廖長(zhǎng)生，卓廉明

(江西有色地質(zhì)勘查二隊(duì)，江西贛州341000)

1 工程概況

江西蕩坪鎢礦是自1954年建礦以來(lái)有著60年開(kāi)采歷史的國(guó)有中型礦山，其中寶山礦區(qū)位于崇義縣鉛廠鎮(zhèn)，礦體產(chǎn)于寶山巖體與古生代地層接觸帶，為白鎢、銀、鉛、鋅、銅夕卡巖型多金屬礦床，其鎢礦資源屬于地區(qū)重點(diǎn)礦山資源儲(chǔ)量接替勘查點(diǎn)。80年代前人在該礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)鉆探施工，由于該礦區(qū)地層和構(gòu)造較為復(fù)雜，巖石硬度高，破碎松散，研磨性變化大，在鉆進(jìn)過(guò)程中，存在事故多、成井難、效率低、周期長(zhǎng)、耗材大等問(wèn)題，且鉆孔深度均＜400 m。近年，由我隊(duì)承擔(dān)該礦區(qū)深部普查工作，主要目標(biāo)是查明鎢多金屬礦體(脈)的形態(tài)、產(chǎn)狀、規(guī)模及礦石質(zhì)量、品位變化情況，探求(333)資源量。施工期間共完成鉆孔13個(gè)，總進(jìn)尺6842.38 m，最大孔深756.42 m，平均孔深526.34 m，解決了前人在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到的技術(shù)難題與瓶頸，大致查明了礦體(脈)的賦存情況，為后續(xù)普查工作提供依據(jù)。

本文根據(jù)寶山礦區(qū)復(fù)雜地層的特點(diǎn)，對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、鉆頭選用、沖洗液及護(hù)壁堵漏、鉆進(jìn)工藝等進(jìn)行了探討，總結(jié)了一套適合于該礦區(qū)的施工技術(shù)與對(duì)策，從而為同類復(fù)雜地層鉆探勘查工作提供重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

1．1 地質(zhì)特征

寶山礦區(qū)ZK3092鉆孔最具代表性，其巖性分布情況見(jiàn)表1。

表1 ZK3092鉆孔地層特點(diǎn)

1．2 可鉆性分析

(1)中粒黑云母花崗巖。該類巖石結(jié)構(gòu)致密，硬度高且差異變化大，強(qiáng)度高，屬于中弱研磨，可鉆性級(jí)別為7～10級(jí)。

(2)變質(zhì)石英砂巖。該類巖石硅化程度高，結(jié)構(gòu)致密，硬度高，強(qiáng)度高，研磨性不穩(wěn)定，金剛石鉆頭鉆進(jìn)常會(huì)出現(xiàn)打滑、不進(jìn)尺現(xiàn)象?？摄@性級(jí)別為7～9級(jí)。

1．3 鉆進(jìn)難點(diǎn)

寶山礦區(qū)復(fù)雜地層主要包括中粗粒黑云母花崗巖、灰?guī)r溶洞、變質(zhì)石英、砂巖以及穿插眾多的石英脈礦體等，結(jié)合本次勘查施工，存在以下技術(shù)難點(diǎn)。

(1)地層巖石風(fēng)化較強(qiáng)，軟硬不均、松散破碎(見(jiàn)圖1)，大大地降低了巖石的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，常出現(xiàn)坍塌、縮徑、卡鉆、埋鉆等事故，巖心采取困難，完整性低，降低了鉆進(jìn)效率和質(zhì)量。

圖1 ZK3092鉆孔代表性地層巖心

(2)在前期施工過(guò)程中，選用普通沖洗液+單一護(hù)壁堵漏材料進(jìn)行輔助鉆進(jìn)，由于整個(gè)地層巖石破碎、松散、多樣性、吸水膨脹、遇水溶解等，仍不能解決孔內(nèi)嚴(yán)重掉塊、漏水，成孔難等問(wèn)題，從而導(dǎo)致多次提前終孔。這對(duì)沖洗液設(shè)計(jì)及護(hù)壁堵漏技術(shù)提出了更高的要求。

(3)在鉆進(jìn)灰?guī)r地層時(shí)，由于溶洞和充填雜物較多，孔內(nèi)巖粉不易排除，造成加壓困難，嚴(yán)重憋水，多次采用膨潤(rùn)土造漿及灌注水泥等措施，孔內(nèi)鉆渣仍不能排出，造成無(wú)法鉆進(jìn)。

(4)根據(jù)以往礦區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，主要采用簡(jiǎn)單的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且較短的換徑間距，這為鉆進(jìn)換徑造成極大的困難，從而阻礙鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。因此，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮該復(fù)雜地層的特點(diǎn)，如坍塌、溶洞、破碎等，這增加了鉆孔設(shè)計(jì)和施工的難度。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特征，ZK3092孔采用多級(jí)成孔結(jié)構(gòu)方式，如圖2所示，首先130 mm開(kāi)孔鉆進(jìn)70 m，下入127 mm套管，改110 mm單管鉆進(jìn)160 m，下入108 mm套管，再改91 mm單管鉆進(jìn)210 m，下入89 mm套管，最后改75 mm繩索取心鉆進(jìn)310 m，下入71 mm套管。采用該類鉆孔設(shè)計(jì)有利于隔離強(qiáng)風(fēng)化層、破碎帶等，預(yù)防鉆孔坍塌等事故，保證鉆孔的順利進(jìn)行。

圖2 ZK3092鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 鉆進(jìn)設(shè)備選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)及相關(guān)的地質(zhì)條件，選用了XY－4型鉆機(jī)，主要技術(shù)參數(shù):轉(zhuǎn)速135～1588 r/min，鉆進(jìn)深度為700～1000 m，立軸最大起重力80 kN，最大加壓力為60 kN，單繩最大提升力為30 kN。該鉆機(jī)布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、堅(jiān)固耐用、可拆性好、便于搬遷、修理方便。

選用BW－150型泥漿泵，該泵為臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵，最大流量為150 L/min，最大壓力為70 kg/cm2?？捎糜跊_洗液、水泥漿灌注等。

鉆塔為SGX－13型鉆塔，是四角金屬管子斜鉆塔，高度13 m，鉆塔內(nèi)部具有較大的空間，承載能力和穩(wěn)定性均較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，鉆探效率高，取心質(zhì)量好，適于野外作業(yè)使用。

4 鉆頭選用

目前，國(guó)內(nèi)用于地質(zhì)勘探孔、探水孔等工程孔的鉆頭主要有硬質(zhì)合金鉆頭、PDC復(fù)合片鉆頭和孕鑲型金剛石取心鉆頭。硬質(zhì)合金鉆頭和PDC鉆頭是利用刮削方式破碎巖石，主要適用于軟—中硬巖層，孕鑲型金剛石取心鉆頭以磨削的破巖方式能夠擔(dān)負(fù)起硬—堅(jiān)硬巖層的鉆進(jìn)工作，其壽命長(zhǎng)，技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效果優(yōu)越等。

孕鑲型金剛石取心鉆頭唇面結(jié)構(gòu)有平底形、圓弧形、同心圓尖齒形、階梯形等多種，合適的底唇形狀能提高鉆速和鉆具的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)鉆頭壽命。對(duì)于堅(jiān)硬弱研磨性“打滑”地層、破碎或軟硬不均地層，一般采用唇面形狀為同心圓尖齒形金剛石取心鉆頭(見(jiàn)圖3)，其唇面具有較多的自由面，鉆頭唇面單位面積鉆壓大，能夠進(jìn)行有效地鉆進(jìn)，并有防斜效果，有利于提高鉆進(jìn)效率。

圖3 同心圓尖齒型孕鑲型金剛石取心鉆頭

5 沖洗液及護(hù)壁堵漏

沖洗液是地質(zhì)鉆探的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是在深孔和復(fù)雜地層鉆探中，沖洗液體系設(shè)計(jì)、優(yōu)選以及鉆探過(guò)程中沖洗液的性能維護(hù)與處理對(duì)鉆探施工順利的完成起著關(guān)鍵性的作用。

沖洗液設(shè)計(jì)主要取決于地質(zhì)特征和鉆進(jìn)技術(shù)兩大因素。不同的地層，不同鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)沖洗液要求不同，所以必須綜合各因素，正確地選擇適合具體要求的沖洗液體系類型。由于該礦區(qū)地層復(fù)雜，并且擬采用金剛石取心鉆進(jìn)技術(shù)，這就大大提高了對(duì)沖洗液性能的要求，因此沖洗設(shè)計(jì)首先需要考慮到繩索取心鉆進(jìn)對(duì)沖洗液的要求，然后針對(duì)復(fù)雜地層的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的泥漿體系進(jìn)行護(hù)壁。

該礦區(qū)屬于“硬、脆、碎”不穩(wěn)定地層，采用金剛石繩索取心鉆探時(shí)，鉆具內(nèi)外管及環(huán)空間隙小，沖洗液應(yīng)滿足“三低一好”:固相低、粘度低、失水量低，潤(rùn)滑性好，從而減小流動(dòng)阻力和泥皮厚度，防止泥漿固相污染、自然增稠及堵水憋泵。因此，為適應(yīng)該地層和鉆進(jìn)技術(shù)的需要，根據(jù)沖洗液相關(guān)理論知識(shí)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選用聚丙烯酰胺低固相沖洗液，其配方為:3%～8%膨潤(rùn)土+0.5%磺化瀝青+0.2%～0.5%羧甲基纖維素+0.3% ～0.5%聚丙烯酰胺+0.2%～0.6%燒堿;該沖洗液的性能指標(biāo)為:密度1.05～1.10 g/cm3，粘度18～20 s，pH 值7.1 ～7.5。該沖洗液適用于硬巖地層，具有選擇性絮凝懸渣功能，維持鉆井液低固相含量，流動(dòng)性、潤(rùn)滑性較好，有助于提高鉆進(jìn)效率及減少鉆具磨損。同時(shí)，除了加入磺化瀝青作為防塌劑外，利用聚丙烯酰胺高分子在孔壁上的網(wǎng)膜多點(diǎn)吸附性，也能夠起到護(hù)壁堵漏作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該沖洗液配方性能良好，攜帶巖屑能力較強(qiáng)，排粉效果好，基本滿足鉆探需求，能夠有效地解決鉆進(jìn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，鉆進(jìn)效率得到大大提高。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，沖洗液性能的維護(hù)對(duì)鉆進(jìn)效果也具有重要的影響。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備必要的沖洗液性能測(cè)試儀器，定時(shí)測(cè)量并記錄出入口沖洗液性能指標(biāo)?？變?nèi)返回的沖洗液應(yīng)排入沉淀池，根據(jù)性能測(cè)定并經(jīng)固控設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的處理，從而達(dá)到?jīng)_洗液的設(shè)計(jì)要求，保證整個(gè)鉆孔的順利實(shí)施。

6 鉆進(jìn)技術(shù)措施

根據(jù)寶山礦區(qū)ZK3092孔地層的特點(diǎn)，選擇合適的鉆進(jìn)工藝組合對(duì)高效鉆進(jìn)施工至關(guān)重要。

(1)由于開(kāi)孔地層巖石全面風(fēng)化，松散但夾有硬層，為了避免鉆孔淺部大裂隙或破碎層的坍塌等，采用大口徑130 mm金剛石鉆頭單管鉆進(jìn)。在開(kāi)孔過(guò)程中，雖然采用了優(yōu)質(zhì)沖洗液及灌注水泥護(hù)壁，但是轉(zhuǎn)速過(guò)快鉆桿易產(chǎn)生公轉(zhuǎn)破壞孔壁，進(jìn)而引起一系列的孔內(nèi)事故，故采用低鉆壓慢轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)方式，鉆壓控制在10～12 kN，轉(zhuǎn)速控制在220～280 r/min，泵量控制在40～50 L/min。同時(shí)平直提升鉆具，減少對(duì)孔壁的抽吸作用，當(dāng)遇地層風(fēng)化較嚴(yán)重時(shí)，無(wú)泵鉆進(jìn)，保證鉆孔巖心采取率。

(2)ZK3092孔自71.10～232.40 m孔段地層溶洞較多，前期使用膨潤(rùn)土造漿及灌注水泥等措施均不能有效地排渣，直接采用跟管鉆進(jìn)下入108 mm套管進(jìn)行隔離。根據(jù)排渣情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整泥漿泵的泵量，提高沖洗液排渣能力。

(3)當(dāng)鉆至232.40～445.40 m孔段時(shí)遇花崗巖地層，屬于致密、堅(jiān)硬“打滑”地層，針對(duì)該類地層，通過(guò)投砂短時(shí)間斷水干磨加壓法，加快金剛石鉆頭出刃，減少提鉆次數(shù)，大大提高了工作效率和降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。由于該地層較為破碎，故在采用91 mm金剛石鉆頭單管鉆進(jìn)213 m后，下入89 mm套管防止孔內(nèi)事故。

(4)中深部445.40～756.42 m孔段遇大破碎帶，改用75 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，避免沖洗液直接沖刷和破壞巖心，提高巖心采取率和鉆進(jìn)效率。同時(shí)調(diào)低聚丙烯酰胺沖洗液中膨潤(rùn)土的含量，增加其流動(dòng)性和潤(rùn)滑性，從而減少鉆具磨損，最后下入71 mm套管。

(5)在整個(gè)金剛石單管鉆進(jìn)過(guò)程中，為了提高其采取率，在鉆頭內(nèi)設(shè)置卡簧和卡簧座取心工具，并根據(jù)巖性的完整程度來(lái)控制回次進(jìn)尺量，一般完整巖層回次進(jìn)尺量控制在2.5 m以內(nèi)，松散破碎層控制在1.2 m以內(nèi)，如果鉆進(jìn)發(fā)生堵水不進(jìn)尺，及時(shí)提鉆取心。

(6)在鉆進(jìn)過(guò)程中同時(shí)要進(jìn)行鉆孔防斜，開(kāi)孔前首先將鉆機(jī)基礎(chǔ)安裝牢固，進(jìn)行準(zhǔn)確的鉆孔定位，合理設(shè)計(jì)開(kāi)孔角度，并采用初級(jí)定向鉆進(jìn)。開(kāi)孔時(shí)主桿不得有偏差，軸心壓力要均勻并及時(shí)加長(zhǎng)粗徑。在遇到促斜地層、軟硬互層、巖層傾角大、斷層破碎地層等時(shí)，采用長(zhǎng)、直、重剛性大的鉆具，鉆進(jìn)時(shí)要適當(dāng)?shù)販p壓減速，除此之外，注意合理選擇粗徑長(zhǎng)度，以避免鉆孔角度變化過(guò)大和過(guò)快。

(7)在鉆進(jìn)促斜地層時(shí)加強(qiáng)鉆孔測(cè)斜，及時(shí)作鉆孔彎曲圖，了解鉆孔趨勢(shì)和鉆孔空間角，以便控制鉆孔彎曲。一般糾斜選擇在可鉆性7級(jí)以下地層，91 mm口徑采取定向套管楔變徑糾斜，75 mm口徑采取楔卡式導(dǎo)斜器糾斜，楔子角度以1.5°～2°為宜，扭轉(zhuǎn)角度修正值為1°～15°，同時(shí)對(duì)糾斜效果進(jìn)行及時(shí)反饋。

7 鉆進(jìn)效果

通過(guò)鉆探技術(shù)的優(yōu)化組合應(yīng)用，解決了寶山礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)困難的問(wèn)題，順利地完成了蕩坪鎢礦寶山礦區(qū)接替資源勘查任務(wù)，其中寶山礦區(qū)ZK3092孔屬于該礦區(qū)鉆進(jìn)效果最好的鉆孔，施工歷時(shí)48天，終孔深度756.42 m，平均時(shí)效1.68 m，臺(tái)月效率達(dá)566 m，取心效果好，采取率達(dá)99%，代表性地層巖心見(jiàn)圖1?？傊敬毋@孔施工特點(diǎn)是施工質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高，成本較低，孔內(nèi)事故少，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為后期的勘查施工提供了重要的技術(shù)指導(dǎo)。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)寶山礦區(qū)ZK3092孔鉆進(jìn)工藝的研究和探討，解決了該區(qū)“硬、脆、碎”復(fù)雜地層鉆進(jìn)困難，坍塌、縮徑、卡鉆、埋鉆等問(wèn)題，保證了勘查工作的順利開(kāi)展。其主要經(jīng)驗(yàn)體會(huì)如下。

(1)根據(jù)地層分布情況，采用四級(jí)成孔四級(jí)套管，該鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，保證了鉆孔口徑的遞增和終孔口徑。

(2)針對(duì)寶山礦區(qū)所鉆地層特點(diǎn)，采取同心圓尖齒孕鑲型金剛石取心鉆頭，地層適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)結(jié)合金剛石單管鉆進(jìn)和繩索取心鉆進(jìn)組合工藝，可獲得較好的鉆進(jìn)效果。

(3)由于寶山礦區(qū)地層的復(fù)雜性，采用組合式護(hù)壁堵漏技術(shù)，即適宜的套管層次+優(yōu)質(zhì)沖洗液護(hù)壁+灌注水泥護(hù)壁堵漏，有效地防止了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了鉆進(jìn)效率。

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