徐國輝，萬道含，楊樹強，高元宏

(1．青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810000;2．中國地質(zhì)大學〈武漢〉工程學院，湖北武漢430074)

東昆侖造山帶是一個經(jīng)歷多期構(gòu)造活動的復雜造山帶，是青藏高原北部重要的成礦地質(zhì)構(gòu)造單元，蘊藏著非常豐富的礦產(chǎn)資源［1－2］。五龍溝金礦位于青海省柴達木盆地南緣、青藏高原北部東昆侖山中段北緣五龍溝地區(qū)，行政區(qū)劃隸屬青海省海西州都蘭縣，是青海省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中發(fā)現(xiàn)的一個具有潛力的中大型礦床，被認為是青海省最具資源潛力的金礦集中區(qū)之一。

五龍溝礦區(qū)地形復雜，山勢陡峭險要，地貌屬深切割高山區(qū)，海拔在3000～4500 m之間，相對高差在800 m以上［3］。由于礦區(qū)地形切割大，許多在地表布設的鉆孔因修路難度大、修路工期長、施工難度大等因素而選擇布置在礦區(qū)坑道內(nèi)。

本文針對五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段布設的SZZK8905鉆孔特點，開展坑道鉆探工藝研究，對該地區(qū)的地質(zhì)找礦工作具有十分重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1．1 地層概況

五龍溝礦區(qū)出露的地層主要有:下元古界金水口群(Pt1j)、中元古界小廟群(Pt2)、上元古界丘吉東溝群(Pt3q)、下古生界奧陶系祁曼塔格群變火山巖組(Oqb)和第四系(Q)［4］，地層巖性見表 1。

表1 地層巖性

1．2 構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，褶皺變形強烈，按斷裂走向可劃分為NWW向、NW向、NNW向以及SN向、NE向和近 EW 向等6組［5］。其中，NWW －EW向斷裂，具有切割深、延伸長、長期活動的深斷裂特征，控制了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化及地層、巖漿巖、礦產(chǎn)的形成和分布，是構(gòu)造單元的分界。主要有昆北斷裂帶、昆中斷裂帶和昆南斷裂帶［3，6］，見圖 1。

圖1 東昆侖斷裂帶及構(gòu)造分區(qū)略圖

1．3 巖漿活動

礦區(qū)內(nèi)巖漿活動強烈，巖漿巖廣布，以晚元古代、古生代的中酸性侵入巖為主。礦區(qū)發(fā)育外灘超基性—中性巖漿巖，呈巖株和巖枝(脈)兩種產(chǎn)態(tài)，為本區(qū)金成礦提供了物質(zhì)及動熱來源［7］。

2 礦區(qū)鉆進難點

礦區(qū)地層受東昆侖斷裂構(gòu)造帶的影響，地層條件極其復雜，在鉆進過程中存在的鉆進難點主要有:

(1)孔壁巖石破碎，易掉塊，甚至產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，孔壁不穩(wěn)定;

(2)地層中含有斷層泥，易造成孔壁縮徑，憋泵現(xiàn)象嚴重;

(3)鉆進水敏性地層時，鉆頭糊鉆現(xiàn)象嚴重，易造成燒鉆事故;

(4)由于地層破碎，回次進尺少，常規(guī)取心難度大，巖心采取率低。

3 坑道鉆探施工工藝

3．1 鉆孔參數(shù)設計

2010年，在五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段內(nèi)布設了SZZK8905鉆孔，由于礦區(qū)地層條件復雜，施工難度較大，該孔在外協(xié)單位施工過程中遭遇鉆偏、取心不足等問題并先后挪孔3次，皆以鉆孔報廢而終止。至2012年，五龍溝礦區(qū)進入詳查階段，為達到地質(zhì)找礦目的，進一步探明礦產(chǎn)儲量，重新啟動該孔的鉆探施工任務，鉆孔參數(shù)設計如下:孔號SZZK8905、設計孔深650 m、鉆孔傾角88°、方位角206°43'。

3．2 鉆機選擇

在坑道中實施鉆探工作，由于坑道空間狹小，不易布設鉆孔，決定了坑道鉆探不能使用大型鉆探設備。另外，若機場面積太大，坑道四周的圍巖就需要特殊支護，并且考慮到鉆機在運行過程中振動對周圍巖體產(chǎn)生不利影響，易帶來一系列安全隱患問題。五龍溝礦區(qū)3320平硐89線橫截面尺寸為:高1.8 m×寬2.0 m，開辟出的鉆機機場空間大小為:高6.7 m×寬6.0 m×長6.0 m(見圖2)。

圖2 機場斷面布置圖

綜合考慮坑道機場大小與鉆孔深度等因素，結(jié)合青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院鉆探設備尺寸大小及施工能力，最終選用寶長年LM－75型坑道鉆機來完成此次鉆探任務。該鉆機主要性能參數(shù)見表2。

表2 LM－75型鉆機性能參數(shù)

3．3 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于坑道內(nèi)地表巖石為完整基巖，無第四系覆蓋層，故SZZK8905鉆孔全孔段采用繩索取心工藝鉆進，采用三開式孔身結(jié)構(gòu):

(1)開孔使用HQ金剛石繩索取心鉆進，鉆進9 m后，下入HQ系列孔口管;

(2)換用NQ金剛石繩索取心鉆進，直至達到鉆機的最大實際鉆深能力;

(3)最后使用BQ金剛石繩索取心鉆進至終孔。

若使用NQ鉆進可以達到終孔設計目的，則盡量不用BQ鉆進，因為BQ系列鉆桿與內(nèi)管總成之間的環(huán)狀間隙較小，回次取心后內(nèi)管投放速度慢，耗費的時間較長［8－9］。若鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，則內(nèi)管在投放跟提拉的過程中更易受阻，往往造成內(nèi)管投放不到位打單管、副卷揚鋼絲繩被拉斷等現(xiàn)象。

實踐表明，LM－75型鉆機使用NQ系列鉆具鉆進至535.20 m時，在鉆桿柱的自重作用下，卡瓦已經(jīng)不能對鉆桿形成有效夾持力(高原環(huán)境下，鉆機損耗部分動力)，不得已情況下只能換用BQ系列鉆具繼續(xù)鉆進，并將NQ系列鉆桿作為套管使用。在鉆進達到設計孔深650.0 m后，由于未達到預期找礦目的，繼續(xù)鉆進至700.20 m終孔。SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)示意

3．4 破碎帶取心技術

SZZK8905孔全孔段使用Q系列金剛石繩索取心技術的方法，在鉆進過程中鉆遇破碎帶地層時易產(chǎn)生憋泵、回次進尺少、巖心采取率低、鉆進效率低等問題，無法發(fā)揮繩索取心鉆進的優(yōu)越性。

因此，在施工中優(yōu)先考慮了針對破碎地層使用的繩索取心液動沖擊器，以期解決巖心采取率低及鉆進效率低等問題?，F(xiàn)場實踐證明，繩索取心液動沖擊器對沖洗液的固相含量及顆粒大小要求較高，當固相含量＞2%或固相顆粒＞74 μm時，沖擊器易受卡導致不工作。在金剛石小口徑鉆探中常采用自然沉淀法去除巖粉，此方法無法及時有效地除去鉆井液體系中的大顆粒等無用固相，不能滿足液動沖擊器實際工作的需要，最終未采用液動沖擊器。

分析發(fā)現(xiàn)，破碎地層鉆進回次進尺少、憋泵、巖心采取率低等問題與鉆進參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量)有很大關系。鉆壓過大，在鉆頭壓入地層的同時，產(chǎn)生的巖石碎屑易堵入卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階之間的間隙，從而造成憋泵、回次進尺少。泵量太大，加大對破碎巖心的沖刷作用，降低了巖心采取率。

為了提高巖心采取率、提高鉆探效率，減少沖洗液對破碎巖心的直接沖刷，通過改變鉆頭的水路結(jié)構(gòu)來達到預期目的，特委托廠家加工了底噴式繩索取心鉆頭(見圖4)。

圖4 底噴式鉆頭

鉆頭特點:鉆進時將內(nèi)管卡簧座(卡簧座不帶水口)與鉆頭內(nèi)臺階的距離縮短甚至頂死，鉆井液從卡簧座與鉆頭內(nèi)壁之間的10個水眼直接流入孔底，減少了對巖心的直接沖蝕，同時也解決了憋泵問題(見圖5)。

圖5 底噴式鉆頭剖面

實踐表明，底噴式鉆頭結(jié)合相應的鉆進參數(shù)(破碎地層鉆進、NQ繩索取心段):鉆壓5～8 kN、轉(zhuǎn)速500～700 r/min、泵量30～50 L/min，有效地解決了破碎帶鉆進效率低與巖心采取率低的問題。需注意的是在鉆進過程中不進尺的情況下應立即撈取巖心，防止巖心被磨損。鉆進工藝改變前后破碎地層的取心效果對比見表3。

表3 工藝改變前后破碎地層取心比較(NQ繩索取心段)

3．5 鉆井液體系研究

3．5．1 無固相防塌鉆井液

SZZK8905鉆孔先后經(jīng)過3次施工均報廢，施工隊伍主要采用單一的無固相聚丙烯酰胺鉆井液，鉆井液性能及鉆進效果很不理想。鑒于前期施工中遇到的地層情況及鉆進難點，兼顧金剛石繩索取心鉆進特點，在總結(jié)以往經(jīng)驗基礎上，本次施工采用無固相防塌鉆井液體系。

鉆井液配方:1 m3水+0.05%聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%高粘羧鉀基纖維素鈉(HV－CMC)+2%植物膠+1%無熒光潤滑防塌劑+0.1%燒堿。

通過室內(nèi)實驗測得該配方鉆井液性能參數(shù)如下:漏斗粘度23.4 s，表觀粘度9.5 mPa·s，塑性粘度7.5 mPa·s，動切力2 Pa，動塑比0.27，失水量11.6 mL/30 min，密度1.015 g/cm3，pH 值10.5。

現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)，該配方鉆井液具有較好的流變性能，并且對破碎地層起到一定的防塌效果，同時對弱水敏地層具有一定的抑制作用，能保證金剛石繩索取心鉆進充分發(fā)揮其優(yōu)越性，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速鉆進。在0～613.20 m孔段鉆進中，順利穿過了遇到的復雜地層。

3．5．2 低固相鉀基鉆井液

SZZK8905孔在613.20 m后鉆遇灰黑色斷層泥(見圖6)，最厚處達25.20 m，之后斷層泥與灰白色糜棱巖化斜長花崗巖交替出現(xiàn)，鉆進過程中憋泵、縮徑現(xiàn)象嚴重，并伴有坍塌現(xiàn)象，成為613.20～700.20 m孔段最大的技術難題，嚴重影響了鉆進效率。

因此，根據(jù)地層情況及時調(diào)整了鉆井液配方，采用低固相鉀基鉆井液體系。要求鉆井液具有低濾失量、低滲透性、抑制性好、防塌效果好等性能，同時又要滿足BQ金剛石繩索取心鉆進要求的固相含量低、避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的特點。通過實驗研究分析，確定了低固相鉀基鉆井液配方:1 m3水+3%鈉基膨潤土+2%KCl+1%磺化瀝青+0.5%高粘羧甲基纖維素鈉(HV－CMC)+0.02%聚陰離子纖維素(PAC－141)+0.1%燒堿。

圖6 灰黑色斷層泥

測試了該鉆井液性能如下:漏斗粘度32.39 s，表觀粘度17.5mPa·s，塑性粘度14 mPa·s，動切力3.5 Pa，動塑比 0.25，失水量 8.75 mL/30 min，密度1.03 g/cm3，pH 值 9.5。

現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)，該配方鉆井液成功抑制了孔壁斷層泥水化膨脹、縮徑、坍塌問題，有效避免了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象，在613.20～700.20 m孔段的斷層泥地層中，巖心采取率達85%以上。

4 結(jié)語

(1)五龍溝礦區(qū)坑道SZZK8905鉆孔施工難度大，前3次均以失敗告終，第4次施工克服了一系列技術難題鉆進至700.20 m終孔，創(chuàng)下了青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院坑道鉆探最深紀錄，為五龍溝礦區(qū)地質(zhì)找礦提供了寶貴的原始資料。

(2)該孔在作業(yè)空間狹小的情況下，采用寶長年LM－75型坑道鉆機、底噴式鉆頭、全孔段Q系列繩索取心鉆進技術，平均巖心采取率＞98%，實測鉆孔頂角與設計值之差4.2°，被評定為優(yōu)質(zhì)鉆孔。

(3)針對不同地層巖性特點，分別采用無固相防塌鉆井液、低固相鉀基鉆井液體系，有效解決了鉆進過程中憋泵、孔壁縮徑、坍塌、巖心采取率低等問題。

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