王正浩

(河南省煤田地質(zhì)局一隊， 河南 新鄭 451150)

吉爾吉斯斯坦卡瓦依金礦鉆探施工工藝實踐

王正浩

(河南省煤田地質(zhì)局一隊， 河南 新鄭 451150)

卡瓦依金礦普查區(qū)在區(qū)域上屬于阿拉伊構(gòu)造建造地帶，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，西瓦力至卡拉—稍拉的復(fù)式背斜為區(qū)內(nèi)主要褶皺。該褶皺又被一系列北東向和北西向、近東西向斷層切割，致使地層呈現(xiàn)出鱗片狀和條帶狀的斷塊組合。由于設(shè)計鉆孔均為75°斜孔，全孔漏水，且布置在陡峭的高山上致使進(jìn)場安裝和材料供應(yīng)困難，鉆探施工難度較大。為解決這一系列施工難題，首先采用絞車和繩索向山上鉆場供應(yīng)鉆探材料；其次加強(qiáng)鉆探施工工藝優(yōu)化和改進(jìn)，研制了階梯底噴式PDC繩索取心鉆頭，與抓簧配合進(jìn)行取心鉆進(jìn)；另外應(yīng)用“HQV刀鋒”鉆具和Φ75mm射流式繩索取心鉆具+液動錘取心器等工藝。這些措施從根本上解決了這些技術(shù)難題，實現(xiàn)了全孔巖心采取率平均達(dá)到75%以上，金礦層采取率達(dá)到85%以上，一次成孔率100%，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

金礦鉆探；巖石破碎；鉆孔漏失；鉆頭改制；繩索取心； 卡瓦依金礦

吉爾吉斯斯坦巴特肯州卡達(dá)姆扎依區(qū)卡瓦依金礦普查區(qū)總面積為32km2，設(shè)計4個鉆孔，鉆探工作量為900m。為了順利完成鉆探施工任務(wù)，鉆探工程技術(shù)人員在該項目鉆探施工中現(xiàn)場分析研究存在的問題，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，解決了鉆探施工技術(shù)難題。本文針對吉國卡瓦依金礦鉆探施工工藝進(jìn)行了總結(jié)，旨在為施工類似項目提供借鑒。

1 地質(zhì)條件及鉆探質(zhì)量要求

1.1 地質(zhì)條件

吉國卡瓦依金礦位于吉爾吉斯斯坦的西南部邊緣。鉆遇地層主要為志留系中統(tǒng)—泥盆系中統(tǒng)塔馬西巖系(S2-D2tm)的灰白色、灰綠色薄層狀硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖以及石炭系下-中統(tǒng)布達(dá)尼斯巖系(C1-2bd)的泥質(zhì)粉砂巖、淺灰色泥巖，局部夾中厚層狀灰?guī)r，另有少量矽卡巖、細(xì)粗粒閃長巖、花崗閃長巖，巖石破碎，巖石可鉆性5～6級。

普查區(qū)在區(qū)域上屬于阿拉伊構(gòu)造建造地帶，南部以阿克蘇-金德克區(qū)域斷層為界。區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，主要以近EW向和NE—SW向為主，NW—SE向次之。其中NE—SW向斷裂帶為主要的控礦斷層，縱貫普查區(qū)中東部，延伸較長，寬度較大，顯壓扭性特征，導(dǎo)致整個礦區(qū)地層破碎，影響鉆探施工(圖1)。

礦區(qū)內(nèi)主褶皺為西瓦力至卡拉—稍拉的復(fù)式背斜，呈SW—NE向延伸，在西瓦力地區(qū)因扭曲錯斷而呈近東西向延伸，寬約200m，長約1 000m。核部出露S2-D2tm巖系的硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖，兩翼為泥盆系和石炭系，總體走向NE—SW，南翼傾向SE，北翼傾向NW，傾角40°～80°。北翼多被第四系覆蓋，出露較少，平面上呈不對稱的形態(tài)。由于后期北東、南西向的擠壓、錯斷作用，該褶皺又被一系列北東向和北西向、近東西向斷層切割致使地層呈現(xiàn)出鱗片狀和條帶狀的斷塊組合，給鉆探施工帶來了困難。

1.2 鉆探質(zhì)量要求

在普查設(shè)計中勘查目標(biāo)主要是破碎帶蝕變巖型金礦，通過鉆探施工進(jìn)行追索及深部驗證，查明金礦體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀、賦存部位及變化規(guī)律。礦區(qū)目的層分為卡拉稍拉及西瓦力兩個礦段，西瓦力礦段灰?guī)r整體破碎，全孔漏水嚴(yán)重；卡拉稍拉礦段多發(fā)育硅質(zhì)巖，灰?guī)r、碎裂巖，部分層段漏水嚴(yán)重，鉆孔孔壁不穩(wěn)定。該礦區(qū)卡拉稍拉礦段ZK0001鉆孔巖心圖片如圖2所示。

全孔巖心采取率不小于70%，礦層及其頂?shù)装?m范圍內(nèi)巖礦心采取率不低于80%，取樣間隔長度為1～1.5m；斜孔施工中每100m頂角偏斜不應(yīng)超過3°；測量間距按每鉆進(jìn)20m及終孔各測量一次頂角和方位角，見礦點和厚度大于30m的礦體的出礦點均應(yīng)測定鉆孔彎曲度；每鉆進(jìn)100m，進(jìn)出礦層時，終孔及其它需要測定部位必須進(jìn)行孔深校正一次?？咨钫`差率<1‰；設(shè)計鉆孔開孔頂角為75°，方位角330°。

圖2 ZK0001鉆孔巖心圖片F(xiàn)igure 2 Core photos from borehole ZK0001

2 鉆探施工難點

⑴ 受多期構(gòu)造運(yùn)動影響，斷層裂隙發(fā)育，鉆遇巖石破碎，金礦化的蝕變帶尤為破碎，巖心采取率偏低，很難滿足設(shè)計要求，影響了對地層、礦(化)體的分析研究和樣品的采集；

⑵ 全孔漏水，設(shè)計鉆孔均為75°斜孔，孔壁坍塌、掉塊嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆孔卡、埋鉆事故頻發(fā)，鉆探施工進(jìn)度緩慢；

⑶ 鉆孔位置在高原陡峭高山上，并且受該國環(huán)境保護(hù)法律限制，不能大面積的碾壓植被，修筑上山施工道路，造成設(shè)備和材料運(yùn)送困難。

3 鉆探施工工藝

3.1 主要設(shè)備選擇

礦區(qū)設(shè)計鉆孔均為750斜孔，鉆孔深度均不超過300m，由于該施工區(qū)地形陡峭，現(xiàn)場山下存放從國內(nèi)運(yùn)來的2臺YDX-1800A型履帶式全液壓巖心鉆機(jī)不能行進(jìn)到所有的孔位。為了便于鉆探設(shè)備搬運(yùn)，選用鉆機(jī)要求解體性好、安裝拆卸方便，滿足金礦鉆探施工技術(shù)參數(shù)要求。依據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇了HXY-2T型塔機(jī)一體化液壓巖心鉆機(jī)，其鉆塔、鉆機(jī)優(yōu)化配置，實現(xiàn)鉆探設(shè)備的輕便化、小型化和標(biāo)準(zhǔn)化。選擇主要鉆探設(shè)備見1表所示。

表1 主要鉆探設(shè)備Table 1 main drilling equipments

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

礦區(qū)鉆孔多為三級結(jié)構(gòu)，上部松散覆蓋層先采用Φ96mm繩索取心鉆頭鉆進(jìn)后，再使用Φ122mm鉆頭擴(kuò)孔，下入Φ114mm套管作為護(hù)壁導(dǎo)向管；第二級孔徑為Φ96mm，地層較為破碎孔壁不穩(wěn)定，可采用Φ91mm套管護(hù)壁；下部孔段采取Φ77mm鉆頭鉆進(jìn)至目的層位(圖3)。

圖3 ZK0001孔鉆孔結(jié)構(gòu)Figure 3 Borehole ZK0001 configurations

3.3 鉆進(jìn)方法

根據(jù)該礦區(qū)巖石破碎的特點，常規(guī)繩索鉆進(jìn)巖心采取率僅為30%～40%，達(dá)不到巖礦心采樣技術(shù)要求，并且破碎巖心易堵塞鉆頭，影響回次進(jìn)尺長度，鉆進(jìn)效率低。為確保鉆探施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，上部覆蓋層先采用薄壁、深孔、高效“HQV刀鋒”金剛石繩索取心鉆進(jìn)后，使用Φ122mm鉆頭擴(kuò)孔，再下入Φ114mm套管，中部破碎巖層孔段繼續(xù)使用Φ96mmHQV繩索取心鉆進(jìn)至相對穩(wěn)定地層2～3m。

以礦區(qū)ZK0001鉆孔為例，中部孔段地層特別破碎，剛開始巖心采取率僅為30%左右，使用常規(guī)低固相鉆井液維護(hù)孔壁，鉆孔出現(xiàn)坍塌、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，不能正常鉆進(jìn)，后來采取再下入Φ91mm套管進(jìn)行護(hù)壁，避免了破碎地層的坍塌、漏水，避免了鉆孔事故的發(fā)生。

下部孔段采用Φ75mm射流式繩索取心鉆具+液動錘取心器取心鉆進(jìn)。由于該取心器上部增加了液動錘，不但提高了鉆效，減少回次鉆進(jìn)時間，并利用沖擊震動力消除破碎巖心堵塞，使巖心更易進(jìn)入內(nèi)管。該取心器的內(nèi)管是采用鎢合金鍍層管，倒取巖心順利，內(nèi)涂層光滑耐磨，減少了巖心卡堵現(xiàn)象，同時也延長了巖心管使用壽命，巖心采取率平均達(dá)到75%左右，滿足了技術(shù)要求。

3.4 鉆頭選擇

由于礦區(qū)巖石較為破碎，剛開始使用常規(guī)Φ75mm孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)效率和巖心采取率均偏低，不能滿足金礦對巖心采取率的要求。為了解決該技術(shù)難題，現(xiàn)場鉆探工程技術(shù)人員研制、改進(jìn)了適巖取心鉆頭，采用階梯底噴式PDC鉆頭取心，從而解決了破碎地層鉆進(jìn)取心難題。改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)圖4所示。

圖4 階梯底噴式PDC鉆頭Figure 4 Stepped bottom jet PDC bit

改進(jìn)鉆頭具有以下特點:

①鉆頭保護(hù)巖心不被鉆井液直接沖蝕，巖心采取率明顯提高，滿足了鉆探質(zhì)量要求。

②鉆頭的底端階梯為超前鉆進(jìn)。以前的孕鑲金剛石研磨破碎巖石鉆進(jìn)速度較為緩慢，改進(jìn)為復(fù)合片超前切削破碎巖石后，改變了鉆頭克取巖石的方式，提高鉆進(jìn)速度1～2倍。

③由于復(fù)合片鉆頭比孕鑲金剛石鉆頭硬度大、耐磨損，延長了鉆頭的使用壽命，采用常規(guī)的孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)燧石灰?guī)r壽命僅為5～9m,使用改進(jìn)后的鉆頭壽命為20～30m,鉆頭壽命延長了2～3倍；

④通過加大鉆頭的外徑，增大了鉆具的環(huán)狀間隙，減少了泥漿泵壓力，防止過高的泵壓加劇破碎地層鉆井液漏失量，并造成孔壁不穩(wěn)定；

⑤使用改進(jìn)鉆頭不僅提高了鉆進(jìn)效率，還降低了鉆探施工成本6%。

3.5 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗，不同地層和不同鉆進(jìn)方法的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3.6 鉆井液護(hù)壁堵漏

針對該礦區(qū)的破碎地層，選用膠結(jié)性護(hù)壁堵漏材料，可建立鉆井液循環(huán)，維護(hù)孔壁穩(wěn)定，提高鉆進(jìn)效率和施工安全性，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，優(yōu)選鉆井液材料解決泥漿護(hù)壁技術(shù)難題。為提高鉆井液的黏度、切力和膠結(jié)性，降低失水量，選用基礎(chǔ)造漿材料――低黏增效粉(LBM-1)；為保護(hù)巖礦心，提高采取率，強(qiáng)化松散破碎地層孔壁穩(wěn)定，選用成膜抑制劑(GCMJ)，保護(hù)巖礦心不被鉆井液沖蝕，避免機(jī)械磨損；為了增加鉆井液的潤滑性，封堵巖石裂隙，防止鉆孔坍塌，使用改性瀝青(GLA)有助于降低孔壁對鉆具的摩擦阻力；選用隨鉆堵漏劑(GPC)解決鉆進(jìn)過程中鉆井液的漏失問題，充填裂縫，提高地層承壓能力；選用增黏劑(CMC-HV)來提高鉆井液黏度，并相應(yīng)地提高鉆井液懸浮力；使用降失水劑(GPNA)降低鉆井液的失水量，防止鉆孔坍塌掉塊，增加鉆孔穩(wěn)定性；采用防塌潤滑劑(GFT)，保護(hù)鉆具，防止鉆孔坍塌(表3)。

4 施工中出現(xiàn)的問題及應(yīng)對措施

4.1 巖心采取率的提高

開鉆后，使用常規(guī)Φ75mm孕鑲金剛石鉆頭繩索鉆進(jìn)取心，出現(xiàn)巖心采取率偏低，達(dá)不到鉆探質(zhì)量要求。為了解決這一問題，首先將鉆頭由金剛石研磨破碎改變?yōu)镻DC切削破碎巖石的結(jié)構(gòu)形式， 并將卡心使用的卡簧改換成抓簧式卡簧，減少在鉆進(jìn)過程中普通卡簧對巖心的機(jī)械磨損，提鉆時利用抓簧的全面收攏防止破碎巖心脫落。其次，更換鉆具，使用Φ96mm“HQV刀鋒”粗徑繩索取心鉆具，由于其外徑一致，利于鉆進(jìn)破碎復(fù)雜地層，遇到出現(xiàn)掉塊、坍塌造成的卡鉆事故，易于處理； 采用薄壁鉆頭，鉆頭工作面薄，巖心直徑粗，可減少破碎巖心的擾動，巖心抗擾動破碎性強(qiáng)；采用大一級粗徑鉆具鉆進(jìn)，能夠使破碎復(fù)雜地層備用一級Φ75mm繩索取心鉆進(jìn)，確保鉆孔順利安全達(dá)到終孔目的層位。

表2 不同地層鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)Table 2 Different strata drilling technical parameters

表3 不同地層鉆井液配方及性能指標(biāo)Table 3 Different strata drilling fluid formulation and performance indices

4.2 鉆孔漏失的預(yù)防和治理

采用隨鉆堵漏劑(GPC)解決鉆進(jìn)過程中鉆井液漏失問題，快速充填裂縫，避免大量鉆井液進(jìn)入到破碎地層之中。在鉆井液中加入優(yōu)質(zhì)低黏增效粉(LBM-1)及具有黏接作用的處理劑改性瀝青(GLA)。這些鉆井液處理劑在鉆孔內(nèi)液柱壓力的作用下進(jìn)入到地層之中，堆積在破碎巖塊縫隙間，提高了破碎巖塊之間的膠結(jié)力，對預(yù)防和治理鉆孔漏失起到了較好的作用。

4.3 現(xiàn)場材料供應(yīng)

剛開始施工時，由于鉆探設(shè)備和材料不能安全、快速運(yùn)送至鉆場，影響了鉆探施工計劃正常進(jìn)行。經(jīng)過實地查看現(xiàn)場地形，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，利用山上有利地形，在靠近鉆場的就近位置與山下設(shè)備和材料存放地點分別埋設(shè)固定地錨繩索和導(dǎo)向滑輪，利用現(xiàn)場繩索絞車牽引拖拽設(shè)備和材料的方式，把鉆機(jī)解體部件固定在繩索上，開動繩索絞車進(jìn)行反復(fù)牽引至施工鉆場位置，解決了現(xiàn)場材料供應(yīng)難題。

5 施工效果

從2016年8月進(jìn)入施工現(xiàn)場， 2016年10月5日開鉆。由于施工區(qū)地勢陡峭，危險重重，采取白天施工、夜晚休息的作業(yè)方式進(jìn)行施工。每天施工人員往返一次，減去來回爬山、起下鉆等輔助時間，實際鉆進(jìn)時間只有4～5h。至2017年1月16日完成4個鉆孔，完成鉆孔情況詳見表4所示。

表4 完成鉆孔情況Table 4 Data sheet of borehole completions

從表3可以看出，全孔巖心采取率平均達(dá)到75%以上，金礦層采取率達(dá)到85%以上，一次成孔率100%，其中良好鉆孔3個。

6 結(jié)語

⑴ 在金礦鉆探施工過程中，通過加強(qiáng)鉆探施工工藝優(yōu)化和改進(jìn)，采用有效、合理的技術(shù)措施，針對松散破碎地層巖心采取率低、鉆孔漏失、鉆場供應(yīng)材料等施工難題，分別從鉆探施工工藝不同方面加以分析、解決，提高了巖心采取率和鉆探效率，有效降低了鉆孔事故率，保障了鉆探安全順利施工。

⑵應(yīng)用 “HQV刀鋒”鉆具和Φ75mm射流式繩索取心鉆具+液動錘取心器等鉆探工藝，拓展了國外金礦鉆探施工技術(shù)范圍，不僅增強(qiáng)了施工隊伍走出國門的技術(shù)能力和市場競爭力，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，還引起國外專家到現(xiàn)場進(jìn)行考察學(xué)習(xí)，受到國外專家的稱贊。

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Drilling Operation Technological Practice in Kavay Gold Ore, Kyrgyzstan

Wang Zhenghao

(The First Exploration Team, Henan Bureau of Coal Geological Exploration, Xinzheng, Henan 451150)

The Kavay gold ore prospecting area is regionally belonged to the Alay tectonic formation zone. Faulted structures are well developed in the area; the anticlinorium from the Shivaly to Kara-Shola is the main fold in the area. The fold is cut by a series of NE, NW and near EW faults, made strata present as a scale-like and banded fault block assemblage. Plus the designed boreholes are all 75o inclined on steep hill and drilling fluid loss, thus have caused operation difficulties including equipment entrance, installation and material supplies. To solve the series of problems, firstly using winches and ropes transport drilling material to site on hill, and then strengthen the drilling technology optimization and improvement. Thus developed the stepped bottom jet PDC wire line coring bit and assistant with catch spring, then applied the “HQV blade” drill tools and Φ75mm jet-type wire line coring tool plus hydro-hammer corer etc., in this way have fundamentally solved all the issues. Finally, we have realized average total core recovery above 75%, gold ore bed core recovery above 85%, one spudding in completion rate 100% and obtained better economic effect and social effect.

gold ore drilling; rock fragmentation; drilling fluid loss; bit improvement; wire line coring; Kavay gold ore

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.15

1674-1803(2017)07-0065-05

河南省地質(zhì)勘查基金項目(豫國土資發(fā)[2015]96號)。

王正浩(1965—)，男，漢族，河南新蔡人，鉆探工程師，從事鉆探技術(shù)管理工作。

2017-02-22

責(zé)任編輯：樊小舟

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A