于志堅， 耿 印， 于保國， 邢運濤， 王景章， 丁國東， 王 越， 劉 存

(河北省地礦局第四地質大隊，河北 承德 067000)

1 礦區(qū)地層情況簡介

河北省承德縣王家莊北溝鉬多金屬礦區(qū)內出露的地層主要有中晚元古代薊縣系碳酸鹽巖、早古生代寒武系沉積巖、中生代侏羅系火山碎屑巖和新生代第四系松散沉積物。

薊縣系霧迷山組地層預查區(qū)內出露地層厚度約1600 m，沉積厚度較大。主要巖性為厚層狀燧石條帶白云巖，夾薄層燧石巖、(含)炭質白云巖及少量硅質頁巖。燧石條帶白云巖，白云巖與燧石條帶互層，白云巖一般厚度0.5～2.5 m，燧石條帶一般厚度0.1～0.5 m，局部形成交錯層理。白云巖主要為粉晶泥晶白云巖，粉晶泥晶結構，含少量或不含灰質，硬度相對較高。硅質燧石巖層為霧迷山組典型燧石巖層，硬度極高，主要由隱晶髓質石英組成。(含)炭質白云巖呈中薄層狀、透鏡狀夾雜在燧石條帶白云巖中，局部可見明顯的炭質條帶，炭質含量可達10%～15%。硅質頁巖，含量較低，多呈半風化，半氧化狀態(tài)，分布在硅質燧石巖邊部，硬度較低，部分含少量細砂，形成含砂硅質頁巖。礦化體主要產出于中上部燧石條帶白云巖、硅質巖等交互出現的脆性構造破碎帶內。

2 鉆孔結構

在鉬多金屬礦區(qū)，由于鉆遇的巖石種類較多，破碎嚴重，地層相對復雜，因此，本礦區(qū)設計的5個鉆孔，均采取多級孔徑設計結構。ZK05號鉆孔位于河床，開孔采用?130 mm硬質合金鉆頭鉆進，取出的巖心主要為成“粥”狀的黃土泥石混雜物，鉆進至6.85 m后穿過覆蓋層下入?127 mm孔口管，水泥固定；然后換?110 mm硬質合金單管鉆進至25.35 m，下入?108 mm套管，因為淺層巖石較為破碎，軟硬互層，裂隙也較發(fā)育，所以要求完全確認地層較為穩(wěn)定后再換徑；然后采用?95 mm金剛石繩索取心鉆進至182.90 m，現場觀察巖心完整，鉆進順利，故下入?89 mm套管；再使用?75 mm繩索取心鉆具鉆進至終孔[1-3]。ZK05號鉆孔結構如圖1所示。

圖1 ZK05孔鉆孔結構

3 根據巖心加工特制鉆頭

王家莊北溝礦區(qū)在施工中鉆遇“打滑”地層，使用胎體硬度HRC8～15鉆頭能正常鉆進0.3 m，投石料磨鉆頭，導致鉆頭磨損過快，鉆頭壽命≯2 m。選用HRC20～30鉆頭鉆進，基本上不進尺。在鉆進中采取調整鉆進參數、投料磨刃等多種措施，每臺班鉆進仍不超過1.2 m。根據巖心巖性分析，巖石可鉆性為9～11級。為此，經專家咨詢，選取了代表性巖心進行測試，根據測試結果制作適應性好的鉆頭，以提高鉆進效率[4]。

通過光薄片鑒定(見圖2、圖3)可知，該“打滑”地層巖石組成以白云石、石英和玉髓為主，巖石可鉆性高達9～11級，石英含量50%左右，粒徑在0.01～0.03 mm ,是典型的“打滑”地層。為了解決這一難題，通過分析研究，制作了適合礦區(qū)地層的 “三低一高” 特殊金剛石鉆頭，即胎體硬度低(HRC10～20)，低濃度(40%～60%)，低目數(40～60目混合)，高品級金剛石。鉆頭胎體采用鐵基預合金粉末，配料為Fe、Cu、 Ni、Co、WC，鉆頭制造工藝采用熱壓燒結形成金剛石胎體塊，再采用低溫二次鑲焊成型技術制作。該鉆頭明顯提高了出刃性能和抗研磨能力，在實際使用中，每回次進尺可以達到1.5 m，再配合有效的施工工藝明顯提高了鉆進效率。鉆頭壽命可達48 m左右。

圖2 王家莊巖心

圖3 王家莊巖心顯微照片

4 提高“打滑”地層鉆進效率的方法

4.1 采用輔助措施使鉆頭出刃

(1)酸蝕法。將濃鹽酸與濃硝酸按3∶1的比列配置成“王水”，把打滑金剛石鉆頭底唇面浸在“王水”中溶蝕20 min ，使鉆頭底唇面金剛石出露。

(2)干磨法。把打滑鉆頭裝在地表鉆床上，通過干磨石英砂或金剛砂10～20 min 使鉆頭底唇面金剛石出刃。

(3)地表噴砂法。將打滑鉆頭放在砂機上噴砂處理幫助鉆頭出刃，噴砂時間以金剛石出露為宜，不得過長時間處理造成金剛石脫落，影響鉆頭壽命。

(4)孔底投石料。把石英巖砸成直徑3 cm 左右的石塊向孔內投入15～30塊，先采用低轉速、小泵量(或不供水)磨3～5 min迫使金剛石鉆頭出刃后轉入正常鉆進。

4.2 選擇合理的鉆進參數

“打滑”地層鉆進時采用高鉆壓、低轉速、小泵量即“一高、一低、一小”的鉆進參數。高鉆壓：鉆進“打滑”地層鉆壓一般高于同口徑正常鉆壓的1.5～2倍。低轉速：一般控制線速度在1 m/s左右，75 mm口徑250 r/min左右。小泵量：一般控制泵量在50 L/min以內[5-6]。以75 mm口徑為例，普通地層與“打滑”地層鉆進參數選擇經驗參考數值見表1。

表1 鉆進參數

4.3 依據鉆進破碎機理，采用沖擊回轉鉆進

使用繩索取心液動錘鉆具進行沖擊回轉鉆進，在縱向沖擊動載和回轉剪切共同作用下破碎巖石。在“打滑”地層鉆進使用此工藝能有效地提高鉆進效率[4]。

5 鉆進參數的選擇及時效對比

5.1 鉆探工藝的選擇

繩索取心工藝技術在王家莊礦區(qū)作為主要應用的鉆進方法，在鉆進中遇到堅硬“打滑”地層，回次進尺低，減少提下鉆時間，充分體現了它的優(yōu)勢。但是繩索取心工藝所用的鉆頭比常規(guī)鉆頭胎體厚，相對鉆進時效較低[4，7-9]。

多金屬礦勘查規(guī)范中要求鉆孔終孔口徑≥75 mm。鉆具規(guī)格的選擇要根據鉆孔的設計深度選擇：設計孔深超過1000 m時選擇S77 mm口徑終孔；低于1000 m的鉆孔選擇S75 mm口徑終孔。采用S95 mm繩索取心鉆進在淺孔施工中鉆進深度一般在100 m以淺，進入基巖后選擇S95鉆進到一定深度，穿過預測破碎孔段后下套管。繩索取心鉆具分為重型繩索取心鉆桿和鐓粗型繩索取心鉆桿2種，鉆頭口徑相同，鉆桿的壁厚不同。一般情況下選擇鐓粗鉆桿施工，由于鉆桿質量輕，在鉆機回轉中相對更省力，對發(fā)電機組的耗油量及鉆機的磨損都要小[10]。 S95鐓粗型繩索取心鉆桿由于鉆桿上下內徑相同，在鉆遇復雜地層時強行通過后，可以不提鉆把鉆桿做套管直接換S75繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進。繩索鉆桿內外徑對比見表2。

表2 繩索取心鉆具內外徑對比

5.2 鉆進參數的選擇

王家莊北溝礦區(qū)共計施工5個鉆孔，其中ZK01、ZK02、ZK03、ZK04號鉆孔孔深較淺，使用的鉆進參數不做具體介紹?，F對ZK05號鉆孔實際施工中所選擇的鉆進參數進行總結和分析。

5.2.1 鉆進壓力

ZK05孔25.35 m以淺孔段為?130、110 mm鉆進，鉆壓分別控制在6～12、10～20 kN。25～182.90 m孔段為?91 mm鉆進，鉆壓2.5～3.5 kN。182.90 m到終孔孔深710 m孔段為?75 mm鉆進，鉆壓16～25 kN。其中在鉆穿構造破碎帶時鉆壓控制在13～17 kN；在鉆遇堅硬“打滑”的硅質巖時，保證安全的前提下適當加大鉆壓，實際鉆進中鉆進壓力不超過30 kN[11-12]。

5.2.2 轉速

ZK05號孔施工使用XY-44型巖心鉆機，轉速控制在200～400 r/min，根據該機型擋位參數，具體選用轉速為217、254、316 r/min。開孔時地層為砂巖，選擇高轉速(316 r/min)進尺快，機械鉆速平均為3.4 m/h；鉆遇硅質白云巖時，更換定做鉆頭，選擇轉速為254 r/min，進尺雖然慢但也相差不多，機械鉆速在2.7 m/h；穿過硅化層鉆遇硬巖繼續(xù)用254 r/min，機械鉆速比硅化層中稍快，在2.9 m/h左右。通過分析對比可得知在普通硬巖中不一定高轉速就提高綜合效率，轉速高可能開始時進尺很快，磨鈍之后效率就會驟降。施工中鉆遇燧石條帶硅質巖石是典型的“打滑”地層，特殊情況采取特殊手段直至鉆穿“打滑”地層，正常鉆進[11-14]。

根據ZK05孔的實際鉆進參數記錄資料，繪制了該孔在不同轉速下的機械鉆速(見圖4)。

圖4 ZK05孔機械鉆速與轉速關系

5.3 時效對比

王家莊北溝礦區(qū)同時開動鉆機2臺套，施工中ZK04號鉆孔使用了S75 mm口徑鉆具施工、ZK05號鉆孔使用S77 mm口徑鉆具施工。兩孔使用不同規(guī)格鉆具綜合情況對比見表3。

表3 使用不同規(guī)格的鉆具綜合情況對比

理論上在完整巖石中鉆進，使用金剛石鉆頭鉆進，通過提高轉速來提高效率。但是在超硬巖石中鉆進，選擇的鉆進參數的原則是：高鉆壓，低轉速。超硬巖石中進尺慢，鉆頭破碎產生的巖粉少，鉆頭的線速度越高越容易導致鉆頭提前磨鈍，不出刃，導致提鉆次數過多，輔助時間增長。另外，S75 mm的鉆頭比S77 mm鉆頭內徑大，底唇面薄，克取巖石的面積小。在鉆探取樣時取得的巖心直徑越大越有利于準確計算礦品位。在施工中選擇標準口徑鉆頭在單桿進尺時間和巖心采取率上優(yōu)于非標準口徑鉆頭。

6 鉆井液的配制與現場維護

6.1 破碎地層護壁

繩索取心鉆進工藝，鉆柱與孔壁的環(huán)狀間隙小，可一定程度上防止孔內坍塌、掉塊，一般只需用水解聚丙烯酰胺(PHP)配制無固相鉆井液即可，這樣既可以達到護壁潤滑效果，又安全環(huán)保，還能降低鉆探成本，同時PHP鉆井液在現場使用過程中也便于維護[15-16]。

配制方法：1 m3清水+0.05%～0.1%PHP充分攪拌稀釋溶解后使用。

鉆遇破碎地層，鉆進回轉過程中有輕微掉塊，致使回轉阻力增大、電流表不穩(wěn)，采用低粘增效粉(LBM)配制的低固相鉆井液可獲得良好的護壁效果。配制方法：1 m3清水+2%～4%LBM干粉+0.5%～1%的皂化油。若孔內回轉阻力不大可用鈉基膨潤土配制低固相鉆井液使用。

地層破碎非常嚴重，出現坍塌現象，結構松散，非泥質膠結等破碎的斷層中鉆進，下鉆遇阻反復掃孔也無法通過時，要根據孔深等綜合情況來確定是否采用套管護壁(一般下入深度為500 m以淺)，若鉆孔設計較深，繼續(xù)施工后下部地層情況不明的情況下，采用灌注水泥漿的方法護壁更合理[17-18]。例如，ZK05孔鉆進至206～209 m孔段時遇破碎帶，漏失嚴重，地層破碎，現場巖心見圖5。

圖5 現場巖心照片

項目組現場采取灌注水泥漿封堵漏失層，經過2次灌水泥操作，封堵效果較好，順利終孔。

6.2 輕微縮徑地層采取的措施

輕微縮徑地層鉆進，往往會引起鉆具回轉阻力大，為降低回轉阻力，開足轉速，提高鉆進效率[17,19-21]，一般可選用潤滑效果好的油酸鈉陰離子型乳狀液減阻，實現正常鉆進。配制油酸鈉陰離子型減阻液的方法如下：

首先在溫度60～90 ℃的熱水中加入50%～60%的油酸鈉，待其全部溶化后，再加入10%～20%的柴油或廢機油混合均勻，配成油酸鈉乳狀液。

如果鉆孔返水將沖冼液配成濃度0.5%～1%的油酸鈉乳狀液溶液。如個別孔段不返水，則將油酸鈉乳狀液體稀釋成濃度5%左右的溶液，沿鉆桿倒入孔內直接潤滑鉆具。

王家莊北溝礦區(qū)使用油酸鈉乳狀液潤滑鉆具，潤滑效果很好。實際鉆進中，鉆孔漏失，鉆進液失返，鉆具回轉吃力，電流表電流急劇上升，最多高出正常鉆進時電流的70%，加入油酸鈉乳狀液后，電流明顯下降，可迅速使電流恢復正常。

6.3 用于水敏性地層的鉆井液

水敏性地層主要指遇水膨脹和分散地層。該類地層應采用高抑制性鉆井液體系，要求鉆井液API濾失量≤10 mL，抑制性強[19,22]。

在泥質膠結、糜棱巖化等水敏性地層中鉆進，地層造漿、吸水膨脹、縮徑是造成孔壁坍塌、下鉆不到底、憋泵的主要原因。通常使用失水量較低的無固相鉆井液或低固相鉆井液護壁，用化學聚合物、護壁劑、膨潤土配制鉆井液效果明顯。鉆井液配方：1 m3清水+4%膨潤土+8%火堿+0.3%～0.5%CMC+1%～2%廣譜護壁劑+1%～2%KHM。鉆井液性能參數：密度1.02～1.04 g/cm3，粘度20～27 s，失水量8～15 mL/30 min，泥皮厚0.3～1 mm，pH值8.5。

該鉆井液體系成功解決了我隊在多個深孔施工中鉆孔縮徑的難題。鉆探施工中，如果發(fā)現超過0.5 m的水敏性地層巖心，一定要立即停止鉆進，調換鉆井液體系，配制抑制地層吸水膨脹的鉆井液，充分循環(huán)，多次測試鉆井液性能參數都達標的情況下方可繼續(xù)鉆進。鉆遇水敏地層時一般情況泵壓會有所增高，電流表指數增大，循環(huán)液中的巖粉增多，撈取巖粉仔細觀察會發(fā)現有軟質的巖石顆粒等等。遇到上述情況，應該立即撈取巖心，根據巖層對原用的鉆井液性能作出調整[22]。

鉆進中一旦遇到水敏性地層，通過調整鉆井液性能抑制住了鉆孔縮徑，在后續(xù)鉆進中必須保證鉆井液的性能參數不能有大的變化，隨時測試，及時加入所需的鉆井液處理劑。做好鉆井液的凈化處理，及時清理鉆井液槽，保證鉆井液的固相含量不超標。在實際生產過程中，維護好鉆井液的性能是所施工的鉆孔能否順利終孔的關鍵[14,19,22]。

7 結語

多金屬礦地層中鉆探施工，地層較為復雜，巖石硬、脆、碎。在施工中要采取多種措施強制鉆頭出刃，選擇合理的施工工藝和鉆進參數，合理選擇鉆井液確?？妆诎踩Ｔ谕跫仪f北溝礦區(qū)施工中主要采取了以下措施。

(1)根據所鉆巖石物理性質，加工與地層相適應的金剛石鉆頭。采取多種方法促使金剛石出刃，以提高鉆進效率。

(2)選擇繩索取心工藝技術，除特殊情況不使用非標鉆頭。盡可能地減小鉆頭底唇面，這樣既可以提高鉆進效率又可以提高巖礦心采取率。

(3)在堅硬“打滑”地層中鉆進，選擇鉆進參數時盡可能使用小泵量、低轉速、大鉆壓更能提高鉆進效率。

(4)根據地層及時調整鉆井液性能。完整地層選擇PHP等成本較低的鉆井液，水敏地層鉆進配制抑制性較強的低固相鉆井液護壁效果更好。

(5)根據地層變化及時調整施工方法。