马坑矿区地层自上而下为：加福组—文笔山组煤系地层；栖霞组—船山组—经畲组灰岩；林地组石英砂岩等；磁铁矿赋存于船山组—经畲组之间；辉绿岩、矽卡岩、石英脉沿构造裂隙侵入在灰岩—矿体之中。由于地质构造运动、火成岩入侵、岩脉穿插、围岩蚀变、风化作用、地下水活动等影响，使岩石的完整性、稳定性受到破坏；区内断层交错，破碎带多、裂隙发育，溶洞成串出现，有的地层风化松散，有的地层硅化坚硬，有的地层似烂泥夹有燧石硬块，有的地层燧石硬块却被包裹胶结。这些不稳定复杂地层给钻探施工带来了极大的难度。在上马初期，凭借热情和其他矿区的施工经验，对马坑矿区地层复杂性认识不足，没找到适合矿区地层施工的护壁方法，走了一些弯路。通过不断实践和总结，对复杂地层钻进积累了以下的经验和认识。

5.5.1 复杂地层分类及其对钻探施工的影响

矿区地层复杂性表现在：复杂地层深，厚度大，而且反复频繁出现，互相影响，互相促进，给钻探施工造成危害比单层时更严重：下部复杂地层出现，加剧了上部地层的不稳定；上部地层的不稳定，增加了对下部地层处理的困难。马坑矿区复杂地层按地层特点可分为水敏性地层、洞隙性地层和破碎地层三类。

（1）水敏性地层

这类地层主要在钻孔上部加福组—文笔山组煤系地层中，平均厚度约200～300m。根据水化性质差异，又可分为三种：

1）水化溶胀层。一般在风化泥岩、砂质泥岩中常见，对钻探施工影响表现为：地层吸水，体积膨胀，泥浆失水量增加；粘土入侵，孔内自然造浆严重，泥浆性能遭到破坏，泥皮质量差，易造成缩径、粘附卡钻、糊钻等事故。

2）水化松散层。一般在风化砂岩、矽卡岩、溶洞充填物中常见，对钻探影响表现为：岩石矿物间胶结力弱，遇水后矿物之间内摩擦力减弱，自然安息角减小，在机械振动下，易形成大孔段的垮塌。由于岩层倾角较陡，这种沿层理的垮塌更加严重，造成钻孔严重超径，孔内岩粉剧增，无法正常钻进，埋钻、断钻杆等事故多发生在此类地层。

3）水化崩落层。一般在解理发育的砂岩中常见。解理中充填粘土质矿物，遇水溶解分散，岩石块状间的楔紧力减弱，导致岩层崩落。水化崩落地层对钻探施工影响表现为：坍塌掉块、钻进阻力增大、蹩车严重，易造成断钻杆、卡钻等事故。

（2）洞隙性地层

这类地层一般出现在文笔山组—栖霞组灰岩接触带以下，平均厚度200～400m。根据成因、形态又可分为两种：

1）裂隙：文笔山组—栖霞组灰岩接触面为一稳定的成岩裂隙层，厚度约30m，形态为开放性的。

裂隙对钻探施工影响表现为：全泵量严重漏失，孔壁压力平衡遭到破坏，上部水敏性地层发生瞬时坍塌。灰岩层中还发育溶洞性裂隙，有的长达百余米，曾有120m钻杆断入孔内找不到的情况发生。有的裂隙与地面相通，雨水通过裂隙，带着砂子流入孔内，冲稀泥浆，孔内岩粉增多；有的裂隙与溶洞串联，形成严重漏失通道。充填物严重坍塌，对钻探造成影响同水化松散层。

2）溶洞：在灰岩地层发育，栖霞组中多见，大小不一，溶洞钻穿距离20～30m为常见。溶洞有成串性特点，最多一个钻孔可达70～80个，与裂隙串通危害性更大。有的溶洞有充填物，有的溶洞是空洞。

溶洞对钻探施工影响表现为：钻具突降，漏失，易折断钻杆、钻具，易造成孔斜。有充填物的溶洞（充填物成分多为软泥砂、燧石等）对钻探施工还有附加影响：钻速突然增大，冲洗液冲起泥砂，燧石硬块落下，堵塞溶洞贯通口，造成扫孔困难，有的甚至因找不到原孔而报废进尺。

（3）破碎地层

这类地层在矿层、矽卡岩、辉绿岩以及加福组—文笔山组的局部地方均有出现，主要由断层挤压、围岩入侵、岩石本身脆性，矿物结晶程度差异等引起。破碎地层对钻探施工影响表现为：岩石易受机械振动破碎，造成坍塌、掉块、活石等情况的发生，钻具下不到底，无法正常钻进，有的还有漏失现象。

5.5.2 马坑矿区复杂地层钻进与护壁方法

通过实践，认识到“因地制宜，综合治理，防治结合，讲求实效”的复杂地层治理方法是正确的。矿区地层复杂多变，施工中遇到的问题不尽相同，不同地层钻孔结构、施工方法也不尽相同，单靠一种方法，难以对付。要对具体情况进行具体分析，合理选择治理方法，几种方法联合使用，综合治理复杂地层，才能赢得时间，提高钻效，顺利完成任务。

5.5.2.1 水敏性地层钻进与护壁方法

（1）使用泥浆钻进

1）文笔山组—栖霞组接触带以上的水敏性地层。

文笔山—栖霞接触带是严重漏失层。矿区曾开展PAM不分散低固相泥浆应用试验，由于思想上存在片面认识，认为钻遇该接触带后，泥浆全部漏掉，泥浆成本过高，不合算。因钻孔漏失问题没有解决，泥浆试验没有深入进行，影响了轻型优质泥浆的推广使用。因此，在实际钻进中，根据地层特点和其他矿区泥浆使用经验，主要选用细分散淡水泥浆。

细分散淡水泥浆使用时，考虑泥浆失水量对泥皮质量、地层吸水缩径的影响，强调泥浆管理，注意泥浆性能的调整与处理，勉强解决上部水敏性地层护孔问题。

在这层钻进中，也采用了快速钻穿、套管隔离方法，尽量缩短钻孔裸眼时间。

2）文笔山组—栖霞组灰岩接触面以下的水敏性地层。

文笔山组—栖霞组灰岩接触面以下的水敏性地层（如风化辉绿岩、溶洞充填物等），由于在严重漏失层之下，主要采用泥浆顶漏钻进，情况严重时也采用套管隔离（见后述）。顶漏钻进的做法是：

（a）加大泥浆池，增加泥浆储备，边漏边钻进；

（b）配合使用节水措施，如在安全条件允许下，采用小泵量钻进；

（c）使用反循环钻进时，选用双喷嘴微型反循环，提高返水效率，减少泥浆用量，延长回次时间，增加回次进尺；

（d）采用泥浆搅拌机连续搅浆补充，坚持“搅好泥浆再钻进，用完泥浆就提钻，决不省水打懒钻”的原则。

顶漏钻进应用案例：ZK669 孔在670～675m遇到水敏性断层带，使用泥浆钻进，孔内正常；由于泥浆有进无出，供不应求，平均一小班要用1～2车粘土，运输力量紧张，改用清水钻进；清水钻进只两个小班，孔内坍塌、掉块越来越严重，扫不到底。针对这一状况，专配两辆汽车拉土供应，派专人搅泥浆，坚持泥浆钻进，约二个月之久，孔内正常，最后顺利终孔。

（2）小径打、大径扩

矿区东北片覆盖层较厚，情况比较复杂，为防止地层吸水膨胀，引起缩径卡钻等事故，大部分采用了小径打、大径扩的方法钻进。

1）小径打、大径扩的方法。①小径双管钻进，几个回次后使用大径下去扩孔。此法多用于风化泥岩、砂质泥岩等既缩径、岩心又难采的地层。②小径无泵钻进，几个回次后大径下去扩。此法多用于风化松散的砂岩及溶洞充填物、怕水冲刷的地层。

2）使用小径打、大径扩的优点。保证安全生产，纵使发生卡埋事故，用大径扩孔套取容易处理。

吸水膨胀地层如果不用小径打、大径扩方法钻进，一旦发生事故，对粗径钻具处理，采用透的办法一般是无效的。因此，大多数采用灭的方法处理。钻具灭不干净，孔内残留铁皮，构成事故隐患，延长了事故处理时间，影响了钻进效率。

804分队在F1断层中施工的ZK641孔，全孔有2/3多在断层泥中钻进，采用小径无泵钻进、大径扩与套管配合打到了450多米：用无泵钻进50～60m后，将套管起拔来扩孔重下。如此多次反复，不断加深，最后顺利终孔。

3）无泵钻进吸水膨胀地层注意事项。

（a）裸露孔段应适度，否则裸露孔段大、时间长，钻孔会产生蠕变缩径，最后可能酿成事故。

（b）使用无泵钻进吸水膨胀地层时，因地层自然造浆，孔内冲洗液稠化，影响钻进效率，因此每钻进几个回次后，均需用稀泥浆冲孔一次。

（c）无泵钻杆中心眼小，球阀被泥砂冲上后，球阀易被泥砂挤夹在钻杆上，落不下来，失去无泵作用。

4）无泵钻具改进。针对无泵钻进存在的不足，后续通过改进原有无泵钻具，采用双球阀双岩心管无泵钻具。钻具连接方式：钻头→岩心管→球阀接头→短岩心管→无泵接头→无泵钻杆。

5）无泵钻进钻头。缩径地层无泵钻进使用肋骨钻头更为安全，但马坑矿区水敏性地层既是施工中的复杂层，又是易斜地层，使用肋骨钻头，不利于防斜，因而并不多用。

6）无泵钻进存在问题。使用XB-1000 A钻机靠升降机实现无泵钻进，孔深时，钻进提动次数、高度不易控制。

（3）适时、合理地使用套管隔离复杂地层

套管护孔是马坑矿区复杂地层钻进的一种必不可少的手段。整个矿区年使用量达16000～20000m，损耗报废量大，占用管的30%～40%。因此，套管使用必须根据实际情况，做到适时、合理：可下可不下的，坚决不下；需要下的，就要果断、迅速地下下去。一般来说，Φ127 mm套管要尽量多罩住一些复杂地层；Φ108 mm套管要根据情况谨慎确定；Φ89 mm套管只有到非下不可时才下，原因是：Φ108 mm以下套管极容易在施工中折断、磨穿（一般不超过20～30 天）。由于马坑矿区套管护壁的重要性，当时下不下套管由各职能部门严格把关，且套管起拔由套管班负责，也存在使用和起拔关系没有处理好的问题而造成一定经济损失。

根据实践，对马坑矿区套管护孔有以下认识：

1）使用套管护孔，要克服两种片面看法：一是不顾情况，非要等到漏失层穿过，见到硬盘才下套管；一是不为下步施工考虑，遇到一点困难，就急着使用套管。

上马初期，根据以往经验，坚持“穿过漏失层，见到硬盘才下套管”，吃了不少苦头。因为，文笔山组—栖霞组灰岩是严重漏失层，为钻穿这层，常常花很大精力，用许多办法进行堵漏，结果漏没有堵住，时间却用了不少，以致上部水敏性地层严重坍塌，造成重大孔内事故。这时想下套管，再也下不去了。

2）第一层套管的下入位置和方法。

总结经历的挫折和失败教训，第一层套管必须接近文笔山组—栖霞组灰岩的严重漏失层，在尚未发生漏失之前把上部水敏性地层先隔离。这是下第一层套管的最适当时机，但在实际中却很难做到。

为了实现利用第一层套管既罩住上部复杂层又隔离漏失层的目的，具体做法是：钻遇漏失层后，立即提钻，向孔内投入泥球，隔离漏失层，并向孔内灌浆；然后用大径钻具扩孔到离漏失层1～2m处，立即组织力量下入套管，隔离上部水敏性地层。下管时要组织好力量，要有明确分工，动作要迅速协调，争分夺秒，缩短下管时间。

由于地层缩径严重，为防止套管未下到预定孔深，中途被抱住（这时可能下部套管悬空，易造成回扣、脱节等事故），因此，下管前要做好下管准备工作：把套管先接成立根，必要时可在孔内先接一部分后，放到孔底（这部分长度要保证上部管口伸入外层套管内）；然后再接另一部分，在孔内对接成全孔套管。

3）深部复杂地层下套管隔离方法。

在文笔山组—栖霞组灰岩接触面以下，常钻遇水敏性地层、破碎带等，在采用其他方法难以处理、孔内安全没有保证时，也须考虑下套管隔离。这层套管下的深度一般都比较大，甚至600～700m，常用有暗管、双层套管、外丝加固管等。

由于下管重量大、口径小，易发生的问题有：下管时采用夹板固定，可能夹不住，造成跑管事故；下管后，若把套管全部重量放到孔内，套管易在超径或纠斜处折断；套管口径小，钻进时套管易被钻杆磨薄打断。

针对上述问题，采用的解决办法是：下管时采用千斤顶帽及卡瓦固定，操作既快又可靠；套管到底后，用吊重减压法，吊起部分套管重量，减少套管弯曲变形，并用千斤顶帽及卡瓦、夹板固定于孔口；小径套管，钻进时使用Φ50 mm内丝钻杆，减少钻杆与套管的敲打、磨损。ZK686孔下入Φ89mm套管622.83m，套管总质量达5吨多，就是使用上述方法实现了安全钻进。

4）防止套管脱扣的措施。

上马初期，也经常发生套管脱扣事故。套管脱扣事故发生在松散超径孔段，则难以处理。为了避免这种情况发生，采用了反丝套管后情况有了好转，但在使用时必须注意孔口固定：一般采用夹板与机台木联在一起，并在孔口作一记号，防止上部套管被钻杆敲打回扣。802分队施工的ZK666孔，在这方面有过深刻的教训：该孔下入Φ108mm反丝套管298m，由于操作人员没有认识到“孔口固定”这一措施的重要性，在加换套管后，没有将孔口套管用夹板固定；一小班后，便发生反丝套管回扣，又未及时处理，造成Φ108mm;反丝套管在孔内脱成三节，并且断头在超径部位偏斜；处理时又引起上部孔壁严重坍塌和其他重大事故，最后无法处理，报废进尺300.61m，Φ108mm套管166.93m。

此外，在下管同时，还要考虑到起管问题。除做好孔口封闭外，在条件允许时，在缩径地层可使用比原孔径小一级的套管，目的是便于起拔。同时，在孔口部位连接与孔径相同的套管（俗称“综合套管”），原因是：XB-1000 A钻机主动钻杆直径较大，如果孔口一段套管直径小，在主动钻杆敲打下套管易打断，立动钻杆棱角也易磨圆。

（4）使用水泥护孔

有条件地使用水泥护孔，在局部孔段与其他方法配合使用，多作为临时性的措施。水泥护孔使用条件及灌注方法详见“5.6.1 水泥护壁堵漏技术试验研究”。

5.5.2.2 洞隙性地层钻进与护壁方法

马坑矿区灰岩地层洞隙发育，对于大洞没有更好的办法处理，一般采用套管隔离。初期为防止套管在洞隙部位折断，采用在套管接箍外焊接加固办法，结果焊接处钢材变脆，更容易折断。后来采用办法是：①当溶洞长少于8m 时，采用单根长套管把溶洞隔开。804分队施工的ZK591孔在溶洞处套管曾多次折断，最后到永安仓库拉了一根没有割断的长9～10m厚壁管，放在溶洞处才保证了安全生产。②当洞隙大于8m时，有条件的可下双层管，如果条件不许可，则下完套管后也可采用带管钻进（见后述），套管折断情况也会比使用钻杆时好点。对于小洞隙，根据实际情况，采用下述方法施工。

（1）使用CMC石灰泥浆护孔堵漏

804分队施工的第一个钻孔（ZK594孔）时，开孔采用泥浆钻进，孔深40～118m遇F2断层，岩心破碎，裂隙发育，钻孔严重漏失，孔内曾发生几起大的坍塌，坍塌物多达20多米，钻具下不到底。先后用无泵捞渣、浓泥浆、投泥球、泥浆加水泥、投风化石等方法处理，均未见效，最后下了套管。下完套管刚进尺4m多，又见溶洞。从无泵抓上坍塌物分析，为断层破碎带岩石，说明溶洞与F2断层相通，孔内又差20多米不到底，短钻杆加不下去，无法进尺。后来，使用CMC石灰泥浆护孔堵漏，即见返水，顺利通过了洞隙层。

CMC石灰泥浆护孔堵漏方法：采用Na-CMC、石灰、粘土拌成泥球投入孔内，再从钻杆内灌入较浓Na-CMC溶液，等待片刻，用25 s以上石灰泥浆继续扫孔的方法处理。该方法在ZK592、ZK595、ZK552、ZK571等孔试验，也均获成功。

CMC石灰泥浆护孔堵漏机理如下：

1）投入泥球捣实后挤入孔壁裂隙，Na-CMC、石灰、粘土等材料联合起了架桥填隙作用。这种复合材料要比单一用粘土球好。

2）使用这种方法，泥球在孔内搅拌后，实际上是形成了粘度很高、网状结构很强的冻胶泥浆，起了堵漏作用。

必须指出，使用CMC石灰泥浆护孔堵漏法，临时性效果较好，时间长了，由于孔内压力激动，抽吸作用影响，仍有坍塌危险。然而，如果不用此法，又没有更好的办法，孔内坍塌物有增无减，无法捞尽，套管无法下，也无法钻进。因此，此法在复杂地层施工中，仍是一个行之有效的方法。

（2）使用带管钻进，减少套管用量，预防事故发生

带管钻进方法是在ZK596孔施工中提出。该孔孔深101.62～106.57m时，遇一溶洞，下入暗管，但在提下钻时，经常挂动；同时，由于钻杆敲打，暗管下部孔径逐渐扩大，导致暗管下跑，并因充填物坍塌使下跑暗管被卡。又下一根暗管坐在其上面，也是经常被刮动，很不安全。最后二根暗管错开，下钻困难，下整孔套管也有折断、错开的危险。

为处理这一事故，经研究使用带管钻进：用Φ108mm与Φ89mm套管，通过变径接头，连接成一个立根（俗称“岩心管立根”），长度与钻杆立根相近；下钻时放在溶洞位置，每回次加钻杆，都要加在这一“立根”底部，确保“立根”在溶洞的位置不变。这种方法减少了套管用量，增加了“立根”回转的稳定性，减少了折断的可能性，即使折断，大直径也比较容易对到头，易于处理。

带管钻进使用条件：用于不很大的空洞（一般小于5～6m）或充填物坍塌不甚严重的溶洞裂隙。802分队、804分队均有使用，虽“立根”长短有所不同，但使用效果都很好。

洞隙性地层，由于充填物的存在，因而也具有水敏性地层性质，水敏性地层钻进护壁方法坚持使用。

（3）使用水泥护孔

水泥护孔多与其他方法配合使用，作为临时性的护孔措施，使用条件及灌注方法见“5.6.1 水泥护壁堵漏技术试验研究”。

5.5.2.3 破碎地层钻进与护壁方法

施工这类地层，处理方法常有泥浆钻进、套管护孔等，但由于这类地层经常出现在深部，钻孔口径小而深，使用其他方法处理有困难时，水泥护孔就成为对付这一地层的主要手段。水泥护孔使用条件、灌注方法、操作注意事项等“5.6.1 水泥护壁堵漏技术试验研究”。