謝宏軍，索曉晶

(武警黃金第一支隊(duì)，黑龍江 牡丹江 157021)

1 概述

金廠礦區(qū)位于黑龍江省東南部，老爺嶺山脈東側(cè)，山勢陡峭，海拔高度300～1000 m，一般為400 m左右，最高峰為工作區(qū)東南部的通溝嶺，海拔高度為1102.10 m，切割深度100～400 m，屬中低山區(qū)，水系發(fā)育，主要有小綏芬河及其支流。區(qū)內(nèi)地層出露面積約占全區(qū)面積的56%，巖漿活動強(qiáng)烈，侵入巖出露廣泛，約占區(qū)域面積的44%，以中深成花崗巖類為主，巖石類型為石英閃長巖、花崗閃長巖、花崗巖、堿長花崗巖，其次為輝石閃長巖、閃長巖等，主要呈巖基、巖株?duì)町a(chǎn)出。鉆進(jìn)過程中主要面臨機(jī)械鉆速低、搬家次數(shù)頻繁、鉆孔糾斜、鉆井成本高等問題，嚴(yán)重影響了施工效率。

1.1 工程目的

該區(qū)主要以角礫巖型礦床為主，角礫巖體為重要的找礦標(biāo)志，主要分布在閃長巖南北接觸帶附近。其中邢家溝區(qū)域內(nèi)金礦體呈傾向南西的筒狀產(chǎn)出，向西南方向側(cè)伏。為掌握該區(qū)域礦體形態(tài)、產(chǎn)狀、質(zhì)量特征，了解礦床開采技術(shù)條件，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)對區(qū)域礦(化)體多個方位的深部進(jìn)行控制，再通過綜合研究，總結(jié)礦區(qū)成礦規(guī)律，建立成礦模式，進(jìn)一步指導(dǎo)地質(zhì)找礦工作[1]。

1.2 定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)是主動控制鉆孔軌跡，使其按預(yù)定曲線鉆進(jìn)命中目標(biāo)靶區(qū)，從而取得特定地層的巖心，為地質(zhì)人員研究礦體提供依據(jù)。該技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)“一基多孔”的鉆進(jìn)模式，如傘狀、蘑菇狀等，可節(jié)約鉆探工作量、勘探成本，縮短施工周期，尤其在深孔施工過程中具有重大意義;可有效地規(guī)避鉆進(jìn)難題，實(shí)現(xiàn)避障繞障技術(shù)及其他特殊目的。定向鉆進(jìn)屬于高技術(shù)特種鉆探范疇，是應(yīng)用其他學(xué)科高新技術(shù)最為集中的專業(yè)技術(shù)。

1.3 鉆孔基本情況

鉆孔采用一基多孔，設(shè)計(jì)1個主孔，2個分支孔。主孔開孔頂角3°，方位40°，設(shè)計(jì)孔深550 m。分支孔一方位130°，靶點(diǎn)位置橫向位移25 m，垂深430 m;分支孔二方位310°，設(shè)計(jì)孔深320 m，靶點(diǎn)位置橫向位移18 m，垂深404 m。

2 影響定向鉆進(jìn)的主要因素分析

2.1 設(shè)備因素

(1)采用小口徑立軸式XY－44型鉆機(jī)，不能隨鉆測斜，上部回轉(zhuǎn)部分易產(chǎn)生較大扭矩，方位易偏移;

(2)繩索取心鉆進(jìn)過程中，鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙小，大泵量沖洗液循環(huán)時不能及時釋放壓力，造成憋泵停鉆，甚至泥漿泵損毀，且側(cè)鉆效果不明顯;

(3)小口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝循環(huán)系統(tǒng)不能有效滿足定向鉆進(jìn)的要求;

(4)鉆桿的抗彎性韌性差，大彎度側(cè)鉆易折斷。

2.2 地層因素

(1)區(qū)域巖層可鉆性級別普遍偏高，定向側(cè)鉆困難;

(2)上部巖層較為破碎，不利于側(cè)孔位置選擇;

(3)礦體部分接觸帶為蝕變巖，泥化部分易水化，造成沖洗液固相含量高，不利于螺桿鉆進(jìn)。

(4)預(yù)計(jì)礦體厚度較薄，且不連續(xù)分布;寬度小，對軌跡的設(shè)計(jì)帶來一定的困難。

3 鉆探技術(shù)及施工工藝

3.1 主孔鉆孔結(jié)構(gòu)(見圖1)

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

(3)61.00～457.99 m，采用S75繩索取心工藝施工，76.5 mm鉆頭成孔。

3.2 定向分支方式的選擇

同徑分支可一次性鉆出滿足后續(xù)取心鉆進(jìn)的孔眼，在孔內(nèi)條件許可的情況下應(yīng)優(yōu)先選用。異徑分支的鉆頭較老孔小一級，造斜鉆具軸線與老孔軸線的夾角在初始鉆進(jìn)時較大，鉆頭側(cè)向力也因此較大，易于分出新孔。但異徑分支結(jié)束后恢復(fù)孔徑需帶導(dǎo)向擴(kuò)孔，不僅復(fù)雜了工作程序，也存在損壞側(cè)鉆段水泥楔的風(fēng)險(xiǎn)。且考慮該孔定向鉆進(jìn)的目的，須采用原繩索取心工藝采取巖心采樣化驗(yàn)。所以本項(xiàng)目選擇螺桿鉆同徑分支的方式。

3.3 軌跡設(shè)計(jì)(見圖2)

圖2 軌跡示意圖

鉆孔軌跡設(shè)計(jì)原則:(1)根據(jù)礦體厚度、寬度要求及靶點(diǎn)位置設(shè)計(jì)理想曲線;(2)由于區(qū)域巖層可鉆性級別高，設(shè)計(jì)連續(xù)造斜彎度不能過大。

根據(jù)平均孔斜角法，認(rèn)為兩點(diǎn)間的側(cè)段為一條直線，將測段上、下兩測點(diǎn)的頂角平均值假設(shè)為整個測段的頂角值，將測段上、下兩測點(diǎn)方位角平均值假設(shè)為整個測段的方位角值。兩測點(diǎn)間的測段計(jì)算公式如下:

式中:ΔX1，2、ΔY1，2、ΔZ1，2——分別為南北方向增量、西東方向增量和垂深增量;θ1、θ2——上、下測點(diǎn)頂角;α1、α2——上、下測點(diǎn)方位角;ΔL1，2——上下測點(diǎn)間沿鉆孔軸線的距離。

3.4 沖洗液的選擇

由于繩索取心鉆具與孔壁之間的環(huán)隙較小，且內(nèi)管需通過鉆桿柱中心下投。因此，在地層條件許可的情況下，應(yīng)盡量采用清水加潤滑劑做為沖洗液，如:皂化油沖洗液。這不僅有利于內(nèi)巖心管在鉆桿內(nèi)的升降，也可使鉆桿的旋轉(zhuǎn)阻力減小，有利于高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。

但是在施工遇到的綠泥石化蝕變帶，必須使用的膨潤土配置低固相沖洗液才能有效地穿過復(fù)雜地層。針對地層的實(shí)際情況，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室配置出了3種適應(yīng)不同地層的沖洗液。

(1)細(xì)分散沖洗液，也稱腐植酸鉀沖洗液。主要配置材料為:優(yōu)質(zhì)膨潤土、腐植酸鉀、碳酸鈉。性能指標(biāo):密度1.12 g/cm3，漏斗粘度22 s，失水量9 mL/30 min，pH 值 9[2]。該沖洗液能順利攜帶鉆井過程中產(chǎn)生的大顆粒巖屑，有效地保護(hù)孔壁的穩(wěn)定。但容易在孔壁內(nèi)部結(jié)泥皮，造成內(nèi)管投放速度慢、打撈時間長或者打撈失敗等問題，倘若不加潤滑劑，鉆速較低，回轉(zhuǎn)阻力大。經(jīng)過實(shí)踐來看，比較適合在鉆孔淺部300 m以淺使用。

(2)不分散低固相沖洗液(JC－1):由優(yōu)質(zhì)膨潤土、聚丙烯酰胺、腐植酸鉀和碳酸鈉按一定比例配制而成。性能指標(biāo):密度1.02 g/cm3，漏斗粘度18.6 s，失水量8.5 mL/30 min，pH值8.5。該配方是基于聚丙烯酰胺溶液的護(hù)壁、絮凝和腐植酸鉀溶液的降失水、抑制孔壁分散等作用配置的。該沖洗液具有粘度低、流動性能好，防塌護(hù)壁效果好等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于該區(qū)水敏性地層。在實(shí)際施工過程中有效地鉆過了20 m長的水敏性地層。

(3)無固相沖洗液(JC－2):配方以植物膠為主，配以聚丙烯酰胺、纖維素、燒堿等材料。性能指標(biāo):密度1.01 g/cm3，漏斗粘度28 s，pH 值8.3。植物膠為非離子型高分子化合物，具有增粘護(hù)壁、減阻等特點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)速越高，減震效果越明顯，震動越小越平穩(wěn)，在同等條件下，比其它沖洗液鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)速可提高1～2擋。如果再加入適當(dāng)?shù)呐驖櫷?，可以有效地穿過綠泥石化蝕變帶，保護(hù)孔壁的穩(wěn)定性。

通過交替使用上述配方的沖洗液，在該孔的施工過程中取得了良好的效果，期間未發(fā)生過一次孔內(nèi)事故。同時鉆頭的壽命比以往有了明顯的提高，間接地降低了輔助時間，提高機(jī)械鉆速。

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，鉆進(jìn)規(guī)程的3個主要參數(shù):鉆壓P、轉(zhuǎn)速n和泵量Q。它們并不是單獨(dú)起作用的，之間存在著交互影響。如果只是“單打一”地追求某個參數(shù)的最優(yōu)值，而不考慮其交互影響，則不僅達(dá)不到高鉆速低成本的效果，甚至可能導(dǎo)致相反的結(jié)果。對于繩索取心技術(shù)來說，選擇適宜的鉆進(jìn)參數(shù)特別重要。

3.5.1 鉆壓的選擇

鉆壓計(jì)算公式:

式中:P——鉆壓，kg;F——鉆頭環(huán)狀克取面積，cm2;ρ——單位壓力值，kg/cm2。

3.5.2 轉(zhuǎn)速的選擇

轉(zhuǎn)速計(jì)算公式:

式中:n—轉(zhuǎn)速，r/min;v—鉆頭圓周線速度，一般情況下為1.5～3.0 m/s;D——鉆頭直徑，mm。

3.5.3 泵量的選擇

泵量的計(jì)算公式:

式中:Q——沖洗液量，L/min;V——環(huán)狀間隙內(nèi)沖洗液上返流速，取1.2～1.5 m/s;F——鉆孔環(huán)狀斷面面積[3]，cm2。

在生產(chǎn)實(shí)踐中必須結(jié)合巖石性質(zhì)、鉆孔深度、鉆頭類型、沖洗液類型等因素，綜合考慮選擇最佳的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。對91 mm普通金剛石鉆進(jìn)，鉆壓9～10 kN，轉(zhuǎn)速350～700 r/min，泵量 90～110 L/min;對75 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆壓8～9 kN，轉(zhuǎn)速350～700 r/min，泵量60～90 L/min。

3.6 鉆頭的選擇

根據(jù)巖層的特性及地質(zhì)設(shè)計(jì)要求合理選擇鉆頭的類型，是提高金剛石鉆進(jìn)效果獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的重要因素。金剛石鉆頭的技術(shù)參數(shù)、巖石性質(zhì)及地層情況對鉆進(jìn)有重要影響，選取過程中一般把握以下原則。

軟的、中硬和完整均質(zhì)的硬巖層一般宜用表鑲鉆頭;硬的、堅(jiān)硬的和破碎的、軟硬不均的、裂隙性和高研磨性巖層宜選用孕鑲鉆頭。胎體硬度應(yīng)根據(jù)巖層的研磨性、破碎程度、硬度、顆粒度等因素選擇，其中主要因素為巖層研磨性和破碎程度。巖層研磨性強(qiáng)、破碎程度厲害、較軟、顆粒度粗的選用硬胎體。巖層復(fù)雜、研磨性越強(qiáng)、越硬，選用的金剛石品級應(yīng)越好，金剛石的粒度應(yīng)越細(xì)。巖層強(qiáng)研磨性、較破碎、顆粒粗，選用濃度較高的胎體。巖層偏軟、破碎、研磨性強(qiáng)，胎體偏硬，使用的是孕鑲鉆頭，則鉆頭水口部位通水截面應(yīng)大，宜采用多水口鉆頭。

在實(shí)際使用過程中，金剛石鉆頭、擴(kuò)孔器要提前排隊(duì)、輪換使用，再下入新鉆頭前必須進(jìn)行初磨。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)采用如下方案。

(1)0～6.00 m，第四系腐殖土、殘坡積及農(nóng)田堆積土層，用110 mm單管鉆具施工，下108 mm套管，保證鉆孔上部地層穩(wěn)定。

(2)0～61.0 m，淺肉紅色花崗巖及灰黑色斜長角閃巖，塊狀構(gòu)造，局部高嶺土化，巖石可鉆性達(dá)到7～8級，用91 mm單管鉆具施工，下89 mm套管，選用50目的人造金剛石孕鑲鉆頭，胎體硬度為HRC35～38。

(3)61.00～457.99 m，花崗斑巖，斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部蝕變，高嶺土化。其間多區(qū)段夾入灰黑色閃長巖，可鉆性級別7～9級;采用S75繩索取心鉆具施工，76.5 mm鉆頭成孔，選用60目的人造金剛石孕鑲鉆頭，胎體硬度為HRC18～20。

(4)造斜孔段為角礫巖帶，灰白～灰綠色，花崗質(zhì)角礫，角礫狀構(gòu)造，塊狀結(jié)構(gòu)，局部綠泥石化，可鉆性級別7～8級。采用全面鉆進(jìn)鉆頭，不取心。選用76.5 mm人造金剛石孕鑲鉆頭，胎體硬度為HRC25～35。

3.7 側(cè)孔位置的選擇

分支點(diǎn)位置的選擇受地層因素、目的層位置以及后續(xù)工作的開展等因素影響。通過對主孔巖心編錄，選擇地層相對完整、巖層相對較軟的孔段作為分支點(diǎn)的起始位置，這樣有利于一次造斜成功。

在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下盡可能少重復(fù)鉆孔工作量;主孔基本垂直，或地層造斜方向與糾斜方向基本一致，既可使新孔孔斜方向與老孔一致，避免造成拐點(diǎn)，也有利于快速分出新孔;巖石可鉆性級別相對較低;地層基本完整，不易坍塌破碎，不易發(fā)生井內(nèi)事故。

基于以上原則，結(jié)合主孔巖心資料分析，確定設(shè)計(jì)第一分支點(diǎn)在215～225 m，第二分支點(diǎn):230～240 m，巖石的可鉆性6～7級。

3.8 固井造底

主孔完成后需要封孔后鉆進(jìn)分支孔，由于地層巖性硬度高，固井質(zhì)量要求水泥強(qiáng)度與圍巖達(dá)到基本一致，這樣才能保證一次性分支成功，避免重復(fù)開孔。結(jié)合該孔具體情況，固井主要步驟如下:

(1)下鉆到270 m洗孔架橋;

(2)人工加水20桶(16 L/桶)，攪拌水泥500 kg，加速凝劑食鹽3 kg和早強(qiáng)劑三乙酰胺2瓶;

(3)觀測水位多次，等待孔內(nèi)水位穩(wěn)定到一定位置(該孔水位保持35 m左右);

(4)人工灌一定量水泥純漿(根據(jù)鉆孔孔徑進(jìn)行估算)，加一定量凈砂或小石子(如100 kg)繼續(xù)攪拌好水泥，將水泥全部灌完;

(5)灌16桶清水，然后鉆機(jī)一擋提鉆，提1立根灌1桶清水后，再提下一根，直到提完9個立根;

(6)靜置72 h后試鉆，當(dāng)取心非常完整后，掃孔到指定孔深，開始側(cè)鉆分支孔。

3.9 技術(shù)措施和注意事項(xiàng)

3.9.1 技術(shù)措施

(1)為立軸鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)部分做固定裝置，防止分支鉆進(jìn)過程中方位發(fā)生改變。

(3)由于巖層可鉆性級別高，側(cè)鉆形成新孔困難，在分支點(diǎn)上部較長區(qū)段10～15 m開始側(cè)孔鉆進(jìn)，開始側(cè)孔時使用較大彎度螺桿。

(5)由于使用全面不取心鉆頭鉆進(jìn)時，巖屑進(jìn)入鉆頭水眼，堵塞鉆頭，導(dǎo)致沖洗液循環(huán)不暢，影響鉆進(jìn)效率，后期改進(jìn)使用20～30 cm的定向雙管短取心器(見圖3)，鉆進(jìn)效率提高一倍，見表1。

圖3 定向雙管短取心器

表1 全面鉆進(jìn)造斜鉆頭與定向雙管取心器工作效率對比

3.9.2 注意事項(xiàng)

(1)因不能隨鉆測斜，每次下入螺桿時應(yīng)重新測定方位，并在孔口相應(yīng)位置做好標(biāo)記，根據(jù)上次方位適當(dāng)進(jìn)行修正。

(2)未出新孔前應(yīng)輕壓鉆進(jìn)，以防鉆具沿原孔刻取水泥柱;出新孔后逐漸加壓鉆進(jìn)。

(3)修孔時應(yīng)低轉(zhuǎn)速反復(fù)多次修磨，直到中高速可以運(yùn)轉(zhuǎn)，消除側(cè)鉆段與穩(wěn)斜段及造斜段之間的拐點(diǎn)，使孔段光滑、孔徑均勻，為繩索取心打好基礎(chǔ)。

(4)繩索取心鉆進(jìn)下入鉆具時應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，逐漸加快轉(zhuǎn)速、加大鉆壓直至鉆進(jìn)正常，切記少鉆勤提，降低鉆桿折斷的幾率。

(5)在鉆進(jìn)過程中遇堵、泵壓升高，應(yīng)立即上鉆取心，切勿上下串動鉆具后繼續(xù)鉆進(jìn)。

4 鉆探技術(shù)效果

該項(xiàng)目施工主孔1個，分支孔2個(見圖4)，均在各自方向上穿過目標(biāo)靶點(diǎn)，證實(shí)了該區(qū)域角礫巖筒形態(tài)不規(guī)則，產(chǎn)狀較復(fù)雜，金賦存于角礫巖筒次級構(gòu)造和圍巖中礦化蝕變較強(qiáng)部位。該項(xiàng)目從工藝、地質(zhì)效果、目的等方面都滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 鉆孔軌跡示意圖

5 結(jié)語

[1] 黃才啟，劉良根.深部礦產(chǎn)勘探與受控定向鉆進(jìn)技術(shù)方法思考[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1):122 －124.

[2] 王建偉，胡海鵬，索曉晶.金廠礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)與認(rèn)識[J].地球，2013，(7):153 －154.

[3] 李平.廣西栗木錫礦區(qū)深孔鉆進(jìn)工藝研究[J].礦產(chǎn)與地質(zhì)，2009，23(4):384 －387.

[4] 趙廣偉，段曉君，尹西君.金廠礦區(qū)鉆探復(fù)雜地層綜合治理探討[J].中國西部科技，2010，09(32):12 －12.

[5] 向軍文.定向鉆進(jìn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(9):28 －32，36.