毛雅杰,陳全明

(西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì),陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)

毛雅杰,陳全明

(西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì),陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦鉆探施工中所遇到的主要問(wèn)題是第四系黃土層及坡積礫石、細(xì)砂巖風(fēng)化層較厚,上部破碎,鉆孔坍塌、掉塊嚴(yán)重,下部礦層呈粉狀粘土巖,取心難度十分大,成孔困難,導(dǎo)致勘探工程進(jìn)展緩慢。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)分析原因,采取有針對(duì)性的鉆探工藝及其他技術(shù)措施,有效地解決了這些問(wèn)題。

巖心鉆探;復(fù)雜地層;坍塌;掉塊;護(hù)壁;取心

1 概述

湘河大泉釩礦位于陜西省商南縣境內(nèi),此礦區(qū)是中國(guó)與加拿大合資項(xiàng)目。施工區(qū)域內(nèi)主要地層為第四系黃土層及坡積礫石,上部含砂礫,下部為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及角礫狀白云巖互層。礦體主要為碳質(zhì)粘土巖,礦層呈粉狀,取心十分困難。

由于首次接觸釩礦巖心鉆探施工,對(duì)于地層的復(fù)雜程度了解不到位,在施工第一個(gè)鉆孔 ZK801孔時(shí),走了一些彎路,臺(tái)月效率不足 200 m。經(jīng)過(guò)該孔的探索、實(shí)踐,獲得了該礦區(qū)鉆探技術(shù)要點(diǎn),后續(xù)鉆孔臺(tái)月效率達(dá)到 300 m以上。本文以 ZK801孔的施工過(guò)程為例,介紹該礦區(qū)鉆探施工中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決措施。

2 鉆孔設(shè)計(jì)情況

根據(jù)地質(zhì)找礦需求,該礦區(qū)前期設(shè)計(jì) 8個(gè)鉆孔,主要是查明礦體條數(shù)、產(chǎn)狀、厚度及品位。鉆孔設(shè)計(jì)深度 200～450 m。鉆孔所遇到地層由上到下依次為:第四系黃土層及坡積礫石,厚度 15～40 m;灰質(zhì)白云巖,白云質(zhì)灰?guī)r,厚度 100～220 m之間;泥質(zhì)灰?guī)r,灰質(zhì)白云巖,角礫狀白云巖,厚度 80～170 m,礦體位于該層下部,厚度 10～30 m,鉆穿礦層 20～30 m即可終孔,終孔孔徑 75 mm。

3 鉆探設(shè)備及施工工藝

施工設(shè)備:XY-4型鉆機(jī),BWJ-125型泥漿泵,A形鉆塔。

施工工藝:S75繩索取心鉆進(jìn),泥漿護(hù)壁。

4 施工中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及解決辦法

ZK801鉆孔設(shè)計(jì)深度 370 m,傾角 65°,方位角245°。施工一開采用 “130 mm硬質(zhì)合金鉆頭開孔,鉆穿第四系黃土層及坡積礫石下入 “127 mm套管封住上部易坍塌層;二開采用 “110 mm口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn)至較為完整巖層后,下入 “108 mm地質(zhì)套管;三開采用 “91 mm鉆具導(dǎo)正 “75 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。

4.1 施工中遇到的主要問(wèn)題

(1)第四系黃土層及強(qiáng)風(fēng)化層成孔困難。由于下達(dá)的地質(zhì)設(shè)計(jì)施工任務(wù)書對(duì)第四系覆蓋層的厚度沒(méi)有表述,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開孔措施重視不夠,該孔位正好位于兩山之間溝底,由于常年累月的沉積物堆積,實(shí)際第四系松散層厚度達(dá)到 20 m,并且含碎石量高,約占體積的 50%。風(fēng)化層厚度達(dá) 25 m,開孔至 50 m孔段,漏失一般,坍塌嚴(yán)重。

(2)“108 mm地質(zhì)套管下完后,更換為 “75 mm繩索取心鉆進(jìn) ,在 95～105、165～185、215～221、257～265 m等孔段均出現(xiàn)滲漏至全孔漏失現(xiàn)象,并有輕微的掉塊現(xiàn)象。導(dǎo)致事故較多、施工效率大幅度下降、施工成本急劇上升,嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

(3)近礦尾巖孔段采心困難,采取率達(dá)不到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。主要原因是礦層軟硬互層,硬層厚度在 0105～0110 m之間,軟層見水就化。

4.2 施工過(guò)程中所采取的技術(shù)措施

4.2.1 對(duì)于上部第四系黃土層及坡積礫石孔段漏失、坍塌的處理

ZK801孔開孔后,由于對(duì)該層位重視不夠,按照常規(guī)的方法進(jìn)行施工,采用高粘度固相泥漿護(hù)壁直接鉆進(jìn)至孔深 16 m,孔內(nèi)出現(xiàn)漏失、坍塌,故采用加大泥漿粘度和密度來(lái)處理漏失層,但效果不理想,隨后,給泥漿加入固相材料后漏失得到有效控制。為了保證施工安全,提前下入 “127 mm地質(zhì)套管封堵上部漏失層和坍塌層。之后 “110 mm口徑鉆進(jìn),鉆進(jìn)至孔深 25 m時(shí),孔內(nèi)出現(xiàn)漏失,孔壁失穩(wěn),坍塌嚴(yán)重,鉆具下不到孔底,孔深又變?yōu)?21 m,被迫停鉆。分析原因,確定采用白泥球固壁、泥漿護(hù)壁的方法鉆進(jìn),即對(duì)已成孔投入含有 CMC、白泥、Na2CO3的粘土球,每投入一定量后,下入錐形鉆頭反復(fù)搗實(shí),直至填到 “127 mm套管內(nèi),再使用泥漿循環(huán)鉆進(jìn),鉆進(jìn)一段再用粘土球封固一段,按照此方法反復(fù)進(jìn)行,取得了比較好的護(hù)壁效果,很快就穿過(guò)第四系黃土層及坡積礫石,然后采用金剛石鉆頭鉆達(dá)完整巖層后下入 “108 mm地質(zhì)套管,換徑 S75繩索取心鉆具正常施工。

為減小鉆具與孔壁的阻力,提高鉆進(jìn)效率,正常鉆進(jìn)時(shí)采用無(wú)固相泥漿。其配方為:淡水∶CMC∶植物膠∶廣譜護(hù)壁劑 =1 m3∶3 kg∶2 kg∶115 kg。其性能為:密度 1101～1103 kg/cm3,粘度 21～23 s,失水量 15 mL/30 min。該泥漿的主要特點(diǎn)是具有良好的護(hù)壁、潤(rùn)滑、防漏失和減小阻力的效果,性能調(diào)整范圍較大。

4.2.2 坍塌孔段的護(hù)壁處理措施

由于該地區(qū)受斷裂帶的影響,鉆孔在正常施工過(guò)程中鉆遇細(xì)砂層時(shí)出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌情況。根據(jù)ZK801孔的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一套處理細(xì)砂層的辦法:采用泥漿快速穿過(guò),之后采用注水泥固孔的辦法處理。注水泥漿的要領(lǐng):首先,用清水洗孔,將粘在孔壁上的泥皮洗凈,再將準(zhǔn)備好的 425水泥漿 (密度在 1180～1185 g/cm3)快速?gòu)你@桿內(nèi)注入孔內(nèi),注意在施工時(shí)必須密切注意孔內(nèi)排粉量,以便孔徑的測(cè)算,計(jì)算好水泥用量,確保一次性成功。候凝 36～48 h開始透水泥,透完水泥塞后,應(yīng)將水泥漿與泥漿混合液替換,換新泥漿再鉆進(jìn)。

4.2.3 全漏失孔段的護(hù)壁堵漏措施

全孔漏失是先出現(xiàn)滲漏,然后迅速轉(zhuǎn)為全部漏失。ZK801孔鉆進(jìn)到孔深 95 m時(shí),泥漿滲漏發(fā)展到全孔漏失,采用 4.2.1所述的解決滲漏的措施,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)處理毫無(wú)效果。經(jīng)過(guò)研究,先采用 CMC+植物膠 +Na2CO3與水?dāng)嚢璩珊隣钤購(gòu)你@桿內(nèi)灌入;然后調(diào)整泥漿,提高粘度,加入惰性材料和堵漏劑,合上回轉(zhuǎn)器,開泵送入孔內(nèi),在確認(rèn)加入的材料到達(dá)漏失位置時(shí)(泵壓突然升高又快速回之平穩(wěn)狀),停止泥漿泵,回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速控制在 310～390 r/min,并上下串動(dòng) 4～5次,使所加入的材料擠至孔內(nèi)壁的裂隙上,開泵循環(huán),漏失孔段消失后,逐步將泥漿粘度調(diào)整恢復(fù)到正常鉆進(jìn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

由于該礦區(qū)鉆孔漏失孔段多,出現(xiàn)漏失次數(shù)較多,根據(jù) ZK801孔成功經(jīng)驗(yàn)與方法,將上述堵漏方法進(jìn)行了總結(jié)。并在本工區(qū)各機(jī)臺(tái)相互學(xué)習(xí)和交流,共同掌握此方法。為該礦區(qū)后續(xù)鉆孔的施工打下基礎(chǔ)。

4.2.4 提高近礦圍巖段巖心采取率的施工措施

該礦區(qū)鉆進(jìn)到近圍巖段,為特殊的巖性及地質(zhì)構(gòu)造,礦層為粘土巖,軟硬互層。地質(zhì)設(shè)計(jì)要求巖心不能被泥漿浸泡,保持巖心完整,回次進(jìn)尺必須控制在 0130 m。采用普通繩索取心工藝達(dá)不到要求的采取率,甚至是空管,根本達(dá)不到地質(zhì)要求,礦層太厚時(shí)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,造漿率極高,造成埋鉆事故。

為解決這一問(wèn)題,ZK801孔施工中采用泥漿及鉆進(jìn)工藝兩個(gè)方面的綜合措施。

(1)調(diào)整泥漿,將孔內(nèi)原有泥漿全部替換,更換新配置無(wú)固相泥漿,其配方為:淡水∶CMC∶PAM∶聚丙稀酸鉀 =1 m3∶3 kg∶015 kg∶2 kg,泥漿粘度保持 22～24 s,密度保持在 1103～1106 g/cm3,失水量 6～10 mL/30 min。主要作用是提高泥漿粘度,護(hù)壁性能好,還能夠很好潤(rùn)滑孔壁攜帶大量巖粉。

(2)選用雙動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn),鉆具總長(zhǎng)度不超過(guò) 1180 m。采用小八角硬質(zhì)合金自制外徑為 “75 mm,內(nèi)出刃 2100 mm硬質(zhì)合金鉆頭。配內(nèi)鉆頭 63/43 mm復(fù)合片鉆頭,內(nèi)鉆頭超前外鉆頭 0150～0170 m。鉆壓 5～8 kN,轉(zhuǎn)速 80～180 r/min,沖洗液量 60～100 L/min,回次進(jìn)尺控制在 0130 m。

操作注意事項(xiàng):在下鉆時(shí)嚴(yán)禁急剎車、跑鉆現(xiàn)象發(fā)生,必須做到平穩(wěn)下鉆,下至距孔底 2100～3100 m時(shí)合上回轉(zhuǎn)器掃至孔底再鉆進(jìn)。上鉆時(shí)禁止高速、墩鉆,要求平穩(wěn),每鉆 12～18 m時(shí)必須回灌泥漿一次,達(dá)到平衡環(huán)空壓力的作用。通過(guò)施工實(shí)踐,成功地解決了取心難的問(wèn)題,從而提高了巖礦心的采取率,達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

5 鉆進(jìn)效果

有了 ZK801孔的經(jīng)驗(yàn),施工 ZK1201及 ZK1202等鉆孔時(shí),采取了預(yù)防措施,取得了良好的效果,特別是在施工 ZK5002孔時(shí),該孔設(shè)計(jì)孔深 300 m,實(shí)際終孔深度 499174 m,鉆遇釩礦層共 3層,最厚礦層達(dá)到 30 m,經(jīng)過(guò)加拿大專家現(xiàn)場(chǎng)檢查,該孔巖(礦)心平均采取率 98%,礦心采取率均在 100%,贏得了加拿大專家一致好評(píng)。

該礦區(qū)地層基本相似,都存在漏失和全孔漏失的孔段,在施工第一個(gè)鉆孔所積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在鉆探工藝上不斷總結(jié),后續(xù)鉆孔都不同程度縮短了施工時(shí)間。取得了好的經(jīng)濟(jì)效益,已施工的鉆孔均被評(píng)為一級(jí)鉆孔。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)加強(qiáng)學(xué)習(xí)交流,提高對(duì)鉆進(jìn)規(guī)律的認(rèn)識(shí),是解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)的捷徑。

(2)該礦區(qū)采取的提前預(yù)防、配置泥漿護(hù)壁、根據(jù)不同的層位及時(shí)調(diào)換泥漿的方法是解決復(fù)雜地層比較有效的方法。

(3)根據(jù)礦層的類型,選用不同的鉆具施工對(duì)提高近圍巖礦心的采取起到很好的效果。

[1] 胡辰光.鉆探工程技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)物全書[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

[2] 劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[3] 馬植侃,王濱,劉建明.鉆探工程學(xué) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.

Drilling Technology in Complex Formation of Xianghedaquan Vanadium Deposit

MAO Ya-jie,CHEN Quan-m ing(No.715 Party,North-westMining and Geological ExplorationBureau forNonferrousMetals,Xi’an Shaanxi710600,China)

A series of difficultieswere encountered for drilling in Xianghedaquan vanadium deposit:quaternary loess&di-luvium gravel,thick weathered layer of fine sand rock;broken upper partwith borehole collapsing and block falling;pow2 der clay rock for lower ore bed,hard for coring and boring.These difficultieswere effectively overcome by pertinent drilling technology and technicalmeasures.

coring drilling;complex formation;collapsing;block-falling;wall protection;coring

P634

A

1672-7428(2010)03-0021-03

2009-11-20

毛雅杰(1963-),男 (漢族),河南偃師人,西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì)副總隊(duì)長(zhǎng)、工程師,探礦工程專業(yè),從事石油勘探、探礦工程與管理工作,陜西省西安市臨潼區(qū)文化東路 41號(hào),715myj@sohu.com。