆护壁、双水口钻头等工艺的尝试，丰富了在此地区钻探施工的经验，总结出了相对应的施工参数，提高了钻进效率，顺利地完成了本次钻探任务。既提高了钻进效率又节约了钻探成本，既锻炼了现场技术人员又开阔了施工技术应用的方向。为今后此地区和类似地层的钻探施工积累了技术经验，拓展了施工思路，增强了发展动力。