王 旭，陳寶義，于 航，羅永江，劉華南，岳 韜，金明昊，潘大東

(1．吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026;2．北京市地質(zhì)工程公司天津分公司，天津300015;3．吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所，吉林長(zhǎng)春130103)

0 引言

國(guó)土資源部“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)(Sinoprobe)”是“地殼探測(cè)工程”的培育性項(xiàng)目。該專項(xiàng)由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院組織實(shí)施，國(guó)土資源部歸口管理。專項(xiàng)的核心任務(wù)之一，是在不同自然景觀、復(fù)雜礦集區(qū)、含油氣盆地深層、重大地質(zhì)災(zāi)害區(qū)等關(guān)鍵地帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、示范，形成若干深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地［1］。

吉林大學(xué)承擔(dān)的“深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備野外實(shí)驗(yàn)與示范(Sinoprobe－09－06)”項(xiàng)目的主要任務(wù)是在遼寧興城建立深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地，以滿足自主研發(fā)的深部探測(cè)儀器與裝備野外實(shí)驗(yàn)與測(cè)試的需要。為此，本項(xiàng)目圍繞吉林大學(xué)興城地質(zhì)教學(xué)基地以及周邊地區(qū)開展了大范圍野外地質(zhì)和地球物理勘探工作，確定了南起菊花島、經(jīng)由楊家杖子鉬礦、北至娘娘廟的地質(zhì)走廊帶作為深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地［2］。

在深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地選取楊家杖子礦集區(qū)實(shí)施深孔科學(xué)鉆探的目的有2個(gè)，一是通過(guò)科學(xué)鉆探，揭示研究區(qū)地層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造屬性，以驗(yàn)證野外綜合地質(zhì)研究和地球物理探測(cè)研究結(jié)果，進(jìn)而對(duì)各種探測(cè)儀器的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià);二是通過(guò)鉆取的巖心，進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)區(qū)的成礦規(guī)律，為深部找礦提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

遼西楊家杖子—八家子鉬多金屬成礦帶位于華北克拉通北緣燕山臺(tái)褶帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要分布有太古宇混合巖、混合花崗巖，元古宇長(zhǎng)城系、薊縣系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及中生界白堊系。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造為楊家杖子向斜、筆架山向斜，由元古宇和下古生界構(gòu)成。斷裂主要由北東東向要路溝—葫蘆島深斷裂、北東向女兒河大斷裂和青龍大斷裂以及次級(jí)的北東、北西向斷裂組成。區(qū)內(nèi)花崗巖類侵入巖出露廣泛，計(jì)有堿廠、舊門、楊家杖子花崗巖體等。其分布明顯受斷裂構(gòu)造控制，其巖石類型組合以楊家杖子巖體為例有二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)花崗巖，亦見(jiàn)閃長(zhǎng)巖和花崗閃長(zhǎng)巖及花崗斑巖，主要形成于燕山早期 ～ 早侏羅世［3］。

著名的遼西楊家杖子—八家子鉬多金屬成礦帶分布于青龍大斷裂和女兒河大斷裂之間。成礦帶以南為山海關(guān)隆起，以北為遼西凹陷。區(qū)內(nèi)鉬礦多產(chǎn)于富硅、富鉀、鋁過(guò)飽和的中酸性、堿性含鉬細(xì)粒花崗巖復(fù)式小侵入體之中或內(nèi)外接觸帶中，產(chǎn)有楊家杖子矽卡巖型鉬礦床、蘭家溝斑巖型鉬礦床、北松樹卯斑巖—矽卡巖型鉬礦床以及八家子鉛鋅礦床等多金屬礦床，是一條極其重要的鉬多金屬成礦帶［4］。

圖1 大地電磁測(cè)深部分測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置圖［5］

2 鉆孔設(shè)計(jì)

2．1 孔位確定

孔位確定前期，項(xiàng)目組在地質(zhì)走廊帶進(jìn)行了大地電磁測(cè)深實(shí)驗(yàn)研究。大地電磁測(cè)深勘探工作起點(diǎn)在遼寧興城海濱，剖面沿西北方向經(jīng)過(guò)楊家子鎮(zhèn)至西北建昌的娘娘廟，剖面設(shè)計(jì)總長(zhǎng)94 km，實(shí)際測(cè)線長(zhǎng)度91.528 km。共設(shè)物理測(cè)量點(diǎn)47個(gè)，檢查點(diǎn)3個(gè)，儀器一致性驗(yàn)證點(diǎn)1個(gè)。部分測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置見(jiàn)圖1。

圖2 TE、TM聯(lián)合反演結(jié)果圖［5］

根據(jù)大地電磁測(cè)量結(jié)果，在L1～30號(hào)測(cè)點(diǎn)下方存在低阻異常，且具有較好的成礦背景，是一個(gè)非常有潛力的靶體，圖2為模式測(cè)量反演結(jié)果圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)基地綜合地質(zhì)研究理論和地質(zhì)走廊帶大地電磁測(cè)量結(jié)果與解釋報(bào)告［5］，項(xiàng)目組決定在楊家杖子開發(fā)區(qū)上富兒溝村與下富兒溝村之間區(qū)域?qū)嵤┘执髮W(xué)遼寧興城深部探測(cè)基地科學(xué)鉆探第1號(hào)孔，即JK－1孔。

2．2 孔深設(shè)計(jì)

根據(jù)低阻異常體反演電阻率曲線，低阻異常體的底部位于海平面以下1500 m的位置，該測(cè)點(diǎn)的高程為146 m。考慮到測(cè)深的誤差因素，故將孔深設(shè)計(jì)為1800 m。圖3為反演電阻率曲線圖。

2．3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 反演電阻率曲線［5］

依據(jù)綜合地層柱狀圖，JK－1孔應(yīng)鉆遇的地層為三疊、二疊、石炭、奧陶系及寒武系地層。其中，三疊、二疊、石炭系地層多為砂巖、礫巖，并含有黑灰頁(yè)巖、鋁土質(zhì)頁(yè)巖，厚度達(dá)750 m左右;石炭系地層孔壁不穩(wěn)定，是護(hù)壁堵漏的重點(diǎn)孔段;1000 m以深多為灰?guī)r地層，地層較為穩(wěn)定，可作裸孔設(shè)計(jì)。

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3 鉆探技術(shù)

3．1 鉆探設(shè)備

選擇最大鉆進(jìn)深度為2100 m的XY－6A型鉆機(jī)。該鉆機(jī)性能可靠，具有一定的過(guò)載能力，如果在設(shè)計(jì)深度仍未達(dá)到地質(zhì)目的時(shí)，可進(jìn)一步增大鉆孔深度。選用BW－350/15型泥漿泵，該泵最大泵壓為15 MPa，流量為110～350 L/min，能夠滿足2000 m以淺的鉆孔對(duì)泥漿循環(huán)的要求。

3．2 鉆具組合

深孔鉆進(jìn)中，鉆具組合的設(shè)計(jì)應(yīng)使各級(jí)鉆桿和套管之間有足夠的環(huán)狀間隙，否則將導(dǎo)致泵壓過(guò)大，對(duì)深孔鉆進(jìn)不利［6］。JK－1孔各孔段鉆具組合情況見(jiàn)表1。

表1 JK－1孔鉆具組合 /mm

3．3 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

3．3．1 鉆壓

采用孕鑲金剛石繩索取心鉆頭鉆進(jìn)。在松散、破碎及易發(fā)生鉆孔彎曲的地層適當(dāng)減壓鉆進(jìn);隨著鉆進(jìn)過(guò)程中金剛石鉆頭的磨鈍而導(dǎo)致的鉆進(jìn)速度下降，可逐漸平穩(wěn)增壓鉆進(jìn)。使用96 mm鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，正常鉆壓為12～15 kN;使用76 mm口徑鉆進(jìn)時(shí)，正常鉆壓為10～12 kN。

3．3．2 轉(zhuǎn)速

在0～1000 m孔段轉(zhuǎn)速較高，可達(dá)700 r/min左右。隨著孔深的增加以及鉆具直徑的減小，轉(zhuǎn)數(shù)有所降低。尤其是孔壁摩擦阻力較大的情況下，根本開不出高轉(zhuǎn)數(shù)。在孔內(nèi)采取減阻潤(rùn)滑措施以后，轉(zhuǎn)速最高只達(dá)到240 r/min左右。

3．3．3 泵量

確定泥漿泵流量的理論依據(jù)是應(yīng)保持上返流速為0.5～1.5 m/s，以確保及時(shí)排除巖屑和冷卻潤(rùn)滑鉆頭。在96 mm口徑時(shí)，正常泵量為60～90 L/min，在76 mm口徑時(shí)，正常泵量應(yīng)40～70 L/min。

3．4 鉆孔質(zhì)量保證措施

3．4．1 提高巖心采取率

根據(jù)鉆孔孔位的地質(zhì)條件和巖礦層的物理力學(xué)性質(zhì)，正確合理地選擇取心工藝、鉆進(jìn)參數(shù)和沖洗液類型，保證JK－1孔巖(礦)心采取率達(dá)到95%以上，比《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)要求的80%的標(biāo)準(zhǔn)提高了15個(gè)百分點(diǎn)。

具體措施:對(duì)取心工具進(jìn)行妥善保管，使用前認(rèn)真檢查，使用后清洗并注潤(rùn)滑脂;在取心困難的地層中鉆進(jìn)時(shí)，時(shí)刻注意降低壓力、轉(zhuǎn)速和泵量;在破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制回次進(jìn)尺長(zhǎng)度和回次進(jìn)尺時(shí)間;退取巖心時(shí)不得重敲巖心管，避免人為破碎并防止上下次序顛倒。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，曾多次取出滿管完整的巖心。這一方面說(shuō)明地層完整，另一方面也說(shuō)明鉆具在孔底的工作狀態(tài)良好。巖心不僅是地質(zhì)工作評(píng)價(jià)的依據(jù)，也是鑒別孔底工況的依據(jù)［7］。

3．4．2 保證鉆孔垂直度

鉆機(jī)等設(shè)備安裝要穩(wěn)固可靠。為了提高地基的承載力，避免因地基發(fā)生不均勻沉降而導(dǎo)致鉆機(jī)機(jī)座不穩(wěn)，在設(shè)備安裝前預(yù)先澆注20 cm厚的混凝土基礎(chǔ)。

保證天車、回轉(zhuǎn)器、孔口三點(diǎn)一線。在開鉆前嚴(yán)格檢查天車和回轉(zhuǎn)器的立軸是否在一條鉛垂線上。用全站儀對(duì)立軸的垂直度進(jìn)行校正，將立軸調(diào)整到鉛垂位置并固定。

采用多擴(kuò)孔器防斜鉆具。多擴(kuò)孔器防斜鉆具的防斜原理主要是減小孔壁間隙和增大鉆具剛度，使其在大鉆壓下不易偏倒和彎曲，保持鉆具在孔內(nèi)居中，從而限制了鉆頭偏斜。按工程質(zhì)量要求鉆孔頂角偏斜率在1°/100 m以內(nèi)，在1750 m深度處測(cè)得鉆孔曲線的頂角為9.8°，每百米頂角偏斜≯0.6°，完全符合鉆孔垂直度的要求。表2為各測(cè)點(diǎn)頂角數(shù)據(jù)。

表2 JK－1孔測(cè)斜數(shù)據(jù)

3．5 維護(hù)孔壁穩(wěn)定

針對(duì)該孔破碎地層護(hù)壁問(wèn)題［8，9］，通過(guò)修改沖洗液設(shè)計(jì)，取得了較好的護(hù)壁效果。

原設(shè)計(jì)為低固相聚合物泥漿，其配方為:1000 mL水 +3%膨潤(rùn)土 +2‰Na2CO3(碳酸鈉)+2‰CMC－Na(羧甲基纖維素鈉)。

根據(jù)地層的實(shí)際情況，修改為無(wú)固相聚合物沖洗液，其配方為:1000 mL水+4‰CMC－Na+4‰PHPA(部分水解聚丙烯酰胺)+5‰PVA(聚乙烯醇)。

3．5．1 沖洗液流變性對(duì)比

沖洗液的流動(dòng)性能對(duì)孔壁穩(wěn)定、鉆進(jìn)效率和孔眼凈化有直接影響［10］。使用ZNN－D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量2種沖洗液方案的基本參數(shù)見(jiàn)表3。根據(jù)泥漿六速表計(jì)算其表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力數(shù)值見(jiàn)表4。

從2種沖洗液方案流變性對(duì)比圖(圖5)中可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)的流動(dòng)性要好于原設(shè)計(jì)。流動(dòng)性良好的沖洗液不僅可以很好地將孔底巖屑及時(shí)排出，而且減小對(duì)孔壁的沖蝕，還可以有效地阻止易坍塌地層垮塌保持孔壁穩(wěn)定;同時(shí)針對(duì)施工地層的特點(diǎn)，選用聚丙烯酰胺無(wú)固相沖洗液，并加入聚乙烯醇護(hù)壁劑，既符合繩索取心鉆進(jìn)高轉(zhuǎn)速要求的低粘度、低密度、低切力、潤(rùn)滑性好，即“三低一好”，又能滿足復(fù)雜地層鉆孔護(hù)壁要求的需要［11］。

表3 沖洗液基本參數(shù)

表4 沖洗液表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力

圖5 2種沖洗液流變性對(duì)比圖

3．5．2 沖洗液防塌性能對(duì)比

在坍塌、破碎地層使用以上2種沖洗液，需要對(duì)沖洗液的防塌性能進(jìn)行研究。首先將制作好的粘土模塊放入低固相聚合物泥漿和無(wú)固相聚合物沖洗液中，浸泡24 h后進(jìn)行觀察(圖6)，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)中試塊坍塌嚴(yán)重，沒(méi)有起到良好的護(hù)壁效果，而使用改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行孔內(nèi)護(hù)壁效果明顯，能較好地保證孔壁的完整性。

圖6 低固相鉆井液(左)與無(wú)固相沖洗液(右)防塌性能對(duì)比

3．5．3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在鉆進(jìn)至破碎地層時(shí)，聚乙烯醇溶液能在孔壁上形成機(jī)械性能優(yōu)良的膜，穩(wěn)定易碎、坍塌孔段的內(nèi)壁，在保持孔壁完整性上效果良好，同時(shí)聚丙烯酰胺為水溶性高分子聚合物，可以降低鉆具與孔壁之間的摩擦阻力，絮凝、聚沉、清除沖洗液中過(guò)多的固體顆粒，同時(shí)還能防止或減輕水敏性地層孔壁的不穩(wěn)定，抑制了地層自然造漿［11］。無(wú)固相聚合物沖洗液能夠凈化鉆孔，護(hù)壁能力強(qiáng)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)坍塌、埋鉆事故。

4 鉆探技術(shù)成果

JK－1孔實(shí)際鉆進(jìn)1750 m，鉆獲巖心1749.08 m。所有巖心都保管完好并及時(shí)入庫(kù)封存，為今后的科學(xué)研究提供了完整的地質(zhì)資料。在1750 m進(jìn)尺過(guò)程中，共鉆進(jìn)748個(gè)回次，每個(gè)回次取心1～7塊。設(shè)計(jì)工期為2012年5月17日～2012年10月26日，共163天。實(shí)際工期為2012年5月18日～2012年9月26日，共132天。共進(jìn)行鉆孔彎曲測(cè)量12次，終孔頂角為9.8°，符合頂角偏斜≯1°/100 m的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)JK－1孔穿切楊家杖子古生代—中生代向斜盆地，揭示了盆地底部燕山期花崗巖古生代—中生代13個(gè)地層組，再現(xiàn)了華北晚古生代7層鋁土礦沉積層序，獲得了遼西地區(qū)完整的華北型古生代地層鉆孔剖面和巖心資料。

(2)鉆探研究結(jié)果證實(shí)了大地電磁所探測(cè)到的低阻異常區(qū)的存在。鉆采的巖心表明，該低阻異常區(qū)為金屬礦化帶，也證實(shí)了大地電磁測(cè)量地質(zhì)解釋的正確性。

(3)較大直徑繩索取心鉆具具有保直和防止斷鉆的優(yōu)越性，其對(duì)鉆探效率沒(méi)有太大影響。在深孔鉆探中，應(yīng)盡量使用大口徑鉆具，其對(duì)預(yù)留換徑空間有意義。

(4)在深孔鉆探過(guò)程中，盡最大可能減少鉆柱在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)阻力，以提高鉆頭轉(zhuǎn)速、降低功率消耗和提高鉆進(jìn)效率。

［1］ 董樹文，李廷棟．深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究［J］．地球?qū)W報(bào)，2011，32(S1):3 －23．

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