劉建福，王建興，孫秀梅，劉莎莎，侯林

（河北省地礦局探礦技術研究所，河北 三河 065201）

2008年，我院承攬了山西靈丘唐之洼鐵礦區(qū)鐵礦預查單孔施工任務，設計孔深為700m、傾角為82°的斜孔，要求全孔取心，過礦層30m即可終孔。第四紀覆蓋層約320m，松散，易坍塌。

1 地層概況

該孔自上而下地層為第四紀砂土、砂礫層、卵礫層，泥土層、泥頁巖地層；片麻狀混合巖、鐵礦層等。0～319.46m 為第四紀地層；319.46～675.42m 主要為片麻狀混合巖；675.42～713.48m為鐵礦層，鐵礦層下部均以片麻狀混合巖為主。

2 技術質量要求

（1）巖心要求：非礦層采取率在70%以上，礦層及頂、底板巖礦心采取率不低于80%。

（2）鉆具丈量：每100m丈量一次，誤差在0.1m以內。

（3）孔斜要求：每50m測孔斜一次，每100m孔斜≤2°。

（4）簡易水文地質觀測：每班提鉆后，下鉆前測量孔內水位，并記錄。

（5）封孔：全孔水泥封孔，孔口做好標記。

3 本鉆孔施工存在的難點問題

（1）第四紀覆蓋層較厚，達320m，砂土層、砂礫層、卵礫石層等膠結性較差，易坍塌。

（2）全孔取心，第四紀地層取心率較難以保證。

（3）沒有以往鉆孔施工資料可以參考借鑒。

4 鉆探設備及工藝方法

根據(jù)鉆孔設計要求和以往鉆探施工經驗，對該孔施工從設備到工藝進行了認真的研究和論證，制定了切實可行的施工工藝方法，最終達到了設計要求，保證了施工任務的順利完成。

4.1 設備的選擇

4.1.1 鉆機

按照鉆孔設計要求，采用性能穩(wěn)定，工人操作熟悉的XY－4型鉆機，配以13米A字型液壓起降鉆塔，動力選用4105柴油機，以滿足鉆探施工要求。

4.1.2 水泵

根據(jù)地層特點和鉆孔深度，選用BW250型泥漿泵，該類型泥漿泵性能穩(wěn)定，維修方便，易損件購置、更換容易。

4.1.3 其余設備

為解決機場照明及施工需要，配備一臺20kW發(fā)電機，一臺攪拌機，一臺繩索絞車，一臺我院自行研制的多功能夾持器，此夾持器除用于繩索鉆進外還可用于起下套管，替代夾板，安全省時，可提高下套管速度，減輕工人勞動強度。

4.2 工藝方法

根據(jù)該礦區(qū)覆蓋層厚、地層破碎復雜特點，為確保順利完成，確定用四開鉆進，以φ150mm口徑開孔，進行φ131，φ111，φ77鉆進按施工順序分別下入φ146、φ127、φ108三級套管進行護壁，φ93mm 口徑鉆進和φ89mm作為備用，確?？妆诜€(wěn)定；見基巖后改用φ77mm繩索取心鉆進方法進行鉆進。為減小泵壓，增大鉆孔環(huán)狀間隙，將普通繩索75mm口徑增大為φ77mm。以泥漿為主要護壁手段，加強泥漿維護測試，下套管前遇坍塌漏失泥漿無效時用水泥漿護壁。

第四紀松散地層采用回轉鉆進工藝，砂土層、泥土層、砂礫層采用合金鉆頭，卵礫石層采用金剛石鋼絲鉆頭；取心，采用普通單管鉆具干鉆取心、鋼絲鉆頭取心和我院自行研制的“松軟土層鉆進取心專用鉆具”。并準備φ91mm單動雙管鉆具作為備用。

4.2.1 沖洗液

開孔采用泥漿做為沖洗液，基巖鉆進采用乳化液、潤滑液作為沖洗液。

泥漿選用山東濰坊產優(yōu)質鈉—膨潤土，加入2‰羧甲基纖維素鈉，聚丙烯酰胺，2‰火堿，作為造漿材料，造漿率在10m3／t以上，基漿失水量小于20mL／30min。性能指標為：密度1.045kg／L，漏斗黏度24～30s，失水量15mL／30min，含砂量＜4%，泥餅厚度：0.7mm，pH 值8.5。

4.2.2 鉆進參數(shù)

合金鉆進：鉆壓8～15kN

轉速150～180r／min

泵量60～90L／min

金剛石鉆進：鉆壓9～14kN

轉速400～850r／min

泵量35～52L／min

5 施工過程與工藝措施

5.1 一開鉆進

采用φ150mm硬質合金鉆頭，φ146mm巖心管普通單管取心鉆進，泥漿護壁，低鉆壓，低轉速，90L／min泵量。

43.75m時進入卵礫石層，改用金剛石鉆頭鉆進，減小泵量（52L／min），取出卵礫石巖心長度達450mm，隨即下入φ146mm套管。

由于泥漿增稠較快，現(xiàn)場又無泥漿凈化設備，將泥漿槽加長了1.5倍，同時又挖一同規(guī)格泥漿池，保證了入孔泥漿達到了性能要求。

5.2 二開鉆進

采用φ130mm特制金剛石鉆頭鉆進卵礫石層以提高效率和鉆頭壽命，通過增大增厚胎塊，適當加大水口尺寸，減少水口數(shù)量，增強了鉆頭胎體抗沖擊強度，保證了鉆頭壽命在20～30m，通過制成鋼絲鉆頭使用普通單管鉆具保證了取心率達到了70%～75%。

鉆至79.37m 處、102.53m 處123.53m 沖洗液漏失增加，立刻提鉆，向孔內投入適量的黏土球墩實后，下鉆繼續(xù)鉆進，循環(huán)正常，堵漏效果明顯。

鉆進至137.51m時鉆孔出現(xiàn)坍塌掉塊，為防止鉆孔坍塌擴大，馬上向孔內注入快干水泥漿液，等待24h水泥凝固后，下鉆正常鉆進。

鉆進至孔深150.40m進入黏土層，鉆孔相對較為穩(wěn)定，但為防止上部不穩(wěn)定，地層受鉆具擾動再次出現(xiàn)坍塌，掉塊等事故，下入φ127mm套管（為降低成本該套管采用焊接），下入孔后，為防長時間泥砂沉淀擠夾造成起拔困難決定立即起出φ146mm套管。

5.3 三開鉆進

用φ110mm加厚鉆頭（內徑φ79mm）底噴型和金剛石斜鋸齒型鉆頭（如圖1）和專用取心鉆具進行黏土層鉆進，防止黏土層糊鉆和提高取心率?！八绍浲翆鱼@進取心專用鉆具”（以后簡稱“專用取心鉆具”），鉆進時沖洗液順巖心管內壁向下流動，對巖心沖刷力小，提鉆取心時，鉆桿柱內液體在鉆桿巖心管接頭處排泄到巖心管外，對巖心不產生沖壓作用。（見圖2）。使用底噴型合金鉆頭時，有糊現(xiàn)象，換鋸齒型金剛石鉆頭后，鉆進較順利，取心率達80%以上。

圖1 金剛石斜鋸齒型鉆頭

213.27m時，孔壁出現(xiàn)嚴重坍塌，沖洗液全部漏失，鉆具提出后就下不到原孔位。若仍采用常規(guī)灌注水泥漿液的方法根本注不到位，起不到穩(wěn)固孔壁的作用。研究決定，采用旋噴法壓注水泥漿。

旋噴鉆具為φ50mm內絲鉆桿連接φ60mm單管鉆具，配用專用注漿鉆頭。專用注漿鉆頭由舊φ60mm金剛石鉆頭改制，封堵鉆頭底部保留兩個小通水孔，在胎體上端的鋼體上對稱地打兩個φ5mm小孔作為噴漿口即可。

連接旋噴鉆具正常鉆進方法穿過坍塌地段后，即刻用泵壓入快干水泥漿液。壓入時使用低轉速旋轉并緩慢提升鉆具。具體參數(shù)為：轉速30～40r／min，提升速度200mm／min。壓漿孔段要超過坍塌地段3～5m，壓漿完畢等待24h后，鉆進取心，達到了預期效果，護壁成功。

276.5 8m時孔壁又出現(xiàn)嚴重坍塌，且出現(xiàn)地下水位，不做處理無法鉆進，向孔內壓入快干水泥漿液，結果水泥漿液全部被稀釋流失，起不到護壁作用。

考慮到快接近基巖，決定采用薄壁金剛石鉆頭（內徑φ97mm）跟管鉆進。鉆至298.39m鉆頭磨損不進尺，孔內保留φ108mm鉆具作為套管，換備用孔徑鉆進。

5.4 四開鉆進

換φ89mm鉆具φ93mm金剛石鉆頭進行鉆進，鉆至320.10m提鉆取心，見完整基巖長達6.4m，隨即下入φ89mm套管。鑒于該層次套管較深，為防止巖粉進入套管間隙，防止抱死套管造成套管起拔問題，所有套管外壁全部涂上黃油，孔口處進行了可靠的密封。

5.5 終孔口徑鉆進

基巖采用φ77mm繩索取心鉆進工藝進行施工，鉆桿選用φ71mm鐓粗鉆桿。沖洗液采用清水加入4‰乳化油，鉆至675.42m見礦層。校正鉆孔無偏差，到713.48m出礦層，繼續(xù)鉆進30m后再無見礦，最后以孔深745.28m終孔。

最終巖心采取率平均達到了80%，礦心采取率在85%以上，丈量孔深無偏差，鉆孔頂角偏斜4°，在地質要求范圍內。封孔采用全孔水泥封孔，水灰比為0.5。按要求用專用水泥磚做好標記。經地質人員檢收合格。

圖2 HF－89型松軟土層鉆進和取心專用鉆具

6 經驗與體會

通過該鉆孔的施工證明，在坍塌、掉塊、漏失地層中鉆進，只要針對其實際情況，認真分析研究，技術措施得當，就能收到較好效果。通過本孔施工有一些體會總結如下：

（1）第四紀鉆進泥漿性能要隨時監(jiān)護，黏度和失水量務必保證，嚴格控制固相含量，根據(jù)需要加長循環(huán)槽和增加泥漿坑。

（2）根據(jù)地層特點選取適當鉆具取心，即保證了取心率，又使孔底干凈。本院研制“專用取心鉆具”相比普通單管取心鉆具干鉆取心效果明顯，不僅取心率高，而且鉆桿沒有噴漿，取出巖心容易。

（3）對漏失出現(xiàn)要重視，有加大傾向即采取措施，堵漏材料常備以隨時用。

（4）跟管鉆進能快速突破復雜地層，有條件時盡量采用。

（5）旋噴法壓注水泥漿對于松散坍塌孔段有較好的效果。