劉浩 彭泡 陳宇

近年來,隨著一些國家的工業(yè)化進程的加快以及中國經(jīng)濟的高速發(fā)展,市場對礦產(chǎn)資源的需求也日益增大。以鐵礦石為例,中國國產(chǎn)鐵礦石產(chǎn)量急劇增加,但依然遠不能滿足需求,鐵礦石供需矛盾十分突出[1]。為此,國家加大了對鐵礦石的勘查力度,并取得了成效。2009年12月13日,河北省宣布在唐山灤南縣境內(nèi)新發(fā)現(xiàn)了特大型的資源量達10.44億t的馬城鐵礦,并預(yù)計冀東地區(qū)還有約200億t的鐵礦石資源儲量。天元五一五鉆探工程公司作為主要的鉆探施工方,在繼馬城項目之后,在臨近的長凝礦區(qū)進行鉆探施工,所遇到的地層情況更為復(fù)雜,特別是在超厚第四系土中鉆孔孔壁極易坍塌。本文以長凝礦區(qū)的ZK0-2號孔為例,分析了主要的鉆探技術(shù)方法。

1 工程及地層情況

長凝礦區(qū)位于河北省灤縣,屬河北省灤縣管轄,交通方便。礦區(qū)位于灤河流域,地形平坦,易于搬遷。施工范圍內(nèi)沒有天然水體,但地下水豐富,埋深為20 m,電力方便。

繼完成馬城鐵礦勘查鉆探施工之后,天元五一五鉆探公司繼續(xù)承擔(dān)長凝礦區(qū)的鉆探施工任務(wù)。文中的ZK0-2號孔設(shè)計孔深為700 m,實際孔深692.1 m。開孔時間為2009年 7月28日,終孔時間為2009年9月2日,歷時一周。地層詳細情況見圖1。

2 鉆探施工中的主要難點

1)第四系地層較厚,砂礫層,卵礫層膠結(jié)性較差,特別是卵石易隨鉆頭轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,黏土層較厚,遇水膨脹縮頸,導(dǎo)致卡鉆等事故發(fā)生。2)礦區(qū)礦石為磁鐵石英礦,上下頂?shù)装鍨樽冑|(zhì)片麻巖及偉晶巖,硬度達到9級～10級,鉆進效率低。3)基巖中有20 m的破碎帶,此段地層漏失嚴(yán)重,且取芯困難[2]。4)繩索取心鉆具中的內(nèi)管總成投放速度較慢,磨損嚴(yán)重。

3 鉆探施工的主要技術(shù)方法

鉆機為HXY-6型,配備有BW-320型泥漿泵,BW-250型泥漿泵各一臺,前者用于第四系覆蓋層鉆進,后者用于基巖鉆進;動力為100 kW的康明斯發(fā)電機。由于地層情況比較復(fù)雜,各層段根據(jù)地層情況選擇了不同的鉆進方法、鉆頭和鉆進參數(shù)。

3.1 沖洗液配制

選用萍鄉(xiāng)產(chǎn)膨潤土,配制比重為1.15左右的基漿;加入4‰～8‰CMC,1‰～3‰火堿,10‰～13‰腐殖酸鉀,5‰～15‰磺化瀝青,配制成18 s～23 s的高稠度泥漿,并根據(jù)地層情況隨時調(diào)整其性能。不同地層泥漿配比及其性能分別見表1,表2。

表1 不同地層情況泥漿配比 kg

表2 不同地層情況泥漿性能指標(biāo)

CMC、腐殖酸鉀和磺化瀝青使用前均應(yīng)先水化,之后加入到基漿中。在漂卵石砂礫層等易漏失地層中鉆進,應(yīng)盡量將各參數(shù)調(diào)到最大,以獲得高固相高粘度泥漿。

3.2 第四系卵礫砂層鉆進

該層不取心。開孔采用φ 150的硬質(zhì)合金鉆頭,上部土層、砂土層采用單管取心鉆進;鉆至16 m處,發(fā)現(xiàn)孔口返排至泥漿池中的泥漿流量明顯減少,推斷鉆孔內(nèi)出現(xiàn)漏失地層,但不是十分嚴(yán)重。因此將泥漿泵排量增加到300 L/min～400 L/min,頂漏鉆進,同時將泥漿池中新配制的泥漿中的腐殖酸鉀調(diào)到13‰,磺化瀝青增大到14‰,以使泥漿粘度增大。同時相應(yīng)增大膨潤土的量以增加沖洗液的固相含量,腐殖酸鉀和磺化瀝青使用前要進行預(yù)水化處理。在卵礫石層采用φ 150的孕鑲金剛石鉆頭鉆進,鉆壓控制在6 kN～10 kN之間,轉(zhuǎn)速150 r/min～300 r/min,泵量250 L/min～350 L/min。換用孕鑲金剛石鉆頭鉆進時,回次初始應(yīng)慢速掃過上回次的孔段,以修整孔壁。該層鉆至121.9 m處,下入φ 146的套管。套管外壁抹上黃油,以利于后續(xù)套管起拔。

3.3 第四系泥頁層鉆進

繼續(xù)鉆進,發(fā)現(xiàn)進尺明顯加快,推斷已經(jīng)穿過卵礫石層,進入到泥頁巖層。該層主要為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖?？紤]到泥層極易發(fā)生縮頸,直接采用φ 110的硬質(zhì)合金肋骨鉆頭進行鉆進。鉆壓控制在8 kN～12 kN之間,轉(zhuǎn)速150 r/min～300 r/min,泵量200 L/min～250 L/min。鉆至402 m處時,該層部分孔壁發(fā)生坍塌,鉆桿難以起拔。嘗試用絞車配合鋼絲繩起拔,但仍然困難。最終采用吊車進行強力起拔。之后換用φ 108的套管進行跟管鉆進。

對此次卡鉆事故分析認為,泥漿固相含量偏低,形成泥皮質(zhì)量較差,導(dǎo)致了地層中大量失水,鉆孔孔壁吸水后向孔內(nèi)膨脹而發(fā)生縮頸;另外泥頁巖吸水膨脹后極不穩(wěn)定,易發(fā)生掉塊而落入孔中卡住鉆頭。對此,在此段地層后續(xù)鉆進中,將基漿比重調(diào)至1.20,并增加火堿和CMC的量。

3.4 基巖鉆進

鉆至504.7 m處進入基巖,換用冶標(biāo)系列φ 91繩索取心鉆具進行鉆進。鉆頭外徑為93,內(nèi)徑為68;鉆桿外徑為89,內(nèi)徑為80;內(nèi)管外徑為77,內(nèi)徑為70。由于鉆頭底唇面積增大,且基巖可鉆性達到8級～9級,故將鉆壓控制在10 kN～13 kN,鉆遇較破碎地層時,應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓,避免巖心堵塞而引起燒鉆。金剛石鉆進沖洗液量應(yīng)保證將孔底巖粉清除并使高轉(zhuǎn)速的鉆頭充分冷卻[4]。繩索取心鉆進由于鉆頭唇面較大,巖粉較多,故泵量較一般金剛石鉆進大,但由于孔徑較上兩地層小,泵量比鉆進上層所控制泵量又要小,鉆進中泵量控制在150 L/min～200 L/min。

4 施工中所需要說明的幾個問題

1)泥漿配制。在施工場地上布置兩個泥漿池,尺寸為4 m×4 m×1.5 m(長×寬×高),循環(huán)槽長度15 m,坡度1/100,并在循環(huán)槽中段設(shè)沉淀池兩個。配制泥漿前應(yīng)進行小樣試驗,以確定最優(yōu)配比及程序。聚丙烯酰胺、腐殖酸鉀、磺化瀝青應(yīng)在水中浸泡待其完全溶解后,才可加入到泥漿池中。2)泥漿凈化。金剛石在漂卵礫石層中鉆進產(chǎn)生大量巖粉,進入泥漿中容易使泥漿性能發(fā)生改變。在鉆孔環(huán)狀空隙中高速旋轉(zhuǎn)上升,易使泥皮脫落。巖粉進入泥漿池中則可能使水泵發(fā)生事故[3]。對此問題,我們在循環(huán)槽中增加篩網(wǎng),在泥漿池中沉淀砂體,并勤換漿體,實現(xiàn)了泥漿凈化。3)在詳細勘察階段,對先期的地層資料的了解幫助我們節(jié)省了大量的鉆進時間以及節(jié)約了工程成本。4)提鉆時要回灌泥漿,以平衡孔內(nèi)壓力。要控制下鉆速度,減弱抽吸力對孔壁穩(wěn)定性的影響。5)在該孔破碎地層段用繩索鉆進取心時,在開始時每進尺0.3 m～0.6 m就出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,泵壓表顯示明顯憋泵。對此,處理方法是調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階間隙,出現(xiàn)堵塞后立即提撈內(nèi)管,保證巖心不被磨損和不燒鉆。6)礦層巖石硬度達到9級～10級,鉆進時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。對此往孔底投磨料。磨料選用碎至1 cm～2 cm的石英小顆粒,每次往內(nèi)管內(nèi)投入10粒左右。低轉(zhuǎn)速,孔底壓力10 kN左右,鉆進中不給水,轉(zhuǎn)10 r～20 r后將鉆頭提離孔底,反復(fù)10次左右后再正常給水鉆進。實際應(yīng)用效果良好。

5 結(jié)語

在深度達500 m的超厚第四系覆蓋層以及硬巖和破碎地層中鉆進,是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。通過選用行之有效的鉆進工藝和鉆進參數(shù),配合好適應(yīng)該地層的沖洗液,我們成功地完成了任務(wù)。實踐表明,深厚第四系中選好泥漿,硬巖中考慮鉆頭和巖石硬度的關(guān)系,破碎帶中考慮到孔底的壓力問題[5],這些就能保證工程的順利完工。

[1]駱華寶.我國鐵礦資源狀況[J].地質(zhì)評論,2009,55(6):885-891.

[2]朱景萍.皖煤田超厚度第四系鉆進與護壁技術(shù)[J].探礦工程,2007(sup):104-106.

[3]陳 軍.第四系大厚度漂卵石砂礫石層供水井裸眼鉆進及護孔[J].西部探礦工程,2008(11):99-101.

[4]閆文軍.河北省灤縣司家營鐵礦南礦區(qū)鉆探施工工藝[J].探礦工程,2009(10):31-33.

[5]鄢泰寧.巖土鉆掘工程[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.