張寶河，王政敏，邊 鵬，楊永順

(1.武警黃金指揮部，北京 100055;2.武警警種學(xué)院，北京 102202;3.武警黃金第二支隊(duì)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

1 概述

為適應(yīng)“攻深找盲”需要，從2008年開始，武警黃金部隊(duì)各個(gè)礦區(qū)組織力量開展繩索取心深孔施工技術(shù)課題研究，積極應(yīng)用國(guó)內(nèi)最新科技成果，解決深孔施工過程中遇到的一些施工難題。到2013年12月，已在河南獅子廟礦區(qū)，山東大漠曲家礦區(qū)，內(nèi)蒙古哈達(dá)門溝礦區(qū)等5個(gè)礦區(qū)施工超過1000 m的鉆孔22個(gè)，超過1500 m鉆孔12個(gè)，特別是在2013年哈達(dá)門溝柳壩溝礦區(qū)施工的ZK11524，創(chuàng)造了武警黃金部隊(duì)孔深和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)最高紀(jì)錄。該孔設(shè)計(jì)孔深1850.00 m，傾角88°，方位角10°。于2013年5月13日開孔，9月10日終孔，歷時(shí)121天，終孔深度2003.90 m，日平均進(jìn)尺16.57 m，小時(shí)進(jìn)尺1.57 m，臺(tái)月效率528.88 m，純鉆率43.34%，成本核算為397元/m。該孔刷新了武警黃金部隊(duì)最深孔記錄，為今后更大孔深的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 施工中遇到的難題

該礦區(qū)內(nèi)出露的地層是中太古界烏拉山巖群第一巖組及第二巖組的一部分，按巖性劃分為第一巖組二個(gè)巖性段，分別為黑云角閃斜長(zhǎng)變粒巖、含榴石黑云斜長(zhǎng)片麻巖;第二巖組第一巖性段，巖性是黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，是一套原巖為火山碎屑巖建造的中高級(jí)變質(zhì)巖，主要是以片麻巖為主的變質(zhì)巖層，褶皺、斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，中等研磨性，可鉆性7～9級(jí)，個(gè)別地層達(dá)到10級(jí)。礦區(qū)及外圍地層較為復(fù)雜，鉆探施工中因松散、松軟、破碎地層而引發(fā)的孔內(nèi)坍塌、掉塊、漏失等難題，在礦區(qū)每個(gè)鉆孔中均有不同程度的存在。

(1)上層主要為第四系覆蓋層，厚度為5～60 m。軟而破碎，鉆進(jìn)過程中極易出現(xiàn)漏水和鉆孔垮塌事故。

(2)黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖:暗灰色、灰綠色，鱗片花崗變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖石可鉆性等級(jí)為7～9級(jí)。

(3)斜長(zhǎng)角閃巖類，巖石可鉆性等級(jí)為7～9級(jí)，完整時(shí)易于鉆進(jìn);當(dāng)出現(xiàn)破碎時(shí)，有較強(qiáng)的研磨性，也容易出現(xiàn)掉塊卡鉆事故。

(4)石英巖類，巖石可鉆性等級(jí)可達(dá)到10級(jí)，硬度較大，研磨性強(qiáng)，施工中進(jìn)尺慢，效率低。

(5)綠泥石化蝕變破碎帶，地層破碎，孔內(nèi)坍塌掉塊嚴(yán)重，常發(fā)生夾鉆和埋鉆事故，鉆頭下不到孔底，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下，甚至廢尺廢孔事故，給鉆進(jìn)工作帶來較大的困難。容易發(fā)生坍塌、卡鉆等事故。

3 施工人員、物資及材料的配備

3.1 人員部署

機(jī)臺(tái)采取4班3倒制，生產(chǎn)人員分成4個(gè)固定班組，每班5人，工作8 h，各班依此銜接。機(jī)臺(tái)人員編制為:機(jī)長(zhǎng)1人，副機(jī)長(zhǎng)1人，班長(zhǎng)4人，副班長(zhǎng)4人，戰(zhàn)士12人，合計(jì)22人。

3.2 鉆探裝備(表1)

表1 設(shè)備、鉆具配備一覽表

車輛裝備:皮卡車1臺(tái)，運(yùn)兵車1臺(tái)。

施工用水:利用鉆孔周邊水源，用一級(jí)泵站向機(jī)臺(tái)供水。

施工用電:使用黃金公司架設(shè)的高壓電。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)提供的簡(jiǎn)易鉆孔柱狀圖，該孔位于河床邊上，同時(shí)在200和700 m左右有2處斷層，結(jié)合以往鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，開孔采用150 mm硬質(zhì)合金鉆頭，鉆進(jìn)7.3 m用146 mm鉆桿做套管下入孔口管;采用122 mm金剛石鉆進(jìn)，待穿過第一層斷層后，用114 mm鉆桿做套管下180 m;然后再改用98 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)至第二斷層，用91 mm鉆桿做套管下696 m鉆進(jìn)完整基巖，最后采用77 mm金剛石繩索取心鉆頭鉆進(jìn)至終孔(見圖1)。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

5 鉆進(jìn)技術(shù)

5.1 第四系覆蓋層及河床地層鉆探施工

采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)第四系覆蓋層及河床地層，鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)如下。

(1)鉆頭壓力:鉆進(jìn)第四系覆蓋層時(shí)，嚴(yán)格控制鉆頭壓力，單粒硬質(zhì)合金壓力控制在0.5～1 kN以內(nèi);卵石層鉆進(jìn)時(shí)單粒硬質(zhì)合金壓力控制在0.55 kN以內(nèi)。

(2)轉(zhuǎn)速:粘土層轉(zhuǎn)速取200～350 r/min，砂(卵)石層取70～200 r/min。

(3)泵量:均 ＞80 L/min。

通過使用上述泥漿材料及配比，較好地維持孔壁的穩(wěn)定性，并較快地通過了覆蓋層(特別是卵礫石層)，順利地下入了146 mm孔口套管7.3 m。

金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù):鉆壓12～17kN，轉(zhuǎn)速223～604 r/min，泵量60～100 L/min。

金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù):鉆壓8～15 kN，轉(zhuǎn)速350～700 r/min，泵量80～100 L/min。采用以上泥漿配比，應(yīng)用98 mm鉆進(jìn)至完整基巖1～1.5 m后，提鉆，用91 mm鉆桿做套管下入696 m，改用77 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)。

5.4.1 沖洗液的選擇

該孔基巖地層大部分較為單一且完整，采用無固相沖洗液可滿足鉆進(jìn)施工要求;但個(gè)別孔段遇斷層破碎帶和堅(jiān)硬脈巖，且節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖心破碎，漏失嚴(yán)重，甚至有部分孔段不能返水，采用無固相沖洗液已不能夠完全滿足鉆探施工要求。因此，在鉆進(jìn)該地層時(shí)，采用優(yōu)質(zhì)低固相沖洗液。具體采用以下哪種沖洗液根據(jù)地層變化情況確定。

無固相沖洗液的配方主要有以下3種。

(1)0.3%PHP+0.2%CMC+0.15%NaOH+皂化油(隨孔內(nèi)阻力情況進(jìn)行調(diào)整);沖洗液性能:密度1.01 ～1.03 g/cm3，粘度20～23 s，pH 值8 ～9。

(2)3%植物膠+0.2%PHP+0.15%CMC+0.15%NaOH+皂化油(隨孔內(nèi)阻力情況進(jìn)行調(diào)整);沖洗液性能:密度1.01～1.03 g/cm3，粘度22～27 s，pH 值8 ～9，低失水量11～13 mL/30 min。

(3)優(yōu)質(zhì)低固相沖洗液配方主要有:4%膨潤(rùn)土(鈉土)+1.5%植物膠+0.2%PHP+0.15%CMC+0.1%NaOH+皂化油(隨孔內(nèi)阻力情況進(jìn)行調(diào)整);沖洗液性能:密度1.03～1.08 g/cm3，粘度27～33 s，失水量8 ～11 mL/30 min，pH 值8～10。該配方主要用于穿越綠泥石化破碎帶以及穿過后的鞏固鉆進(jìn)。

5.4.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇

5.4.2.1 鉆壓

柳壩溝礦區(qū)地層復(fù)雜，破碎帶極多，巖石硬度很不均勻，可鉆性范圍大，對(duì)鉆壓的最優(yōu)值選擇不宜控制，因此鉆進(jìn)過程中根據(jù)所遇地層情況和鉆速情況，對(duì)鉆壓進(jìn)行有效地調(diào)整，鉆壓調(diào)整范圍控制在5～15 kN，由于采用的77 mm鐓粗繩索取心鉆桿和繩索取心鉆具，其金剛石鉆頭的底唇面較厚，故應(yīng)選擇較大的鉆頭壓力值。

5.4.2.2 轉(zhuǎn)速

從理論上說，在合適的鉆壓下，轉(zhuǎn)速越高，鉆速越快，但在水平鉆孔及大斜度鉆孔中，由于鉆具與孔壁的摩擦阻力大，并且高轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，如果一貫追求高轉(zhuǎn)速，就會(huì)造成機(jī)械磨損加大，孔內(nèi)事故率增加，對(duì)快速鉆進(jìn)不利。斜度鉆孔的轉(zhuǎn)速要略低一些，結(jié)合鉆機(jī)能力、鉆具強(qiáng)度及鉆孔彎曲度、鉆孔的深度等綜合因素考慮，轉(zhuǎn)速可控制在200～750 r/min之間。在開孔時(shí)采用低轉(zhuǎn)速、低泵量，以防止盲目加壓導(dǎo)致孔斜，在鉆進(jìn)200～700 m時(shí)采用“兩大一快”(鉆壓大、泵量大、轉(zhuǎn)速快)進(jìn)行鉆進(jìn)，超過700 m時(shí)采用減壓鉆進(jìn)，隨著孔深的增加，每班都要進(jìn)行準(zhǔn)確的稱重，并根據(jù)泵壓、電流等儀表的反應(yīng)來適當(dāng)調(diào)節(jié)壓力，一般為77～97 kN。

5.4.2.3 沖洗液量

表2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)最優(yōu)配合參照

通過不同地層沖洗液的選擇和鉆進(jìn)參數(shù)的應(yīng)用比較，尤其在破碎地層和漏失嚴(yán)重地層，通過選用優(yōu)質(zhì)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(zhǎng)度、調(diào)整鉆頭直徑及回灌等措施，在該礦區(qū)深孔復(fù)雜多變的地層條件下，順利地完成了鉆探施工，提高了鉆進(jìn)效率。

另外，在礦層上部的堅(jiān)硬“打滑”地層鉆進(jìn)過程中，通過加大鉆壓、向孔內(nèi)投放磨料等措施，較為順利地鉆過該堅(jiān)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 施工中遇到的問題及處理方法

6.1 鉆進(jìn)砂卵石地層的難點(diǎn)及處理方法

在0～50 m河床砂卵石地層，出現(xiàn)嚴(yán)重的掉塊、孔內(nèi)漏失不返水、取心難等問題。處理方法如下。

(1)干鉆，即使用干燒的方法將坍塌物撈至孔外，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。干燒鉆具需專門加工，鉆具上部需加工一個(gè)帶有單向球閥的接手，以便上鉆時(shí)保護(hù)坍塌物不被沖走，在球閥的上部開側(cè)孔，這樣上鉆時(shí)沖洗液從側(cè)孔流回孔內(nèi)以平衡地層壓力。干燒鉆頭使用報(bào)廢的繩索鉆桿母接手加工，在一側(cè)加工鋸齒狀水口，干鉆時(shí)，每鉆進(jìn)20～30 cm稍作提動(dòng)，繼續(xù)干鉆，當(dāng)發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力明顯增大時(shí)，快速向下擰壓鉆具，以使發(fā)熱的接手鋸齒向內(nèi)收縮，將坍塌物包入鉆具。干燒鉆具示意圖見圖2。

圖2 干燒鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

(2)利用優(yōu)質(zhì)泥漿來進(jìn)行護(hù)壁、堵漏。其配方:65%膨潤(rùn)土+20%803堵漏劑+10%PHP+5%羊糞，做成泥球投入孔內(nèi)后，用鉆桿擰壓搗實(shí)，幾次反復(fù)性堵漏，孔內(nèi)返水正常，較好地解決了上述出現(xiàn)的問題。

6.2 鉆孔卡鉆的處理方法

在203～225 m鉆孔出現(xiàn)鉆桿卡鉆問題，處理的方法:采用低速，慢慢竄動(dòng)，用大扭矩進(jìn)行慢轉(zhuǎn)，用優(yōu)質(zhì)泥漿反復(fù)沖洗2～3 h，慢慢讓鉆桿提升至114 mm套管內(nèi)，正常上鉆，在下鉆時(shí)更換新擴(kuò)孔器后下鉆慢掃，成功解決了卡鉆事故。

6.3 鉆孔縮徑問題的處理方法

該孔在257～270和344～358 m兩處為綠泥石化破碎帶，在鉆進(jìn)穿過這段破碎帶時(shí)，發(fā)生縮徑現(xiàn)象，經(jīng)過多次的掃孔處理，很難穿過這段破碎帶，后采用SH－1植物膠加膨潤(rùn)土沖洗液，其配方:4%膨潤(rùn)土+1.5%植物膠 +0.15%燒堿，沖洗液密度1.03～1.08 g/cm3，粘度 27～33 s，失水量 8～11 mL/30 min，pH值8～10，該配方順利穿越綠泥石化破碎帶。

6.4 堅(jiān)硬“打滑”地層的處理方法

在1695 m處遇見堅(jiān)硬致密“打滑”地層，無法進(jìn)行正常鉆進(jìn)。處理方法:一是選用弱包鑲熱壓防打滑鉆頭，可提高時(shí)效。其基本原理是:金剛石鉆頭胎體磨損比普通鉆頭快，不容易使鉆頭胎體拋光打滑，使工作層中的金剛石顆粒處于克取狀態(tài)，該鉆頭在10級(jí)以上的硅質(zhì)膠結(jié)石英砂巖鉆進(jìn)時(shí)效由0.45 m提高到1.05 m。二是用1 cm大小的石英塊對(duì)高硬度胎體鉆頭進(jìn)行磨鉆頭，首先保證水路暢通，用100 r/min以下低轉(zhuǎn)速、低壓力、輕磨，堅(jiān)持輕而多的原則，處理成功。

胡璉點(diǎn)燃香火，祭拜完皇天厚土和列祖列宗。然后轉(zhuǎn)身面向全師將士，舉起右拳莊嚴(yán)宣誓：“陸軍第十一師師長(zhǎng)胡璉謹(jǐn)以至誠(chéng)昭告山川神靈，我今率堂堂之師保衛(wèi)我祖宗艱苦經(jīng)營(yíng)、遺留吾人之土地，名正言順，鬼伏神欽，決心至堅(jiān)，誓死不渝！漢賊不兩立，古有明訓(xùn)；華夷須嚴(yán)辨，春秋存義。生為軍人，死為軍魂！后人視今，亦尤今人之視昔。吾何惴焉！今賊來犯，決予痛殲力盡，以身殉之。然吾堅(jiān)信，蒼蒼者天，必佑忠誠(chéng)。吾人于血戰(zhàn)之際，勝利即在握，此誓！”

6.5 提高鉆進(jìn)效率的措施

在深部施工時(shí)，選用高胎體孕鑲金剛石鉆頭，提高鉆頭使用壽命，減少提大鉆次數(shù)。我們選用無錫南方金剛石工具廠用大粒度金剛石生產(chǎn)的高胎體金剛石鉆頭，工作層高度由4.5 mm提高到16 mm，使鉆頭平均壽命從68 m提高到165 m。

6.6 深孔提高巖礦心采取率的措施

在1860～1920 m為鉀硅化蝕變帶，為提高巖礦心采取率，限制回次進(jìn)尺長(zhǎng)度來提高巖礦心采取率，堅(jiān)持少鉆勤提的原則。通常把回次進(jìn)尺限制在0.5～1 m之內(nèi)，而采集最關(guān)鍵的巖礦樣品時(shí)，回次進(jìn)尺要更短一些。

6.7 提高泥漿使用效果

加大泥漿攪拌箱。針對(duì)深孔鉆進(jìn)沖洗液需求量大，且攪拌桶攪拌沖洗液速度慢的情況，設(shè)計(jì)了3 m3的大沖洗液配置箱，購(gòu)置了7.5 kW的切割式污水泵放入沖洗液配置箱中攪拌沖洗液，污水泵在箱內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)不僅沖洗液攪拌效果好而且速度快。替換舊漿時(shí)，避免了沖洗液不夠用導(dǎo)致停待，節(jié)省了輔助時(shí)間，提高了效率;用這種大立方攪拌箱可以充分使化工材料有效浸泡和溶解，減少浪費(fèi)，節(jié)約成本。

加長(zhǎng)排水沉淀槽。改進(jìn)泥漿循環(huán)系統(tǒng)，加長(zhǎng)排水槽，促進(jìn)巖粉沉淀，并在排水槽末端設(shè)置沉淀坑，底部加裝排粉管，便于巖粉的清除，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。在沉淀箱中加裝隔水擋板，出水口高于進(jìn)水口，從而使得巖粉較好沉淀，減少巖粉二次進(jìn)入孔內(nèi)。

6.8 判斷內(nèi)管打撈成功的方法

孔深超過1000 m之后，絞車鋼絲繩由于自重過大，無法用手感應(yīng)打撈器是否打撈住內(nèi)管，我們將導(dǎo)正輪臂加長(zhǎng)，提拉內(nèi)管時(shí)觀察絞車導(dǎo)正輪下的底座槽鋼(臂長(zhǎng)后，絞車著力點(diǎn)向前靠，提拉內(nèi)管后，重量加重會(huì)造成絞車導(dǎo)正輪下底座槽鋼瞬間略微提離塔板，依次來判斷內(nèi)管是否拉上)變化情況，來判斷是否拉上內(nèi)管。

6.9 其它操作注意事項(xiàng)

(1)不打懶鉆、不打堵心，機(jī)臺(tái)上嚴(yán)禁用提升、竄動(dòng)鉆具的辦法來解決憋泵，一遇堵水憋泵，立即提升采取巖心。

(2)打撈巖心、提鉆時(shí)，均進(jìn)行了孔口回灌。

(3)每次停鉆倒桿前，均將鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)鋼絲繩拉緊，倒桿時(shí)，在孔深600～1000 m，上提鉆具10 cm左右，孔深1000 m之后，上提鉆具15～20 cm，方能輕合離合器。

(4)下套管時(shí)均在套管外壁涂抹鉛粉和廢機(jī)油調(diào)制的潤(rùn)滑脂，下至離孔底10～20 cm時(shí)，合上鉆機(jī)，用泥漿泵將高粘植物膠沖洗液壓入套管外壁間隙。313ZK11524終孔后，98 mm套管696 m、122 mm套管180 m、150 mm套管7.3 m全部順利起拔。

(5)每次采心時(shí)均采取立軸提升300 mm，再下放孔底以一速(71 r/min)輕轉(zhuǎn)3～5 min進(jìn)尺10 cm左右重新磨殘留巖心方式，使鉆頭內(nèi)臺(tái)階巖心繼續(xù)向內(nèi)管中進(jìn)入，確保不形成蘑菇頭，然后提升立軸，高轉(zhuǎn)速甩動(dòng)鉆具(為了確?？ɑ勺c鉆頭內(nèi)臺(tái)階之間沒有殘留巖心，產(chǎn)生間隙易打撈內(nèi)管)，下打撈器進(jìn)行采心。

(6)深孔鉆進(jìn)中每次采心時(shí)，均嚴(yán)格檢查內(nèi)管總成，特別是檢查堵水膠圈是否擠壓變形，防止因提拉不動(dòng)而上大鉆。

(7)深孔鉆進(jìn)中使用了加長(zhǎng)加重的打撈器，增加撈矛的沖擊力，提高了打撈成功率。施工中嚴(yán)格檢查絞車鋼絲繩，孔深鋼絲繩自重比較大，用低擋提拉，防止鋼絲繩斷裂。

(8)深孔減壓鉆進(jìn)中，操作閥和控制閥同時(shí)使用以控制鉆進(jìn)速度，防止憋鉆。

(9)針對(duì)礦區(qū)地層的復(fù)雜程度及鉆孔較深的特點(diǎn)，施工前制定了比較嚴(yán)密可行的單孔施工技術(shù)方案，選定了相應(yīng)鉆孔施工結(jié)構(gòu)。

(10)適當(dāng)加大了深孔鉆探開孔孔徑，盡管孔徑加大會(huì)降低上部鉆探效率，但可為深部鉆探處理復(fù)雜地層和事故預(yù)留擴(kuò)孔下套管的空間，可保證深部鉆探順利進(jìn)行。

(11)針對(duì)深孔鉆進(jìn)施工，結(jié)合指揮部開展的深孔鉆進(jìn)研究項(xiàng)目，合理選擇使用高效的金剛石鉆頭和擴(kuò)孔器，提高了鉆探施工效率。

(12)發(fā)揮了泥漿實(shí)驗(yàn)室的作用，強(qiáng)化沖洗液的優(yōu)化配制，嚴(yán)格控制沖洗液的性能指標(biāo)，確保泥漿有良好的護(hù)壁、防塌、堵漏、排粉效果。

(13)鉆進(jìn)中，做到了認(rèn)真觀察泵壓、孔內(nèi)回轉(zhuǎn)載荷的變化，準(zhǔn)確判斷孔內(nèi)情況，出現(xiàn)漏失、憋車、泵壓急劇升高等異常時(shí)，采取措施迅速、適當(dāng)。

7 結(jié)語

哈達(dá)門溝柳壩溝礦區(qū)313ZK11524孔的施工，無論從施工組織，施工管理，沖洗液配制及性能，鉆具、鉆頭的選擇與使用，嚴(yán)格操作規(guī)程等方面無疑是成功的、有效的，是值得借鑒的。

(1)武警黃金部隊(duì)經(jīng)過近幾年的深孔鉆進(jìn)實(shí)踐，深孔鉆進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)已趨于成熟，可以施工2000 m左右的地質(zhì)超深孔。

(2)深孔施工設(shè)計(jì)要精、細(xì)、全，是保證施工順利進(jìn)行的前提。對(duì)可能碰到的問題既要預(yù)測(cè)全面，又要設(shè)計(jì)好解決問題的方案，準(zhǔn)備好處理難題的器材。

(3)加強(qiáng)組織管理，是保證深孔施工順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一。

(4)要隨時(shí)完善修正施工設(shè)計(jì)，是深孔施工能否順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。

[1] 鄭思光，趙志杰，王克佳，等.司家營(yíng)(南)區(qū)大賈莊鐵礦復(fù)雜地層深孔鉆探技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(7):36 －39，46.

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