張所邦， 譚建國， 王愛軍， 葉輝兵， 李曉文， 鄭新華， 周鵬飛

(湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100)

宜昌磷礦北部整裝勘查項目深孔復雜地層鉆探技術(shù)

張所邦， 譚建國， 王愛軍， 葉輝兵， 李曉文， 鄭新華， 周鵬飛

(湖北省地質(zhì)局第七地質(zhì)大隊，湖北 宜昌 443100)

宜昌磷礦北部整裝勘查工程是湖北省大型磷礦資源勘查項目，由于地形復雜，工作量大，施工條件困難，鉆孔深度達到1400 m，給鉆探組織和施工帶來更高的要求。本文就該項目的地質(zhì)鉆探工作進行簡要總結(jié)，介紹了寒武系和震旦系地層中的鉆探施工技術(shù)及應用效果。

鉆探技術(shù)；復雜地層；深孔；宜昌磷礦

宜昌磷礦北部整裝勘查是落實國土資源部“358”找礦戰(zhàn)略，實施湖北省找礦突破的重要項目，也是地質(zhì)鉆探在大巴山區(qū)艱苦條件下克難攻堅，艱苦奮斗，成功實現(xiàn)深部找礦成果的重要篇章。宜昌磷礦北部整裝勘查區(qū)位于湖北省興山縣、保康縣、遠安縣及夷陵區(qū)交界處，面積435.71 km2?？辈閰^(qū)距興山縣城40 km，距宜昌市火車站及長江水運碼頭約170 km，交通較為方便。整裝勘查項目的鉆探施工自2013年3月開始，截止2016年10月，共完成鉆孔63個，鉆孔深度800～1400 m，終孔直徑75 mm，鉆探工作量65930 m，平均臺月效率490 m。本文就宜昌磷礦北部地層情況進行了系統(tǒng)性描述，對鉆探施工中采取的主要技術(shù)方法進行了總結(jié)，針對本項目中震旦系燈影組硬、脆、碎復雜地層和堅硬“打滑”地層的鉆進難度和特點，制定了鉆進技術(shù)對策，對寒武系牛蹄塘組—石牌組水敏地層造成的孔內(nèi)事故問題，有針對性地提出了解決方法。

1 自然地理條件

整裝勘查工作區(qū)處于黃陵斷穹北翼及北東翼，西部與神農(nóng)架斷穹接壤，屬中山地貌類型，總體呈西高東低，地形陡峻，溝谷深切，地形坡度一般在30°～40°，僅北東部略為平緩。區(qū)內(nèi)海拔最高點為北西角的王家大坪，標高1834 m，最低點為北東角的黃龍溝，標高440 m，相對高差最大達1394 m，一般在300～600 m。工作區(qū)內(nèi)山高坡陡，林木茂密，作業(yè)面無法正常開展，鉆探施工的設備物資只能采用人工和溜索搬運，工作條件十分艱苦。

2 地層特點

工作區(qū)內(nèi)主要出露志留系、奧陶系、寒武系、震旦系地層。主要工業(yè)礦層(Ph13、Ph22)賦存于震旦系下統(tǒng)陡山沱組，由頁巖條帶狀磷塊巖及白云巖條帶狀磷巖、致密條帶狀磷塊巖、白云巖條帶狀磷塊巖組成。區(qū)內(nèi)地層情況如下。

2.1 志留系

主要出露為龍馬溪組(O3S1l)以黑色頁巖為主，厚度198.58 m，其中泥質(zhì)頁巖部分水敏性強，易產(chǎn)生縮徑、卡鉆情況，孔壁易坍塌，可鉆性級別3～4級，但該層位在本勘查區(qū)內(nèi)大部分缺失。

2.2 奧陶系

主要以灰?guī)r為主，常含燧石結(jié)核和透鏡體，下部為中—厚層白云巖，厚度100～350 m，該層位溶洞和裂隙發(fā)育，漏失情況嚴重，巖石可鉆性級別4～5級，在本勘查區(qū)內(nèi)部分地區(qū)缺失。

2.3 寒武系

為本勘查區(qū)主要工作地層，分為覃家廟組、石龍洞組、天河板組、牛蹄塘組及石牌組，主要巖性為砂質(zhì)白云巖、粉晶云巖、云質(zhì)灰?guī)r夾薄層頁片狀鈣質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖及細砂巖，厚度250～650 m，可鉆性級別3～5級，該層上部巖石較為完整，覃家廟組泥質(zhì)云巖和泥質(zhì)灰?guī)r為不穩(wěn)定層位，下部牛蹄塘組及石牌組與下伏震旦系呈平行不整合接觸，以黑色炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r透鏡體及灰黑色泥晶砂礫屑磷塊巖為主，較為軟弱、松散，是造成孔內(nèi)坍塌、水敏卡鉆的主要原因。

2.4 震旦系上統(tǒng)燈影組

該層為本勘查區(qū)主要工作地層，分為上部白馬沱段,中部石板灘段和下部蛤蟆井段。

白馬沱段，以灰白色—淺灰色中厚—厚層狀粉、細晶云巖和亮晶云巖為主，夾燧石條帶或硅質(zhì)團塊，燧石條帶層分為白色和黑灰色，厚度3～50 m不等，可鉆性級別7～9級，為堅硬“打滑”地層。

石板灘段，以灰—深灰色中厚層狀泥、粉晶云巖為主，小溶孔特別發(fā)育，以具皮殼狀構(gòu)造為特點，底部溶洞發(fā)育，厚度100～200 m不等，全層段漏失，可鉆性級別3～4級，為硬、脆、碎地層，取心難度大。

蛤蟆井段，以灰白—白色巨厚層狀粉、細晶云巖為主，巖性均勻完整，可鉆性級別4～6級。

2.5 震旦系下統(tǒng)陡山沱組

為磷礦主要賦存地層，以深灰色中厚層粉晶云巖、淺灰色中厚層狀粉晶云巖、泥質(zhì)云巖、磷塊巖和灰黑色含鉀頁巖為主，厚度150～250 m，巖性完整，可鉆性4級。

3 主要鉆探技術(shù)

礦區(qū)最高開動鉆機12臺，以XY-5型和XY-6型液壓立軸式鉆機為主，BW250型泥漿泵，17、24 m四角管塔，采用金剛石繩索取心鉆進，無固相沖洗液。

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)選擇

由于鉆孔深度超過1000 m，屬于深孔鉆進，因此在鉆孔結(jié)構(gòu)選擇上必須充分考慮可能發(fā)生的孔內(nèi)情況，留有余地，做到“富裕無患”。以ZK3214孔為例(鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1)，上覆地層以?130 mm鉆頭開孔，下入?122 mm套管，下入深度10 m，保證了鉆孔上部的安全。?110 mm鉆進至50 m作為預留過渡孔段，為孔內(nèi)事故處理留出余地?？咨?30 m以淺為寒武系覃家廟組泥質(zhì)云巖和泥質(zhì)灰?guī)r，該層位總體穩(wěn)定，但在裂隙和斷層部位極易產(chǎn)生垮孔和掉塊，因此在結(jié)構(gòu)設計上列為不穩(wěn)定地層，采用?95 mm繩索取心快速穿過，下入?89 mm套管進行護壁，為后續(xù)?75 mm繩索取心鉆進至終孔提供了保障。

圖1 ZK3214孔鉆孔結(jié)構(gòu)

3.2 鉆頭選型

本礦區(qū)針對金剛石鉆頭在不同層段的鉆進特點和適用性，結(jié)合多個鉆孔綜合試驗，總結(jié)出了適宜該礦區(qū)深孔鉆進的鉆頭選擇方法，按照泥質(zhì)灰?guī)r、白馬沱段的硅質(zhì)條帶、完整云巖和石板灘段的硬、脆、碎地層分別進行選擇，相關(guān)技術(shù)參數(shù)選擇見表1。

表1 宜昌磷礦北部整裝勘查區(qū)金剛石鉆頭選擇

3.3 鉆進技術(shù)參數(shù)

本礦區(qū)鉆進技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 鉆進技術(shù)參數(shù)推薦

3.4 液動沖擊器鉆進技術(shù)應用

礦區(qū)在4個鉆孔中采用了液動沖擊器鉆進，鉆進效果明顯。試驗中選用中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的SYYDC75型繩索取心液動沖擊器，主要技術(shù)參數(shù)：沖擊錘行程15～25 mm，自由行程5～8 mm，工作泵壓0.5～2.0 MPa，沖擊頻率25～40 Hz，沖擊功10～50 J，配備無固相聚丙烯酰胺沖洗液。

在震旦系燈影組白馬沱段上中部的破碎地層及堅硬致密的“打滑”地層中鉆進，鉆探生產(chǎn)效率明顯提高，完成的鉆孔質(zhì)量好，巖礦心采取率滿足設計要求，實現(xiàn)了高質(zhì)、高效的鉆探生產(chǎn)，同時材料成本也比傳統(tǒng)繩索取心工藝降低了10%～20%，臺月效率提高了30%左右。其中在堅硬“打滑”的硅質(zhì)條帶互層中鉆進效率提高了1.5～2.5倍；在硬、脆、碎等復雜情況交替存在的地層中鉆速提高了2～3倍，巖心采取率提高了11%左右。

施工現(xiàn)場對于繩索取心液動沖擊器鉆進與傳統(tǒng)繩索取心鉆進技術(shù)施工效果進行了對比驗證，鉆進地層為寒武系石牌組粉晶質(zhì)云巖，指標對比詳見表3。

表3 繩索取心液動沖擊器與傳統(tǒng)繩索取心鉆進效果對比

應用實踐證明，繩索取心液動沖擊器適合本礦區(qū)地層復雜、裂隙較多、巖心破碎與地層堅硬互層的特點，能夠達到快速穿過，減少孔壁水化時間，防止孔內(nèi)事故發(fā)生，提高鉆進效率和巖礦心采取率的目的。

4 震旦系燈影組復雜地層鉆進技術(shù)

礦區(qū)上覆的燈影組復雜地層主要有石板灘段硬、脆、碎地層和白馬沱段堅硬“打滑”地層。

石板灘段地層，由于泥粉晶云巖的水侵、溶蝕、裂隙和風化的作用，鉆進中存在巖礦心采取率低、孔內(nèi)復雜、鉆進效率低、成孔質(zhì)量差、鉆探成本高的問題，屬于典型的硬、脆、碎復雜地層。

白馬沱段地層，是由硅質(zhì)白云巖、硅質(zhì)條帶及燧石條帶等組成的堅硬“打滑”地層，在磷礦賦礦地層及上覆地層中普遍存在，厚度從幾十厘米至數(shù)十米不等，與白云巖間夾互層。在鄂西地區(qū)分布比較廣泛，幾乎遍及大部分地區(qū)。

為克服上述復雜地層給巖心鉆探帶來的困難，必須從鉆頭選擇、取心工藝、鉆進技術(shù)參數(shù)等方面進行試驗和研究。

4.1 硬、脆、碎地層鉆進技術(shù)

4.1.1 鉆進特點

鉆進至硬、脆、碎地層時，一般會出現(xiàn)進尺明顯加快，鉆機負荷減少，在巖性非常脆弱的部分還會產(chǎn)生類似輕微掉鉆的現(xiàn)象，提取巖心后會發(fā)現(xiàn)巖心破碎、巖心采取率不足或者無巖心的情況。

4.1.2 鉆進操作要點

進入本層鉆進時，鉆機操作人員必須高度重視，合理操作，避免巖心采取不足和孔內(nèi)事故的發(fā)生，主要采取以下措施。

(1)開鉆前認真學習鉆孔設計書，對于石板灘段的埋深和厚度情況嚴格掌握，向地質(zhì)人員了解該段地層的溶蝕、風化程度和有關(guān)特點，提前做好孔壁不穩(wěn)或取心不足的準備預案。

(2)控制鉆進參數(shù)，鉆進泵量、轉(zhuǎn)速和鉆壓參數(shù)取下限值，保持鉆探進尺速度均勻。當采用高轉(zhuǎn)速和大鉆壓鉆進時，容易造成巖心被壓碎，孔壁坍塌掉塊，形成“大肚子”等，產(chǎn)生一系列孔內(nèi)事故。

(3)控制回次進尺，合理選用取心鉆具，繩索取心鉆進時，回次進尺不超過1.5 m，當巖心采取率較低時，回次進尺不超過1 m。嚴禁采用金剛石普通單管鉆進。

(4)及時調(diào)整沖洗液性能，為減少漏失和避免塌孔，在沖洗液中添加堵漏材料，如化學堵漏劑或碎木渣、棉絮等，提高沖洗液粘度值至30～45 s。

(5)控制提鉆速度，保持孔口漿液回灌，在提鉆中為避免取心鉆具對孔壁的抽吸和液柱對鉆孔壓力的均衡，應用低檔位勻速提鉆，同時向孔內(nèi)回灌沖洗液。

(6)爭取快速鉆穿該層段，對于鉆進中產(chǎn)生影響正常鉆進的孔壁坍塌、掉塊情況，及時采取水泥封孔或套管護壁等方法。

4.1.3 底噴鉆頭、鋼絲卡簧取心技術(shù)

提高復雜地層巖心采取率，滿足地質(zhì)要求，是復雜地層鉆進中需要解決的重要問題。我隊在鄂西地區(qū)大量的生產(chǎn)實踐中證明，采用底噴鉆頭+鋼絲卡簧+繩索取心的取心鉆具結(jié)構(gòu)，能夠適應燈影組石板灘段地層中溶蝕和風化程度嚴重、巖心采取率嚴重不足的層位，比普通金剛石鉆頭的鉆進效率明顯提高，巖礦心損耗小，采取率高，能夠滿足地質(zhì)要求。本項目在復雜地層處理中也是采用這種方法。

采用底噴鉆頭和鋼絲卡簧鉆進時，要求控制小的鉆進壓力、低轉(zhuǎn)速，小泵量，勻速鉆進，回次取心長度不宜超過1.5 m。

鋼絲卡簧取心器的設計制作要求適應碎、脆巖性特點，取心器主體用45號鋼加工，現(xiàn)場手工穿入鋼絲，能方便地調(diào)節(jié)鋼絲的疏密和剛度，并與繩索取心鉆具相匹配，在使用前還應進行孔口測試，以確保巖心能夠順暢地進入，如圖2所示。

圖2 鋼絲卡簧鉆具

4.2 堅硬“打滑”地層鉆進技術(shù)

針對白馬沱段燧石條帶和硅質(zhì)團塊的堅硬“打滑”地層，主要從金剛石鉆頭選型、鉆頭修磨出刃、鉆進工藝參數(shù)幾個方面開展了研究和試驗，取得了較好的效果，進尺速度由0.2 m/h，提高到0.5～1.5 m/h。

4.2.1 鉆頭參數(shù)選擇

根據(jù)堅硬“打滑”巖層的特點，合理設計鉆頭參數(shù)，解決鉆進過程中有良好的金剛石出刃、保持較大的金剛石切削壓力，避免空磨和打滑現(xiàn)象。我隊通過近年大量的現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，總結(jié)出適宜于宜昌磷礦堅硬“打滑”地層的鉆頭選型和主要技術(shù)參數(shù)。

(1)宜選用高品級、中等偏細粒度人造金剛石制作鉆頭，金剛石濃度75%～100%。

(2)根據(jù)鉆進地層的巖性特點確定鉆頭胎體硬度，堅硬致密、弱研磨性巖層選用的胎體硬度為HRC15～20，堅硬但較破碎的巖層選用的胎體硬度為HRC20～25。HRC10以下的鉆頭使用壽命短，現(xiàn)場并不適用。

(3)齒輪型鉆頭唇面隨時間推移與孔底接觸面積變化較小，相對于其它唇面的鉆頭后勁足，比較持久穩(wěn)定，同時可以有效增加切削梯次，提高壓力脈沖頻率，是克服堅硬“打滑”巖層較為理想的選擇。

(4)鉆頭水口宜選用扇形水口，扇形水口和直水口對比一是底唇工作面積小，可施加的鉆壓大，二是鉆頭內(nèi)外唇面的長度相同，內(nèi)外均衡磨損，三是排粉和冷卻效果要好。水口數(shù)量選擇為8個，水口面積占比>50%。

4.2.2 鉆頭的修磨

金剛石鉆頭人工出露主要采取孔外人工修磨和孔內(nèi)磨料修磨兩類方法。

4.2.2.1 孔外人工修磨

現(xiàn)場利用砂輪機人工打磨鉆頭工作唇面，人工使金剛石出露，一般每回次可以鉆進20 cm以內(nèi)效果明顯。

人工修磨鉆頭需要注意：(1)順鉆頭回轉(zhuǎn)方向打磨，確保切削出刃方向與研磨切削方向一致；(2)要準確把握打磨的“度”，金剛石不能磨“老”，也不能磨平。

人工打磨法是人為磨損鉆頭胎體，使金剛石出露，縮短了鉆頭的壽命，需要頻繁提鉆，輔助工作時間長，經(jīng)濟效益差。

4.2.2.2 孔內(nèi)修磨

孔內(nèi)磨料修磨就是在鉆進進尺緩慢時，通過鉆桿向鉆孔內(nèi)投入細小的磨料，使鉆頭胎體磨損,金剛石出露。

堅硬石料如含硅質(zhì)的砂巖或硅質(zhì)條帶白云巖，燧石條帶、石英巖塊等砸碎成1～2 cm大小的顆粒、玻璃碎片均可作為孔底磨料，一次投入量1～1.5 kg。

孔底投砂修磨鉆頭對操作者的技能經(jīng)驗要求較高，要從投砂量、鉆頭壓力、轉(zhuǎn)速、研磨時間等幾個方面考慮。

孔內(nèi)修磨鉆頭可以做到不頻繁地提鉆，輔助時間不多。較好地解決了金剛石鉆頭在堅硬巖層打滑不進尺的問題，大幅提高鉆進效率，時效可達到0.5 m以上。

4.2.3 鉆進工藝參數(shù)控制

“打滑”地層巖石堅硬致密，必須有大比壓才能切入并將其破碎；巖石中石英含量高，不同于完全脆性巖石，其破碎發(fā)育需要時間過程，因此不能采用太高的轉(zhuǎn)速；鉆進這類巖石的時效低，巖粉量小，無須采用大泵量，宜采用大鉆壓、中等轉(zhuǎn)速、小泵量的參數(shù)比較適合堅硬致密弱研磨性巖層的鉆進。本礦區(qū)的推薦鉆進參數(shù)指標為：鉆壓9～13 kN，回轉(zhuǎn)線速度1.5～3.0 m/s，泵量15～25 L/min。

5 沖洗液的配制及水敏地層解決方法

針對本地區(qū)鉆探過程中對沖洗液性能的需要，選擇了無固相沖洗液。主要作用在于提高沖洗液的粘度、加強鉆孔內(nèi)巖粉的絮凝作用，使巖粉快速有效地排出孔內(nèi)；增加沖洗液的潤滑性，降低孔壁的摩擦力，從而保持高速的旋轉(zhuǎn)鉆進；在孔壁形成有效的泥皮，降低孔內(nèi)沖洗液的失水量，從而維持孔壁穩(wěn)定，保持孔內(nèi)的壓力平衡。主要沖洗液選擇為聚丙烯酰胺(1200萬分子量)、腐植酸鉀、磺化瀝青、高效潤滑劑以及植物膠。

5.1 正常鉆進沖洗液的配置

在正常鉆進過程中，孔壁完整，孔內(nèi)壓力穩(wěn)定，沖洗液作用主要體現(xiàn)在提高沖洗液的絮凝作用、攜帶巖粉的能力和增強孔內(nèi)的潤滑性，使得孔內(nèi)清潔，保持有效快速的鉆進狀態(tài)。

沖洗液配置方法為：500 ppm聚丙烯酰胺+0.5%腐植酸鉀+1%高效潤滑劑；沖洗液密度1.01 g/cm3，粘度19～22 s，失水量≤15 mL/30 min。

5.2 牛蹄塘組及石牌組水敏地層沖洗液的選擇

本礦區(qū)寒武系下部牛蹄塘組及石牌組與下伏震旦系的黑色炭質(zhì)頁巖為軟弱松散水敏地層，是造成孔內(nèi)坍塌、縮徑的主要層位，該層段厚度為10～20 m，分布深度根據(jù)山勢地形變化較大，一般在350～550 m。在礦區(qū)初期的鉆探工作中，孔內(nèi)事故多發(fā)生在該層段，主要是鉆桿折斷、埋鉆、卡鉆事故，由于鉆孔較深，事故處理難度也相對較大。因此，研究合理的護壁措施是確保鉆孔成功的關(guān)鍵。

通過室內(nèi)配置浸泡巖樣和現(xiàn)場鉆進試驗的方法，在正常鉆進沖洗液配置的基礎上，進行配方調(diào)整和性能測試。針對水敏地層的特點，在沖洗液配置中增加了沖洗液的粘度、密度，降低沖洗液的滲透能力。為抑制炭質(zhì)頁巖的水敏膨脹性，經(jīng)過試驗在配置中加入腐植酸鉀可以起到較好的抑制作用，加入磺化瀝青和植物膠，降低了失水量，增加了孔壁的潤滑性，同時在孔壁形成隔水泥皮，增加孔壁的巖石穩(wěn)定性，從而維持孔內(nèi)的壓力平衡。調(diào)整后的沖洗液性能抑制水敏效果明顯，保證了鉆孔施工的順利進行。

水敏地層沖洗液配置方法為:1000 ppm聚丙烯酰胺+1%的腐植酸鉀+1%磺化瀝青+1%植物膠；沖洗液密度1.03 g/cm3，粘度26～30 s，失水量≤9 mL/30 min。

6 結(jié)語

宜昌磷礦北部整裝勘查項目的實施總結(jié)了在鄂西地區(qū)奧陶系、寒武系、震旦系地層中的地質(zhì)鉆探施工技術(shù)，解決了燈影組硬、脆、碎地層和堅硬“打滑”地層的鉆進技術(shù)難題，提出了正常鉆進沖洗液的選用和寒武系牛蹄塘組水敏地層的沖洗液配置方案，為實施鄂西地區(qū)深部找礦鉆探工作提供了很好的實踐和經(jīng)驗。但在項目的鉆探過程中也存在沖洗液漏失嚴重、成本增加的問題，今后應該在鉆孔護壁堵漏與降低鉆探成本方面開展更深入的試驗和研究工作。

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Complex Formation Drilling Technology for Deep Hole of Integrated Exploration in Northern Yichang Phosphate Rock/

ZHANGSuo-bang,TANJian-guo,WANGAi-jun,YEHui-bing,LIXiao-wen,ZHENGXin-hua,ZHOUPeng-fei

(Seventh Geological Team of Hubei Geological Bureau, Yichang Hubei 443100, China)

The integrated exploration engineering in northern Yichang phosphate is a large scale phosphate rock resources exploration project of Hubei Province. Due to the complex formation, heavy workload, difficult construction conditions and 1400m borehole depth, there are higher requirements for drilling construction organizing. In this paper, the geological drilling work of this project is briefly summarized with the analysis on the drilling technology and its application effects in Cambrian and Sinian strata.

drilling technology; complex formation; deep hole; Yichang phosphate rock

2017-01-19；

2017-03-16

張所邦，男，漢族，1966年生，副隊長，高級工程師，探礦工程專業(yè)，長期從事地質(zhì)鉆探技術(shù)研究和管理工作，湖北省宜昌市夷陵區(qū)夷興大道35號，570208054@qq.com。

P634

A

1672-7428(2017)04-0023-05