深部找矿钻探地层特点 深部找矿钻探影响因素分析

1.钻遇地层类型多

深部找矿钻探与浅部钻探相比，是向地壳深部的进一步延伸和探索，必须首先成功钻 穿浅部地层后，才能继续进行深部地层钻探，因此钻遇的地层类型多，往往涉及更多、更 古老地质年代所形成的地层，如济宁铁矿，在过去所进行的钻探中，仅钻遇长清群、九龙 群和马家沟组的灰岩、白云岩以及少部分硅质绢云千枚岩等。进行深部找矿钻探，除钻穿 上述地层外，还必须继续钻进济宁群变质岩——绢云千枚岩、绿泥绢云千枚岩、板岩以及 变质火山岩夹磁铁石英岩等。

2.地层多为硬岩

从地层结构来看，一般上部为第四系、新近系等松散地层，下部为基岩地层，且多数 基岩致密、硬度大。与浅孔相比，深孔钻探钻穿上部同样的松散地层及浅层基岩后，以下 继续钻进多为硬岩。金属矿产钻探基岩地层多为6级以上岩石。如玲珑金矿，岩石可钻性 多为7～9级；本溪铁矿，甚至达到10～12级。

3.地层复杂

深部找矿往往在受地质构造影响的构造断裂带区域进行，尤其是金属矿，如金、银、铜、铁等大多受地质构造控矿因素的影响，矿层及其顶底板附近地层较复杂，地层一般经 过多次复杂的构造运动，断层、解理和破碎带发育，多为不稳定地层，既有松散、破碎、裂隙、岩溶等力学不稳定地层，也有页岩、泥岩等遇水不稳定地层，即水敏性地层，还有 各种漏失地层和坚硬、弱研磨性打滑地层等。尤其是深孔钻探，施工周期长，地层被钻穿 后裸露的时间长，易造成孔壁失稳；遇坚硬打滑地层，钻头寿命和回次进尺短，提下钻及 打捞岩心辅助时间长，影响钻探效率。

深部找矿钻探技术难点~

深部找矿地层的特点决定了深孔钻探存在以下技术难点。
1.钻孔结构复杂
深孔钻探，由于钻遇的地层种类较多，地层相对复杂，因此，一般采取多级孔径设 计，需要采用多级套管，开孔及上部孔径加大。钻孔直径的增大会造成地层侧压力的增 加，对于松散破碎且倾角陡斜的地层，孔壁的稳定性变差，不稳定的岩石就会向孔内滑落 和坍塌。因此，具体应采用何种钻孔结构，必须根据钻孔深度、终孔直径、地层以及钻探 方法和工艺等确定，在可能的情况下，应尽量减少孔径级数，缩小钻孔直径。
2.护壁堵漏难
金属矿床多为构造破碎带控矿，硬、脆、碎、酥、漏是多数矿区地层的特点。进行深 部找矿钻探，几乎所有的钻孔都要穿过断层和破碎带。大裂隙发育的地层常发生贯通性的 孔段全漏失；小裂隙多而密集的地层常遇部分漏失或全漏失；疏松地层大部分发生渗漏或 部分漏失。多数钻孔是漏失、坍塌、掉块并存，多层位坍塌、掉块给护壁带来困难，大量 漏失又使冲洗液护壁难度加大，尤其是深孔、斜孔，施工周期长，地层被钻穿后裸露时间 长，易造成孔壁失稳，护壁堵漏就更加困难。用水泥护壁，保持时间短，对泥质、粘土质 多的地层效果不佳，往往不能适应深孔施工周期长的要求；用多级套管护壁效果较好，但 会使钻孔结构复杂，套管越深回收越困难，从而增加钻探成本，经济性差。
3.钻探效率低
硬岩钻进受地层复杂、裂隙发育、岩石破碎、坍塌、掉块、漏失等不利因素的影响，钻进困难。特别是坚硬破碎、可钻性9～12级的岩石（如硅质岩、变粒岩、赤铁矿等）和 结构致密、弱研磨性的打滑地层（如细粒弱研磨性石英岩、高硅化结构致密的砂岩等），钻进就更加困难，不仅机械钻速低，而且钻头寿命和回次进尺短，提下钻和打捞岩心等辅 助时间都大大增加，使钻孔钻探效率大大降低。
4.防斜纠斜难
受成矿条件和地质构造的影响，多数金属矿区地层岩石硬，并发生褶皱、弯曲，地层 倾角较大，特别是层理及片理发育、各向异性明显、软硬互层的地层，造斜强度大，而深 孔钻探，钻杆刚性小，技术规程参数不易控制，又难以采取复杂的防斜措施，因此，易造 成钻孔弯曲，而一旦发生钻孔弯曲，由于地层硬，造斜难，效率低，加上深孔纠斜信号传 递误差大，给深孔纠斜带来很大难题。从目前研究成果和实钻经验来看，基岩地层钻进，地层因素往往是造成钻孔弯曲的主要原因。对于深孔钻探而言，重要的是掌握并利用矿区 钻孔弯曲规律，因地制宜，从改进钻孔设计、钻探技术方法及工艺入手，采取有效的防 斜、纠斜技术措施加以控制解决。对特别易斜复杂地层，要采用受控定向钻探等特殊钻探 技术才能解决，否则，就难以顺利达到设计目的要求，严重的会导致钻孔报废，造成重大 的经济损失。
5.操作难度大
目前，深孔钻探主要采取金刚石WL钻进。为提高钻杆螺纹强度，将接头镦粗，使钻杆与孔壁之间、内管与外管之间间隙进一步减小，压力损失大，泵压高，开泵、停泵时容 易产生压力波动。当钻遇漏失和涌水地层，压力波动会更大。此外，升降钻具过程中所引 起的抽吸力和挤压力也会产生波动，升降钻具速度快，钻具与孔壁间隙越小，冲洗液黏度 和切力越大，压力波动越大。压力波动会影响孔内压力平衡，严重时会造成孔壁失稳，产 生孔内事故，因此，要求升降钻具要平稳，以减少压力波动。

（一）主要影响因素
影响钻探的因素很多，机理比较复杂，为便于进行研究，本次根据深部找矿钻探实际，认真分析，找出主要影响因素。
1.钻孔深度
钻孔深度是影响钻探施工的重要因素，从某种程度上讲就意味着钻探施工难度。在一 定的工业技术水平下，钻探深度是有限的，难以突破某一深度。这是由于深度增加而难度 随着增加，而且难度增加的幅度会越来越大，而钻探设备、钻具（包括钻杆等）是一定工 业技术水平下的产物，其性能不可能是无限的。在有限的钻孔深度范围内，钻孔深度增加 至少意味着难度增大，效率降低。通常情况下，钻孔深，岩石可钻性差，钻进效率低，钻 头寿命和回次进尺短，提下钻和捞取岩心时间大幅度增加，钻探施工效率大大降低。
2.岩石力学性质
与钻探有关的岩石力学性质有：岩石的硬度、强度、脆性、塑性及研磨性等，它们共 同决定着岩石的可钻性，共同影响着钻进效率。岩石的硬度是岩石的固有特性，是由岩石 的成分、结构和构造决定的，它反映了岩石抗压入的阻力和反抗特性。岩石的硬度和研磨 性是影响岩石可钻性的重要因素。这里，为更加直观地分析深部找矿钻探的影响因素，将 岩石的硬度和研磨性单独作为影响因素进行分析。
（1）岩石的硬度。岩石硬度对钻探施工有着非常大的影响。一般来讲，岩石的硬度大，岩石的可钻性高，机械钻速低，钻头寿命短，施工效率降低，对深孔钻探影响更为明显。
（2）岩石的研磨性。研磨性对钻探施工有很大影响。一般来讲，岩石的研磨性强，岩石的可钻性高，钻速低，钻头寿命短，但若研磨性太弱，会引起钻头打滑，难以进尺。与 研磨性强相比，研磨性太弱对钻探施工影响更大。
3.地层破碎程度
由于受地质成因或地质构造运动产生的多向挤压作用，岩石的结构被破坏，产生裂 纹、裂隙和空间位移，内部受力不均衡，成为力学不稳定地层。当被钻穿后，破坏了地层 原来的平衡状态，在重力和其他外力的作用下，孔壁会产生坍塌、掉块等现象，影响钻探 施工。
在深部找矿钻探中，常见于老地层的断裂、裂隙破碎带，即俗称的硬脆碎地层。岩 石的破碎程度越严重，对钻探施工影响越大，不仅影响钻进效率，缩短钻头寿命和回次进 尺，而且还会引起卡钻、埋钻和断钻杆等孔内事故，严重者还会造成钻孔报废。
4.地层造斜强度
地层的造斜强度由地层的物理力学性质和形态决定，对钻探施工也非常重要。地层 的物理力学性质主要是指岩层的各向异性程度，也就是层理、片理发育的地层，在顺层和 顶层方向其物理力学性质的差异程度。地层的形态是指地层的倾斜程度和层理及片理发育 情况、各层的厚度及软硬变化情况等。当地层层理及片理发育、软硬互层且变化频繁（如 沉积变质岩），而且倾角较大时，其造斜强度就大，钻进过程中，受地层各向异性的影响，易造成钻孔弯曲。对于一定的各向异性造斜地层来讲，地层的倾角是造成钻孔弯曲的决定 因素。研究发现，对直孔而言，当地层倾角大于10°，就可能造成钻孔弯曲；当倾角大于 30° ，就很容易造成钻孔弯曲。
5.地层水敏性
某些岩石（如页岩）受冲洗液或地下水侵入会产生水解、水化作用，含有这类岩石的 地层会发生松散、松软、溶胀、剥落、溶解等现象，一般通称为水敏性地层。钻遇这类地 层，若冲洗液性能达不到要求，会造成钻孔缩径、超径、孔壁剥落、坍塌等现象，严重者 会造成埋钻、夹钻等孔内事故，影响钻探施工，甚至会造成钻孔报废。
6.地层漏失程度
漏失地层也是固体矿产钻探施工中经常遇到的地层。当冲洗液送入孔内时，就会沿地 层中的孔隙、裂隙、洞穴渗漏，流失到地层中，使冲洗液部分或全部不能返回地表。漏失 地层主要有孔隙类、裂隙类和洞穴类三种类型，从漏失情况看有轻微漏失、中等漏失和严 重漏失之分。对轻微以至中等漏失地层，通过调整冲洗液或采取堵漏措施，能够减少或避 免冲洗液漏失；对严重漏失地层，若堵漏失败，冲洗液将不能维持循环，将对平衡地层压 力、保护孔壁、排出岩粉、润滑钻具等非常不利，影响正常钻进，对深孔钻进的影响会更 加严重。
（二）主要影响因素组合
影响深部找矿钻探的客观因素主要有钻孔深度和岩石硬度、破碎程度、造斜强度、水 敏性、漏失程度、研磨性等7个因素，假设每个因素有3种水平（表8-1），则它们的组合有 37＝2187种。要想对每一种情况逐一进行分析是十分困难的，为此，运用试验优化技术原 理，采取正交试验法找出具有代表性的组合情况（表8-2）。
表8-1 因素水平表


注：钻孔深度范围各个水平是从下限开始，不包括上限。
表8-2 各种因素水平代表性组合


（三）各种代表性组合的钻孔特征
表8-2中18种代表性组合的钻孔特征见表8-3。
表8-3 各种代表性组合钻孔特征

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