鄭思光,趙志杰,李志強,侯軍亮,高孝敏

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊,河北唐山 063000)

司家營鐵礦中深孔復(fù)雜地層巖心鉆探施工技術(shù)

鄭思光,趙志杰,李志強,侯軍亮,高孝敏

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊,河北唐山 063000)

隨著鐵礦資源需求的擴大,地質(zhì)找礦不斷向縱深發(fā)展,尤其深度在 500～1000 m的中深孔,如何提高中深孔鉆探施工的效率,是當(dāng)前巖心鉆探施工的重點。通過司家營鐵礦南區(qū)深部鉆探施工情況,論述了該工程的施工經(jīng)驗和方法。

中深孔;巖心鉆探;鉆探效率;護壁;套管

1 礦區(qū)概況及地層簡述

1.1 礦區(qū)環(huán)境概況

該施工地點緊鄰唐鋼司家營礦鐵礦 (北區(qū)),北區(qū)為全國特大型鐵礦,已于 20世紀 70年代完成地質(zhì)勘探施工工作。該礦區(qū)位于冀東平原東南部,礦區(qū)內(nèi)人口較稠密,經(jīng)濟情況一般,以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主,交通發(fā)達,京秦、遷曹鐵路和 205國道橫貫礦區(qū),青樂公路縱深南北,出行方便,礦區(qū)近鄰灤河主河道,地下水位埋藏較淺,水量較大,施工和生活用水較方便,但對鉆探施工護壁堵漏卻十分不利。

1.2 礦區(qū)地層簡述

該礦區(qū)主要為磁鐵石英巖鐵礦,礦區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層較厚,厚度為 80～150 m不等,主要為砂卵(礫)石層,且具有由北向南漸變厚的趨勢。早在 20世紀 70年代初期,我隊在該礦區(qū)進行巖心鉆探施工時,就因為覆蓋層護壁不好而發(fā)生報廢的鉆探工作量占 90%左右,出現(xiàn)該情況的主要原因是地層地質(zhì)構(gòu)造條件較復(fù)雜、地層穩(wěn)定性極差、漏水較嚴重、孔壁坍塌嚴重,限于當(dāng)時的技術(shù)水平,砂卵石覆蓋層的鉆進主要是采用硬質(zhì)合金鉆進和鋼粒鉆進,且泥漿材料主要是采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的粘土進行搓泥球護壁堵漏(基本上采用套管護壁的鉆孔有限),該方法既費人力且護壁堵漏效果很不好。。因此在本次施工中將覆蓋層鉆探護壁工作做好,就成了重中之重。2008年,我單位施工的 7個鉆孔中,第四系覆蓋層至上而下為:亞粘土、砂卵 (礫)石層 (卵石直徑在 50～60 mm之間,個別 100 mm以上)、粉質(zhì)粘土、礫層。巖層主要為片麻狀混合巖,礦物成分以長石、石英為主,巖層夾雜混粘土,其中礦體賦存在太古界灤縣群司家營組二段地層中,巖性較單一,主要有黑云變粒巖、磁鐵石英巖、角閃變粒巖、斜長角閃巖等組成。礦層中的磁鐵石英巖,石英含量在 70%以上。覆蓋層厚度在 80～150 m之間,磁鐵石英巖埋深在 480～860 m之間,厚度在 30～172 m之間。

2 勘探鉆孔技術(shù)要求

(1)執(zhí)行《鐵、錳、鉻礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0200-2002)和《巖心鉆探規(guī)程》標準施工。

(2)全孔取心,巖心采取率≮80%,礦心采取率≮85%。

(3)鉆孔為直孔,終孔直徑≮75 mm,提下鉆時必須進行水文觀測,孔斜每百米不大于 1%,同時校正孔深。

(4)鉆孔結(jié)束后測井,滿足地質(zhì)要求時方可終孔,最后按封孔技術(shù)要求進行封孔,并提交原始班報表。設(shè)計孔深范圍在 450～1000 m之間,每孔穿過礦層底板 30 m后可終孔。

3 鉆探設(shè)備及器具選擇

根據(jù)當(dāng)今巖心鉆探發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀,并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗,綜合考慮,主要以適用于中、深鉆孔施工的設(shè)備、管材、鉆具等為主,全力追求以優(yōu)質(zhì)的設(shè)備、管材及鉆具,確保高效高質(zhì)的生產(chǎn)效果。

鉆機:采用 XY-44型鉆機 (最大鉆深能力 1400 m)2臺,通過實踐證明,該鉆機性能穩(wěn)定,能夠符合本次勘探技術(shù)參數(shù)要求。

水泵:采用 BW300/12型水泵 2臺,該泵壓力、泵量可調(diào)范圍大,能夠適應(yīng)中、深孔尤其是覆蓋層較厚且地層復(fù)雜的巖心鉆探施工。

鉆塔:采用 17 m直斜兩用四角塔 2部,該塔具有性能穩(wěn)定、拆卸方便、安全度高、適用范圍廣、強度大等特點。

鉆桿:采用 “71 mm加厚型繩索取心鉆桿 2000 m,由于采用了加厚技術(shù),拉力、扭矩比普通繩索取心地質(zhì)鉆桿有了較大的提高,能夠滿足中、深孔施工要求。

套管及鉆具:“127 mm套管 100 m,“108 mm套管 360 m,“89 mm套管 400 m,開孔鉆具為 “130 mm單管鉆具 4套 (017 m),長鉆具為 “108、91 mm單管鉆具 (2～3 m)4套,“75 mm繩索取心雙管鉆具 (3～4 m)8套,S75普通繩索取心鉆具。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

“130 mm硬質(zhì)合金鉆頭開孔,穿過上部砂土層及部分卵礫石層下入 35～45 m “127 mm套管;然后改用 “110 mm金剛石鉆頭鉆進至卵礫石層下 5 m左右的粘土層中,下入 “108 mm套管;使用 “91 mm小八角硬質(zhì)合金肋骨鉆頭鉆過風(fēng)化層,直至鉆進完整基巖 1 m左右時下入 “89 mm套管;最后改換“7715 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆至終孔。

5 施工技術(shù)及經(jīng)驗方法

5.1 施工方案的制定

依據(jù)鉆孔設(shè)計和地質(zhì)技術(shù)要求,制定相應(yīng)的施工技術(shù)方案和事故應(yīng)急預(yù)案,確定施工技術(shù)參數(shù)。同時備好備足施工材料,如:不同巖層取心鉆具及膨潤土、泥漿處理劑、堵漏劑、潤滑劑及孔口管、技術(shù)套管等,避免開鉆后停工待料現(xiàn)象。

5.2 泥漿的調(diào)制

每個鉆孔開鉆前,必須調(diào)制好足夠的泥漿,根據(jù)不同巖層情況,調(diào)好不同的配比密度,以確保覆蓋層快速鉆進,并順利通過,提高第四系覆蓋層的鉆進效率。

5.3 施工過程的控制

對于每個鉆孔施工過程大致可以按以下工序分別控制,嚴把施工工序質(zhì)量關(guān)。

(1)開孔鉆具鉆進及表層套管 (孔口管)下入深度。我們選擇直徑為 130 mm的硬質(zhì)合金肋骨鉆頭進行開孔穿過上部砂土層及部分卵礫石層下入 35～45 m “127 mm套管;然后改用 “110 mm金剛石鉆頭鉆進,主要采用淡水乳化泥漿進行護壁,以水為外相,粘土和火堿為內(nèi)相用的表面活性劑作乳化劑配制成穩(wěn)定的泥水乳狀液具有良好的潤滑性,該泥漿主要用于松散、破碎及坍塌等不穩(wěn)定地層中,且攜帶巖屑能力強,能有效地清除孔底巖粉。采用泥漿配比為 (每立方米泥漿加量):粘土 100 kg以下,水900～950 kg,純堿占粘土量的 3%～5%。配制后泥漿主要性能為:密度 1107 kg/L,粘度 18～27 s,失水量 6～8 mL/30 min,含砂量 011%以下,泥餅厚度015 mm。經(jīng)過 7個鉆孔施工證明,該泥漿配比較適合亞粘土地層護壁,有利于沖洗孔底巖粉,鉆遇砂卵(礫)石層后下入 “108 mm套管重新調(diào)制泥漿改用“91 mm鉆具鉆進。

(2)“91 mm小八角硬質(zhì)合金肋骨鉆具鉆進。泥漿配置適當(dāng)提高粘土加量,將純堿改為火堿,個別地段加入甲基纖維素 CMC,以防坍塌。該泥漿能形成高粘度的膠體溶液,有粘著、增稠、流動、乳化分散等重要特性,具有攜帶巖屑能力強,鉆速快、機械磨損小的優(yōu)點,同時能使孔壁形成一層較致密的“保護膜”。泥漿配比 (每立方米泥漿加量)為:加水 900～950 kg,粘土 100～150 kg,火堿占粘土含量的3%,CMC占泥漿體積的 013%。配制后泥漿性能為:密度 1110～1120 kg/L,粘度 20～30 s,泥餅厚 1 mm。對于該地層鉆進,維護好泥漿性能很重要。每臺班泥漿質(zhì)量要保持一致,當(dāng)泥漿消耗時切忌盲目加水;CMC加入前要充分溶解,禁止加干料;為穩(wěn)定護壁,提鉆、下鉆要慢,盡量減少對鉆孔的抽吸和激動壓力,鉆進至一定深度后,做好提鉆時泥漿的回灌工作;另外對泥漿循環(huán)系統(tǒng)要加強,增加沉淀坑數(shù)量和循環(huán)槽長度,并經(jīng)常派人清除循環(huán)槽、沉淀坑內(nèi)的砂子和巖粉,以確保泥漿性能的穩(wěn)定。同時,更重要的是,在砂卵 (礫)石層中時,要快速穿過,減少擾動孔壁的時間,以便為保證鉆進完整基巖后下入 “89 mm技術(shù)套管打下良好的施工基礎(chǔ)。

(3)鉆遇強風(fēng)化基巖時,除維護好泥漿性能外,還要及時更換鉆具,采用雙動雙管鉆具,確保巖心采取率。鉆進至完整基巖并取出完整巖心柱后方可下入 “89 mm技術(shù)套管。

(4)下入技術(shù)套管后,換用 “75 mm繩索取心鉆進。由于中、深孔鉆進巖層普遍較厚,裂隙較多,尤其是巖層中常夾有混粒土層,此巖層遇水膨脹且有縮徑現(xiàn)象,巖石遇混粒土接合面有漏失,采用清水鉆進不能起到護壁效果,并且更不能清除孔底垮塌物,因此,我們采用了低固相泥漿護壁,漏失嚴重的部位得到較好的改善,最終取得了明顯的效果。

(5)對于個別鉆孔礦層頂部圍巖遇有破碎帶,鉆孔漏失嚴重,采用低固相泥漿加鋸末隨鉆堵漏仍不能奏效時,采取灌注素水泥漿加早強劑的護壁堵漏方法,先后采用水泥護壁堵漏 10次,使用水泥近10 t,成功或具有一定效果的 6次。水泥漿液水灰比1∶(0145～015),摻入三乙醇胺占水泥用量的10%,食鹽 1%作快干早強劑。水泥漿液凝固時間控制在 36 h。

(6)鉆進技術(shù)參數(shù)的選擇。合理選擇鉆進技術(shù)參數(shù),提高鉆探效率,是減少孔內(nèi)事故的保障。由于“75 mm繩索取心鉆進口徑大,鉆桿柱扭力大,鉆頭底唇面積大,需要的軸心壓力較大,克取巖石面積增大從而產(chǎn)生的巖粉、巖屑量增大。因此,需要較大的沖洗液量。我們選擇的鉆進參數(shù)如下:鉆壓 10～15 kN(軸心壓力 )、轉(zhuǎn)速 700～1000 r/min、泵量 120 L/min。

6 鉆探工作量及鉆探效率

2008年我們完成的鉆探工作量共計 5384165 m,施工時間、覆蓋層厚度及臺月鉆探效率詳見表 1。本次鉆探與以往鉆探效果對比見表 2。

表 1 2008年完成的鉆探工作量及經(jīng)濟技術(shù)指標

表 2 本次鉆探施工效果與以往施工資料對比表

7 結(jié)語

(1)做好施工前的準備工作,制定可行的施工組織設(shè)計方案,選擇好施工新工藝、新方法,并建立相應(yīng)的施工事故處理方案。

(2)鉆進覆蓋層,特別是鉆進砂卵 (礫)石層時,一定在確保使用好淡水乳化泥漿和維護好泥漿,同時加大泵壓,提高轉(zhuǎn)速,快速鉆進通過。如果停留在此層的時間過長,鉆孔孔壁長期處在泥皮保護下,會耽誤進尺效率。因此,鉆進該層時,一定要穩(wěn)定而快速地穿過,減少鉆進停留時間,及時下入技術(shù)套管,為下一步工作打下好的基礎(chǔ),減少或降低鉆進事故的發(fā)生率。

(3)合理選擇使用金剛石鉆頭,以提高鉆探效率。根據(jù)巖石的軟、硬程度及研磨性強、弱,合理選擇金剛石鉆頭。遇石英含量高、研磨性弱的巖層要及時更換軟胎體孕鑲金剛石鉆頭,并及時投入研磨骨料,隨時準備提鉆,堅決克服打懶鉆、不提鉆磨磨看的工作作風(fēng)。因為多數(shù)軟胎體鉆頭金剛石粒度較大,金剛石質(zhì)量更有保障;而胎體稍硬 (HRC30以上)的鉆頭金剛石粒度小,即便出刃很好,也無法確保有效地鉆取巖心。

(4)現(xiàn)場管理和施工人員的責(zé)任心尤為重要。因此,現(xiàn)場管理人員和施工人員要有高度責(zé)任心,以防為主,對巖心鉆探施工中各個施工環(huán)節(jié)要充分重視并精心施工,只有重視,巖心鉆探的質(zhì)量才能得到保證。

[1] 張春波,等.繩索取心金剛石鉆進技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社,1985.

[2] 石立明.復(fù)雜地層巖心鉆探綜合治理技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2008,35(2).

[3] 宋希雄.鉆孔漏失原因及防漏方法[J].探礦工程,1985,(3).

Construction Technology of Coring Drilling in M edium-deep Hole in Complex Formation of Sij iaying Iron M ine

ZHENG Si-guang,ZHAO Zhi-jie,LI Zhi-qiang,HOU Jun-liang,GAO Xiao-m in(No.2 Geological Party,HebeiBureau of Geology and Mineral Exploration,Tangshan Hebei 063000,China)

Improving drilling efficiency in medium2deep hole is key point for coring drilling construction,especially for the medium2deep holes of 50021000m.With the deep drilling case of Sijiaying iron mine,the paper discussed the construction method and the experience.

medium2deep hole;coring drilling;drilling efficiency;borehole wall protection;case

P634

A

1672-7428(2010)02-0024-03

2009-11- 27;

2009-12-31

鄭思光(1980-),男(漢族),河北灤縣人,河北省地礦局第二地質(zhì)大隊探礦工程處經(jīng)理、助理工程師,土木工程、水文水資源利用專業(yè),從事巖土鉆掘工程技術(shù)與管理工作,河北省唐山市路北區(qū)北新西道 157號,siguang103@163.com。