鄭思光，趙志杰，王克佳，劉 墨，王 蒙

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北唐山 063000)

司家營(南)區(qū)大賈莊鐵礦復雜地層深孔鉆探技術

鄭思光，趙志杰，王克佳，劉 墨，王 蒙

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北唐山 063000)

總結了灤縣司家營(南區(qū))鐵礦大賈莊礦段復雜地層深孔鉆探施工技術經(jīng)驗，著重分析了厚覆蓋層和破碎漏失、堅硬“打滑”地層的鉆進方法，同時介紹了保證復雜地層巖心采取率及控制鉆孔彎曲超差偏離勘探線的技術措施。通過大賈莊礦段深部鉆探施工，提出了千米以深鉆孔復雜地層的鉆探施工技術措施和保證鉆探施工質(zhì)量應注意的事項及措施。

復雜地層;深孔鉆探;泥漿護壁;鉆進參數(shù);效率;質(zhì)量措施

1 礦區(qū)概況及地層簡述

1.1 礦區(qū)概況

河北省灤縣司家營鐵礦大賈莊礦段位于河北省東部灤縣—灤南縣境內(nèi)，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。交通較發(fā)達，遷曹鐵路橫貫礦區(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，但近年受干旱及人為開采地下水的影響，水位下降較快。早在20世紀70年代，經(jīng)過地質(zhì)勘探技術人員大量辛勤工作已對淺層鐵礦資源進行了圈定，掌握了大量地層淺部鐵礦石資源;由于當時受采礦、選礦技術的制約，礦區(qū)未能進行開采。近幾年，隨著采礦、選礦技術的不斷提高，該鐵礦資源陸續(xù)得到了大批量開采。為確保資源的可持續(xù)性利用和合理開發(fā)，并充分貫徹落實國務院《關于加強地質(zhì)工作的決定》精神，結合以往地質(zhì)資料，我隊從2008年開始，對該礦區(qū)深部投入了大量的人力、物力進行地質(zhì)勘探工作，2010年更是在原有勘探施工的基礎上投入續(xù)作鉆探工作量5萬多米，設計鉆孔深度主要在600～1500 m之間，個別鉆孔低于600 m。通過對該礦區(qū)的“摸邊探底”，為河北鋼鐵生產(chǎn)提供了強有力的資源保障。

1.2 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，主要為砂卵(礫)石層，且具有由北向南逐漸變厚的趨勢。第四系覆蓋層自上而下主要為:亞粘土、砂卵(礫)石層(卵石直徑在30～80 mm之間，個別150 mm以上)、粉質(zhì)粘土、砂層、粘土層。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，主要由黑云變粒巖、磁鐵石英巖、角閃變粒巖、斜長角閃巖、偉晶巖、脈巖等組成。礦層中的磁鐵石英巖，石英含量在70%以上。覆蓋層厚度在100～230 m之間，磁鐵石英巖埋深主要在520～860 m之間，厚度在30～140 m之間。

2 施工技術要求

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

(2)第四系覆蓋層不要求取心，但基巖面以上5m開始取心，巖心采取率≮65%，礦層頂?shù)装? m范圍內(nèi)及礦層巖心采取率≮80%。

(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≯2°/100 m，同時校正孔深。

(4)鉆孔結束后測井，滿足地質(zhì)要求時方可終孔，最后按封孔技術要求進行封孔，并提交原始班報表。設計孔深范圍在600～1500 m之間，每孔穿過礦層底板30～50 m后方可終孔。

3 鉆探設備、管材及鉆具的選擇

根據(jù)該鉆探項目的鉆孔深度和地層復雜情況，施工設備主要選用XY－44型鉆機2臺，XY－5型鉆機1臺，BW300/12型水泵3臺，SG－23型四角塔1部，SGX－18、SG－17型四角塔各1部，繩索取心絞車3臺(1500型)。

鉆桿:φ71 mm鐓粗熱處理型繩索取心鉆桿4000 m。

套管:φ146 mm套管150 m，φ108 mm套管700 m，φ89 mm套管800 m;

鉆具:開孔鉆具為φ150 mm單管鉆具6套(0.7 m)，長鉆具為 φ150、108、91 mm 單管鉆具(3 ～4 m)各10套，S77重索繩索取心鉆具(3～4 m)9套。

4 鉆孔結構

根據(jù)該礦區(qū)第四系覆蓋層較厚，并有較厚的砂(卵)石層，結合以往鉆探施工經(jīng)驗，開孔采用φ150 mm硬質(zhì)合金鉆頭，鉆進0～50 m下入φ146 mm套管作為孔口管;結合以往鉆孔施工經(jīng)驗，為避免因硬質(zhì)合金鉆頭與孔口管的摩擦而損壞φ146 mm套管，決定直接采用φ110 mm硬質(zhì)合金鉆進，待穿過砂(卵)石、粘土層后，下入φ108 mm套管至強風化基巖上;然后再改用φ91 mm復合片鉆頭或金剛石鉆頭鉆進至完整基巖，一般鉆進完整基巖1.0～1.5 m即可，下入φ89 mm技術套管，最后采用φ77 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆進至終孔。

5 鉆探施工技術

5.1 第四系覆蓋層鉆探施工

依據(jù)地質(zhì)技術要求，第四系覆蓋層鉆進時采取不取心鉆進施工，但是對于粘土層及砂(卵)石層，尤其是卵石直徑較大時(粒徑＞100 mm)，必須將巖心取出，否則難以成孔進尺;由于粘土層具有隔水造漿性能，容易出現(xiàn)縮徑，砂(卵)石層又容易孔壁坍塌，因此，第四系覆蓋層的鉆探施工在于維護泥漿性能，只有保證粘土層不縮徑，砂(卵)石層鉆孔孔壁穩(wěn)定，孔底干凈，就能夠比較順利地通過覆蓋層，確保φ146、108 mm套管的順利下入，實現(xiàn)鉆孔施工的優(yōu)質(zhì)、高效。因此，本礦區(qū)采用的主要泥漿材料為:膨潤土(鈉土)、火堿、水，其配方為(1 m3泥漿):粘土100 kg，水 900 ～1000 kg，火堿 3 ～5 kg。將泥漿充分攪拌均勻后，其性能如下:粘度17～28 s，密度1.08 kg/L，失水量6～8 mL/30 min。當鉆進至砂(卵)石較厚地層時，每方泥漿中需加入鈉－羧甲基纖維素2～3 kg，以提高泥漿粘度，形成致密泥漿，確?？妆诘姆€(wěn)定。

硬質(zhì)合金鉆進技術參數(shù):

(1)鉆頭壓力:鉆進第四系覆蓋層時，嚴格控制鉆頭壓力，針對不同直徑的硬質(zhì)合金鉆頭，每粒硬質(zhì)合金壓力控制在500 N以內(nèi);卵石層鉆進時每粒硬質(zhì)合金壓力控制在550 N以內(nèi);

(2)轉速:粘土層取300～350 r/min，砂(卵)石層取150～300 r/min;

(3)泵量:均大于80 L/min。

在隨后的覆蓋層較厚的鉆孔施工過程中，通過使用上述泥漿材料及配比，較好地實現(xiàn)了控制孔壁的穩(wěn)定性，并較快地通過了覆蓋層(特別是卵礫石層)的施工，順利地下入了φ146和108 mm套管，為鉆孔的整體順利施工奠定了基礎。

5.2 φ91 mm復合片鉆頭鉆探施工

按照地質(zhì)設計技術要求，強～弱風化基巖要采取巖心，巖心采取率≮65%。在采用φ91 mm復合片鉆頭或金剛石鉆頭鉆進時，要把泥漿粘度、密度降低，條件允許的情況下(視基巖風化程度而定)可使用低固相泥漿鉆進。為確保巖心采取率，取心鉆具可采用超前式雙動雙管鉆具。

鉆進用泥漿配方(1 m3泥漿):粘土100～130 kg，清水900 ～950 kg，聚丙烯酰胺 2 ～3 kg，火堿占粘土含量的3%，鈉羧甲基纖維素0.5%。泥漿性能:粘度20 ～30 s，密度 1.15 ～1.20 kg/L，失水量 5～6 mL/30 min。

鉆進技術參數(shù):鉆壓5～7 kN，轉速200～450 r/min，泵量80～120 L/min。

采用以上泥漿配比，應用φ91 mm復合片鉆頭鉆進至完整基巖1～1.5 m后，提鉆，下入φ89 mm技術套管，更換泥漿，改用φ77 mm金剛石繩索取心鉆進。

5.3 φ77 mm金剛石繩索取心鉆進

5.3.1 鉆進沖洗液的選擇

該礦區(qū)基巖地層大部分較為單一且完整，采用無固相泥漿可滿足鉆進施工要求;但個別鉆孔及孔段遇斷層破碎帶和堅硬脈巖，且節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖心破碎，漏失嚴重，甚至有部分孔段不能返水，采用無固相泥漿已不能夠完全滿足鉆探施工要求，因此，在鉆進該地層時，宜采用低固相泥漿。具體采用以下哪種泥漿可根據(jù)地層變化情況確定。

(1)無固相泥漿。配置材料及具體配比為:水1 m3+水解聚丙烯酰胺0.3～0.7 kg+廣譜護壁劑(GSP)1% ～2%，切削膏可視潤滑效果確定，一般每次加2～3.5 kg。

(2)低固相泥漿。主要材料及具體配方為(1 m3泥漿):水1 m3+水解聚丙烯酰胺0.3～0.7 kg+廣譜護壁劑(GSP)1.5% ～3.0%+鈉基－膨潤土1～2袋。

5.3.2 鉆進技術參數(shù)的選擇

5.3.2.1 鉆壓

鉆頭壓力控制在10～15 kN，由于采用的φ71 mm鐓粗熱處理型繩索取心鉆桿和重型繩索取心鉆具，其金剛石鉆頭的底唇面較厚，故應選擇較大的鉆頭壓力值。

5.3.2.2 轉速

結合鉆機能力、鉆具強度及鉆孔彎曲度，轉速控制在400～850 r/min之間。

5.3.2.3 沖洗液量

由于φ77 mm金剛石繩索取心鉆進鉆頭底唇面厚，克取巖心的面積大，因此沖洗液宜取較大值，一般采用70～110 L/min。

鉆壓、轉速、沖洗液量三者是互相聯(lián)系、互相制約的，在一定條件下，其內(nèi)部存在著最優(yōu)的配合關系。本礦區(qū)鉆進施工所采用的均為上限值或較大值，取得了較好的鉆進效率，并保障了鉆頭的使用壽命，鉆頭平均使用壽命為95.8 m，最大使用壽命為235.0 m。鉆進技術參數(shù)最優(yōu)配合詳見表1。

表1 鉆進技術參數(shù)最優(yōu)配合參照表

通過不同地層沖洗液的選擇和鉆進參數(shù)的應用比較，尤其在破碎地層和漏失嚴重地層，通過選用低固相泥漿沖洗液，保證了孔壁的穩(wěn)定，降低了漏失量，并通過控制回次長度、調(diào)整鉆頭直徑及回灌等措施，在該礦區(qū)深孔復雜多變的地層條件下，順利地完成了鉆探施工，提高了鉆進效率。

另外，在礦層上部的堅硬“打滑”地層鉆進過程中，選用了低硬度(HRC20)進口金剛石孕鑲鉆頭，通過加大鉆壓，向孔內(nèi)投放磨料，以及采用并改進普通燒結擴孔器的安裝結構等措施，較為順利的鉆過該堅硬巖層，并保證了鉆孔的孔徑，提高了施工效率，保證了施工質(zhì)量。

6 鉆探效率及經(jīng)濟效益

2010年我們共完成鉆孔13個，鉆探工作量13664 m，鉆孔深度、覆蓋層厚度及臺月效率、鉆進成本詳見表2。

表2 2010年施工鉆孔鉆探質(zhì)量及經(jīng)濟技術指標表

通過司家營(南)礦區(qū)大賈莊鐵礦深孔鉆探實踐，不但在鉆進工藝上取得了一定的施工經(jīng)驗，而且取得了很好的社會經(jīng)濟效益，同時，為我隊巖心鉆探工程發(fā)展打下了堅實的基礎。2010年投入3臺(套)巖心鉆機施工，共完成了13個鉆孔，最深孔為1270.39 m，完成鉆探工作量13664 m，平均臺月效率632 m，最高臺月效率793 m。

7 保證巖心采取率及控制鉆孔彎曲度的技術措施

司家營(南)礦區(qū)在以往鉆探施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)巖心采取率較低(特別是強風化層及破碎帶)及鉆孔彎曲偏離勘探線較大等事故，造成鉆孔不能按合格孔結算，損失較大。因此，本次施工為避免此類事故的再次發(fā)生，特別針對鉆探施工中巖心采取率和控制鉆孔彎曲超差提出具體技術保證措施。

7.1 保證巖(礦)心采取率的技術措施

按照地質(zhì)技術要求，本礦區(qū)巖心采取率≥70%，并確保強～弱風化帶巖心采取率以了解分化帶巖性及隔水性能，礦心采取率≮80%。為確保巖(礦)心采取率滿足地質(zhì)技術要求，鉆進φ110 mm直徑時，結合以往施工地層經(jīng)驗，細心觀察孔底上返巖粉樣品變化，發(fā)現(xiàn)強風化基巖時，采取干燒的方法進行取心;換用φ91 mm復合片鉆頭鉆進時，采用超前式雙動雙管鉆具或使用φ91 mm單動雙管金剛石鉆具進行鉆進風化基巖破碎帶的取心，確保了風化基巖破碎帶巖心采取率;φ77 mm金剛石繩索取心鉆具完全能夠滿足基巖及礦層巖(礦)心采取率，當鉆進斷層破碎帶時，發(fā)現(xiàn)巖心堵塞，立即提取內(nèi)管，禁止上、下竄動孔底鉆具，嚴禁在巖心堵塞后上、下竄動鉆具繼續(xù)回轉，如果提取內(nèi)管還不能解決巖心堵塞現(xiàn)象時，有可能是鉆頭內(nèi)徑過大與卡簧配合不好，需提大鉆調(diào)整卡簧或更換鉆頭，如果純屬巖心破碎，就要降低回次進尺長度，及時勤提內(nèi)管。

只要及時更換取心鉆具，正確使用繩索取心鉆具，就能夠使巖(礦)心采取率達到地質(zhì)技術要求。

對取出的巖心必須清洗干凈，自上而下按次序裝箱，在巖心上用紅油漆寫明回次數(shù)、總塊數(shù)和塊號(對于松散、破碎、粉狀、砂礫狀巖心在裝入巖心箱時，將巖心箱底鋪好塑料布，尤其是與風化帶接觸的粘土層，確保取出時的層狀土樣)，詳細填寫巖心隔板，并對巖心箱標明礦區(qū)名稱、孔號、回次及巖心箱順序。經(jīng)實際施工，鉆孔采取率均滿足地質(zhì)技術要求(詳見表2)。

7.2 控制鉆孔彎曲超差的措施

該區(qū)鉆孔全部設計為直孔，地質(zhì)技術要求除遵循每百米允許頂角偏差＜2°外，還對終孔點偏離勘探線的距離有要求，也就是說每百米允許頂角偏差降低到最小值甚至無偏差。因此，要求鉆探施工過程中必須嚴格控制頂角偏差值，單獨按累計頂角允許偏差計算頂角值。由于鉆孔較深(大部分深度1000 m以深)，雖然頂角沒有超差，但頂角過大時，尤其是朝垂直勘探線方向漂移時，容易造成終孔點偏離勘探線距離增大。為了避免此類現(xiàn)象發(fā)生，采取了以下施工技術措施:

(1)鉆機底座安裝水平、周正、穩(wěn)固，尤其是鉆機底座的四個角必須墊穩(wěn)、墊牢，防止孔口沖洗液浸泡鉆機前面兩個底座墊角。

(2)鉆機底座兩排螺絲眼的中心線必須與勘探線垂直，回轉器的螺絲均要擰緊，擰緊力矩相等，防止回轉器扭轉。

(3)使用垂直度好、無彎曲、無磨損量的主動鉆桿，發(fā)現(xiàn)主動鉆桿彎曲必須及時調(diào)整，如調(diào)整不見效應立即更換新的主動鉆桿。

(4)孔淺加壓鉆進時，應該上、下卡盤同時使用，減輕孔內(nèi)鉆具的彎曲度，防止頂角偏差增大。

(5)鉆進第四系覆蓋層時，鉆進壓力盡量用壓力范圍內(nèi)下限值，粗徑鉆具長度在4.0 m以上，確保鉆進時鉆具、鉆桿柱垂直度，尤其在鉆進粒徑較大的卵石層時，不宜采用大壓力，實在不能通過時，可更換金剛石鉆頭將卵石克取取出;鉆進砂礫石層，將硬質(zhì)合金鉆頭內(nèi)徑鑲焊鋼絲倒刺，將砂礫石取出。

(6)鉆進覆蓋層必須維護、保持好泥漿性能，當鉆進砂(卵)石層時，應適當加大鈉羧甲基纖維素(CMC)的添加量，以形成致密泥皮，起到護壁清除孔底巖粉的目的。

(7)依據(jù)地質(zhì)技術設計要求，加密彎曲度測量間距，即當頂角＜5°時，每鉆進100 m測一次頂角(不測方位角);頂角 ＞5°時(累計孔深偏差不超差)，每鉆進50 m測一次頂角和方位角，發(fā)現(xiàn)方位角超差過大的，就要檢查鉆機底座，調(diào)整鉆進技術參數(shù)，增加鉆桿柱穩(wěn)定性來調(diào)整鉆孔頂角和方位角，以便滿足地質(zhì)技術設計要求。

8 結語

通過司家營(南)區(qū)大賈莊鐵礦段深孔鉆探的施工實踐，我們總結了以下深孔復雜地層的施工技術經(jīng)驗和措施:

(1)針對礦區(qū)地層的復雜程度及鉆孔較深的特點，前期必須制定比較嚴密可行的施工技術方案，選定好鉆孔施工結構，同時要求施工人員整體素質(zhì)必須過硬，施工所需的材料設備必須優(yōu)質(zhì)、高效。

(2)針對較厚的第四系覆蓋層和要求取心的強風化地層，特別是鉆進砂(卵)石層較厚時，必須提前選好泥漿材料，綜合研究比較泥漿的配和比，選擇高性能的泥漿，保證裸孔鉆進孔段的孔壁穩(wěn)定，同時快速鉆進通過砂(卵)石地層，及時下入不同口徑的技術套管，減少鉆具與孔壁的摩擦時間，這些措施都能避免或降低厚覆蓋層鉆進事故的發(fā)生。

(3)針對深孔鉆進施工，合理選擇使用高效的金剛石鉆頭和擴孔器，是提高鉆探施工效率的重要環(huán)節(jié)。此次深孔施工選用胎體硬度為HRC10～20的進口金剛石鉆頭和金剛石加聚晶的C級擴孔器，并適當調(diào)整擴孔器的擺放數(shù)量和結構，避免或減少了掃孔和提下鉆次數(shù)，提高了鉆探效率，降低了施工成本。

(4)針對不同地層特點，采取不同的探礦施工工藝和合理的鉆進技術參數(shù)，對保證巖心采取率和控制鉆孔彎曲度是關鍵所在，尤其對于軟硬互層、漏失地層等，必須適當減壓鉆進，并適當降低轉速、加大泵量;對于堅硬“打滑”地層，應適當加大鉆壓，降低轉速，減小泵量。因此，選擇合理的鉆進參數(shù)是保證地質(zhì)鉆探施工質(zhì)量的前提。

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Deep Hole Drilling Technology in Complex Formation of Daguzhuang Mining Section in South of Sijiaying Iron Mine

ZHENG Si-guang，ZHAO Zhi-jie，WANG Ke-jia，LIU Mo，WANG Meng(No.2 Geological Party，Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration，Tangshan Hebei 063000，China)

The paper summarized the deep drilling construction experience in complex formation of Daguzhuang mining section in south Sijiaying iron mine，emphatically analyzed the drilling methods for thick overburden，breaking ＆ leakage，hard and slipping formations and also introduced the technical measures for guaranteeing core recovery in complex formation and the control of oversize deviation of hole deflection from the prospecting line.Based on the deep drilling construction in Daguzhuang mining section，the drilling technical measures for borehole of 1 kilometer and more in complex formation and the attentions＆ measures for guaranteeing drilling construction quality were put forward.

complex formation;deep drilling;slurry-supported;drilling parameters;efficiency;quality measures

P634.5

A

1672－7428(2011)07－0036－04

2011－03－09

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、工程師，土木工程、水文水資源專業(yè)，從事探礦工程施工管理工作，河北省唐山市路北區(qū)北新西道157號，siguang103@163.com。