時(shí)志興

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省陜縣寺家溝礦區(qū)是河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局重點(diǎn)項(xiàng)目，布置鉆探工作量28000多米，多為斜孔，但對(duì)礦體的控制程度，未“探邊摸底”，沒(méi)有完全確定礦體的連續(xù)性，而且礦脈較多，對(duì)礦脈的深部驗(yàn)證鉆孔較少，特別是可以兼顧施工多條礦脈的鉆孔。為綜合研究平行礦脈之間的成礦地質(zhì)特征及其相互之間的關(guān)系，摸清其產(chǎn)狀，加強(qiáng)控制，為礦山儲(chǔ)備更多的優(yōu)質(zhì)后備資源，加強(qiáng)深部探礦驗(yàn)證，布置了孔深900 m的ZKS001鉆孔。該孔位于山溝與河溝交叉地帶，巖層破碎，地下水豐富，存在漏水、涌水、縮徑等復(fù)雜地層，且鉆探施工人員盲目追求進(jìn)度，導(dǎo)致多次發(fā)生鉆探事故，延誤工期，造成重大損失。

1 礦區(qū)概況及地層情況

勘查區(qū)位于三門(mén)峽市南，直距約30 km，行政區(qū)劃隸屬于陜州區(qū)張村鎮(zhèn)及店子鄉(xiāng)管轄，屬秦嶺山系之崤山山脈，山勢(shì)陡峻，相對(duì)高差較大，海拔最高1265 m，最低825 m，一般在1000 m左右，比高400 m，屬中低山區(qū)?？傮w地勢(shì)南高北低，山系與溝谷總體為南北向走向。區(qū)內(nèi)野喬河常年有水，水利資源比較豐富，可以滿足未來(lái)礦山生產(chǎn)、生活用水之需求。近礦區(qū)的張村鄉(xiāng)和店子鄉(xiāng)有20萬(wàn)伏高壓輸電線通過(guò)，電力資源充足。

崤山地區(qū)屬典型的變質(zhì)核雜巖構(gòu)造體系，本區(qū)醒目的構(gòu)造形跡為近東西向的崤山短軸隆起，四周構(gòu)成向外傾伏的寬背斜。核部由太華群地層組成，翼部由熊耳群地層組成，地層傾角在30°～60°內(nèi)變化。斷層構(gòu)造發(fā)育，主要為沿不整合面的拆離斷層、近東西向、北西-北北西向及北北東-北東向的次級(jí)斷裂構(gòu)造。

區(qū)內(nèi)地層較單一， 第四系主要為黃土層、砂礫石、亞砂土、殘坡積物及腐殖質(zhì)，分布在溝谷中，厚度不等。太華群地層大面積出露，僅溝谷兩側(cè)分布第四系腐殖質(zhì)、沖洪積物。

太華群地層為一套中深變質(zhì)程度的片麻雜巖，分布全區(qū)，巖性主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、混合花崗巖、斜長(zhǎng)角閃巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、變粒巖及綠泥片巖等。

巖層可鉆性等級(jí)7～10級(jí)[1]，巖石具有較強(qiáng)研磨性；地層中上部堅(jiān)硬破碎，下部較為完整，局部破碎。

2 鉆孔設(shè)計(jì)及質(zhì)量要求

ZKS001孔設(shè)計(jì)孔深900 m，直孔，終孔口徑≥75 mm。巖心分層采取率≥70%。礦層及礦層頂?shù)装? m內(nèi)的巖石采取率≥80%，連續(xù)5 m低于80%時(shí)，應(yīng)查明原因，采取補(bǔ)救措施。每50 m和見(jiàn)礦位置及終孔進(jìn)行彎曲度測(cè)量，準(zhǔn)確記錄其方位角和天頂角，直孔≤2°/100 m，斜孔≤3°/100 m[1-2]。

3 主要施工難點(diǎn)

(1)巖層裂隙發(fā)育、多處孔段漏失、巖心堅(jiān)硬破碎、取心困難，鉆具易磨損，特別是對(duì)金剛石鉆頭內(nèi)口磨損最快，如圖1、圖2所示。

(2)在83.75～335.6 m多層涌水，194 m以淺涌水嚴(yán)重，水可以從孔口冒出，對(duì)沖洗液造成破壞，導(dǎo)致護(hù)壁困難，掉塊嚴(yán)重，引發(fā)事故，如圖3、圖4所示。

圖1 內(nèi)口磨損的金剛石鉆頭Fig.1 Diamond bit with inside wear

圖2 磨損的鉆桿接手Fig.2 Wear of drill pipe adapter

圖3 斷裂的擴(kuò)孔器Fig.3 Broken reaming shell

(3)200～500 m多處有多層構(gòu)造帶，其中3處比較厚，最厚一層達(dá)22.02 m，中間含有綠泥石等水敏性成分，吸水膨脹，造成鉆孔縮徑嚴(yán)重。構(gòu)造帶巖心如圖5所示。

4 鉆探工藝及技術(shù)處理措施

4.1 鉆探設(shè)備

HXY-44T型塔機(jī)一體鉆機(jī)：額定鉆進(jìn)深度700～1400 m，立軸最大扭矩3200 N·m，立軸行程600 mm，立軸最大起拔力120 kN，立軸最大給進(jìn)力90 kN，卷?yè)P(yáng)機(jī)最大提升力45 kN，柴油機(jī)功率50 kW，轉(zhuǎn)速81～958 r/min[1]。

圖4 斷裂的鉆桿接手Fig.4 Broken drill pipe adapter

圖5 構(gòu)造帶巖心Fig.5 Cores from the tectonic belt

BW-250型水泵：缸套直徑65、80 mm兩種，泵量35～250 L/min，泵壓2.5～7.0 MPa。內(nèi)加厚普通?50 mm鉆桿及配套?108 mm鉆具，地標(biāo)S75、S95繩索取心鉆桿及其配套鉆具，木馬自重夾持器，KXP-D(S)數(shù)字羅盤(pán)測(cè)斜儀[1]。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配

由于鉆場(chǎng)比較平坦，硬化后穩(wěn)定，上部覆蓋層很少，所以鉆孔結(jié)構(gòu)采用?113 mm-?94 mm-?75 mm，鉆具級(jí)配為?50 mm-?108 mm-?113 mm[3-4]、?89 mm-?89 mm-?94、71 mm-?73 mm-?75 mm，沒(méi)有預(yù)留口徑。

4.3 鉆探方法及技術(shù)處理措施

上部巖層主要為斜長(zhǎng)角閃巖，嚴(yán)重風(fēng)化，裂隙發(fā)育，硬度不均，非常破碎，可鉆性等級(jí)為6～7[2]，取心困難。采用單管普通金剛石鉆進(jìn)，孕鑲金剛石鉆頭HRC20～25，低轉(zhuǎn)速、低鉆壓、控制回次方法鉆進(jìn)，以保證巖心采取率，2016年11月16日開(kāi)鉆，主要采用清水鉆進(jìn)，加入少量聚丙烯酰胺處理劑，11月19日鉆進(jìn)孔深38.65 m，為防止孔口坍塌下入?108 mm套管38.80 m。

換用S95繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，巖層主要為斜長(zhǎng)角閃巖和混合花崗巖互層，堅(jiān)硬破碎，可鉆性等級(jí)為7～9[1-2]，低轉(zhuǎn)速、適當(dāng)加大鉆壓、主要用清水鉆進(jìn)，加少量聚丙烯酰胺處理劑及0.1%[5-6]高粘度纖維素、控制回次進(jìn)尺，提高巖心采取率。

鉆頭主要采用孕鑲金剛石鉆頭HRC20～25，但在使用過(guò)程中磨損嚴(yán)重，胎體太軟容易磨損，胎體硬度太大進(jìn)尺緩慢，引起鉆頭掉塊，損壞鉆頭。由于巖層硬、脆、碎，鉆桿接手、鉆具、金剛石鉆頭磨損嚴(yán)重，鉆頭鉆進(jìn)效率低，且多次引起鉆桿斷裂事故[7-8]。在鉆進(jìn)過(guò)程中，巖層破碎、漏失水、多處涌水，嚴(yán)重破壞沖洗液，使沖洗液基本喪失護(hù)壁功能，巖層多處有夾層，吸水膨脹，鉆孔縮徑，最終鉆孔嚴(yán)重掉塊坍塌，造成埋鉆事故，經(jīng)多次處理無(wú)效，鉆孔報(bào)廢。

經(jīng)專家研究，一致同意鉆孔向山體方向移動(dòng)15 m，地層應(yīng)該相對(duì)更為完整穩(wěn)定。同時(shí)加強(qiáng)鉆進(jìn)技術(shù)力量，采用穩(wěn)妥方法鉆進(jìn)，謹(jǐn)慎慢打，在25.35 m處下入?108 mm套管，換徑繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單管普通金剛石鉆進(jìn)參數(shù)[1-2]Table 1 Conventional diamond drilling parameterswith single-tube core barrels

但是由于沒(méi)有引起足夠重視，繼續(xù)采用清水加入聚丙烯酰胺處理劑及0.1%高粘度纖維素鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)196.46 m時(shí)，同樣的問(wèn)題又出現(xiàn)了，漏失、掉塊、涌水，鉆孔坍塌，導(dǎo)致埋鉆，后經(jīng)多次處理，鉆桿用公錐打撈上來(lái)，采用磨孔鉆頭磨失鉆具。由于此方法存在很大安全隱患，因此下入?89 mm套管，換用?77 mm繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，但是在遇到夾層鉆孔縮徑后，再也難以繼續(xù)鉆進(jìn)。

根據(jù)地層情況，隨決定采用優(yōu)質(zhì)沖洗液鉆進(jìn)，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，主要鉆進(jìn)參數(shù)參見(jiàn)表2。

表2 繩索取心金剛石鉆進(jìn)參數(shù)[1-2，4]Table 2 Wire line diamond drilling parameters

在鉆孔中上段巖層主要為斜長(zhǎng)角閃巖、混合花崗巖、蝕變帶以及構(gòu)造破碎帶，間夾石英脈，含少量水敏礦物綠泥石，特別是在構(gòu)造破碎帶，為塊狀、泥狀構(gòu)造，巖心破碎，吸水膨脹，風(fēng)化即碎，非常容易造成鉆孔縮徑、坍塌[9-10]，且厚度10～20 m，不易穿過(guò)。

構(gòu)造帶地層主要表現(xiàn)為鉆孔縮徑、易分散、巖屑量大，要求沖洗液失水量小，抑制能力強(qiáng)，對(duì)孔壁毛細(xì)管道通道具有封堵作用，泥皮薄，韌性好，很好的流變性能，且有強(qiáng)的攜帶巖粉能力，繩索取心鉆進(jìn)要求沖洗液具有高效潤(rùn)滑作用，固相含量少或無(wú)固相含量，具體沖洗液配比為：1%鈉基膨潤(rùn)土+1%～1.5%護(hù)壁劑+0.4%～0.6% 06型高效潤(rùn)滑劑+0.4%～0.6%高粘CMC+0.5%防塌劑。

沖洗液性能：粘度22～26 s，密度1.02～1.04 g/cm3，失水量≯6 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm[6,11]。

使用優(yōu)質(zhì)沖洗液后，鉆孔得以繼續(xù)施工，由于存在涌水，對(duì)沖洗液破壞很大，要不停的補(bǔ)充、更換沖洗液，并專人監(jiān)測(cè)沖洗液，保證沖洗液的性能。在順利施工到484 m后，巖心相對(duì)比較完整，對(duì)沖洗液監(jiān)測(cè)放松了警惕，沖洗液被稀釋，粘度明顯不足，根本達(dá)不到護(hù)壁要求。再次下鉆時(shí)，上部構(gòu)造帶部位395 m處膨脹縮徑，鉆具下不去。重新更換沖洗液，進(jìn)行掃孔，得以順利穿過(guò)，未造成更大事故。

在穿過(guò)最后一層構(gòu)造帶后，鉆孔巖層相對(duì)比較完整，局部破碎，主要成分為斜長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、混合花崗巖互層，間夾蝕變帶。由于鉆孔加深，阻力變大，鉆進(jìn)過(guò)程中要適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，加大泵壓[11-12]。巖層穩(wěn)定單一，只要認(rèn)真管理好沖洗液，維持沖洗液性能，保護(hù)好上部孔壁穩(wěn)定，就可以按正常鉆進(jìn)順利施工，經(jīng)過(guò)122 d施工，在900.49 m達(dá)到地質(zhì)目的終孔。

5 本孔鉆探主要問(wèn)題及鉆探技術(shù)措施

5.1 巖層裂隙發(fā)育、堅(jiān)硬破碎、漏水、涌水

在裂隙發(fā)育、堅(jiān)硬破碎巖層鉆進(jìn)，容易發(fā)生卡鉆、掉塊事故，且不易取心或巖心采取率低。一般遇到這類(lèi)地層慢速、輕壓穿過(guò)[13-14]。卡鉆、掉塊嚴(yán)重可用水泥封孔，根據(jù)地層情況鉆進(jìn)到相對(duì)完整地層下入套管處理。適當(dāng)降低鉆速，控制回次進(jìn)尺，減小沖洗液量以提高巖心采取率，并且減少人為因素和機(jī)械因素，避免巖心不必要磨損。本礦區(qū)由于施工技術(shù)措施得當(dāng)，大大提高了巖心采取率，巖心采取率平均90%以上。

礦區(qū)鉆孔主要是裂隙性漏水，由于水源充足，多采用頂漏鉆進(jìn)，且漏失位置多在鉆孔上部，下入第一層套管就可以堵漏，或者使用水泥封堵。主要問(wèn)題是該鉆孔涌水，涌水嚴(yán)重破壞沖洗液性能，使其失去護(hù)壁功能和攜帶巖粉能力，導(dǎo)致鉆孔內(nèi)掉塊時(shí)有發(fā)生，重復(fù)鉆進(jìn)，影響進(jìn)尺，更為嚴(yán)重的是鉆孔巖層非常破碎，坍塌、卡鉆，引起多次鉆桿斷裂事故和卡埋鉆事故，最終導(dǎo)致了鉆孔報(bào)廢。而且沖洗液不能起到有效潤(rùn)滑作用，加重鉆具磨損，甚至引起燒鉆事故[3,6]。

處理涌水事故一般用加重沖洗液鉆進(jìn)，但加重沖洗液不適合繩索取心鉆進(jìn)，繩索取心鉆進(jìn)鉆孔與鉆具環(huán)狀間隙小，要求使用無(wú)固相或低固相沖洗液，而加重沖洗液固相含量高，鉆具內(nèi)壁易結(jié)垢影響沖洗液循環(huán)，內(nèi)管投放困難甚至不能投放到位[11-12]。

涌水地層，也可采用水泥漿封堵，普通水泥漿遇流動(dòng)性水沖散，很難取得封堵效果。攪拌要在水泥漿中加入惰性材料，并且加入速凝劑，最好是投放含有惰性材料水泥球擠壓封堵[9,12]。

本鉆孔鉆探施工人員在多次用普通水泥注漿封堵無(wú)效之后，冒險(xiǎn)頂涌鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)到196.46 m時(shí)鉆孔掉塊、坍塌，無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，不得已下入?89 mm套管堵住涌水，但也因此留下后患。

5.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)是鉆孔的用圖和目的、地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石的物理性質(zhì)、鉆孔的設(shè)計(jì)深度和傾角、鉆進(jìn)方法、鉆探設(shè)備的性能、鉆孔的終孔直徑。根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)確定各個(gè)孔段的深度和孔徑，確定套管層次、下放深度和套管直徑。是否下套管，取決于地層的復(fù)雜情況和對(duì)地質(zhì)情況的了解程度[1-2]。

由于本鉆孔是深孔，且對(duì)地層復(fù)雜情況估計(jì)不足，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，鉆孔結(jié)構(gòu)為?113 mm-?94 mm-?75 mm，?108 mm孔口套管36.80 m，?89 mm止涌防塌套管196.60 m，在遇到夾層泥時(shí)無(wú)法再使用套管隔離，只有優(yōu)質(zhì)沖洗液護(hù)壁。縮徑地層對(duì)沖洗液破壞嚴(yán)重，維護(hù)沖洗液性能代價(jià)大。如果在預(yù)留一級(jí)孔徑，下入套管護(hù)壁，在崤山礦區(qū)就可以清水鉆進(jìn)，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 構(gòu)造帶地層，吸水膨脹，鉆孔縮徑

鉆孔縮徑有明顯征兆，如：鉆具回轉(zhuǎn)滯澀、阻力漸增、甚至回轉(zhuǎn)不動(dòng)；上下鉆具困難，甚至下不去，需要掃孔；泵壓增加，產(chǎn)生憋泵；沖洗液中巖粉明顯增多，含砂量增加；鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，提放內(nèi)管困難。鉆孔縮徑擠壓鉆具，增大鉆具回轉(zhuǎn)阻力，容易造成鉆桿斷裂事故，甚至造成鉆孔坍塌埋鉆事故[9,12]。

遇到縮徑地層，不適合水泥封孔，水泥凝固需要時(shí)間，而且水泥漿含水量大，縮徑地層極易吸水膨脹，擠壓水泥漿，達(dá)不到封孔效果[7-8]。一般遇到縮徑地層應(yīng)快速穿過(guò)，然后下入套管護(hù)壁，但該鉆孔已不能再下套管處理，而且下面地層不明，只有使用低密度、低固相、低失水優(yōu)質(zhì)沖洗液，在該位置形成薄而致密的泥皮，有效阻止縮徑地層吸水膨脹，從而保證繩索取心鉆進(jìn)繼續(xù)施工[9,15]。

6 結(jié)語(yǔ)

繩索取心鉆進(jìn)復(fù)雜地層，應(yīng)充分考慮地層情況，淺孔且?guī)r層穩(wěn)定鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單不預(yù)留口徑，但是在復(fù)雜深孔鉆進(jìn)時(shí)，一定要選擇合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，預(yù)留一級(jí)口徑，避免遇到特殊情況無(wú)法進(jìn)一步處理報(bào)廢鉆孔，不僅延誤工期，而且浪費(fèi)人力、物力，無(wú)謂增加施工成本。遇到復(fù)雜地層，要充分利用好套管護(hù)壁，有時(shí)用好套管護(hù)壁更能加快施工進(jìn)度，提高效益。根據(jù)地層情況合理配制優(yōu)質(zhì)沖洗液，不僅能提高施工效率，節(jié)約施工成本，而且有利于解決復(fù)雜施工問(wèn)題，提高巖心采取率，保障鉆孔質(zhì)量。復(fù)雜地層鉆進(jìn)應(yīng)充分引起重視，不要抱有僥幸心理，否則就會(huì)像該鉆孔施工一樣，造成不必要的鉆探事故，我們要引以為戒。