李紅梅，石遜

（河北省地礦局第九地質(zhì)大隊，河北 邢臺 054000）

白澗鐵礦南區(qū)勘查項目是邢臺市“十三五”重點建設(shè)項目，同時也是河北省“十三五”重點勘查規(guī)劃項目之一。該鐵礦是目前河北省南部發(fā)現(xiàn)的最大的高品位大型磁鐵礦床，資源儲量大、品位高、礦石組構(gòu)簡單，是河北省乃至全國未開發(fā)的優(yōu)質(zhì)鐵礦資源。本次鉆探任務(wù)位于白澗鐵礦南區(qū)，存在工期短，對區(qū)域內(nèi)地層狀況、施工技術(shù)難點掌握不夠等現(xiàn)實問題。通過優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)，使用新工藝、新方法以及合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)［1］等對策圓滿完成了鉆探任務(wù)，為下一步的勘探奠定了基礎(chǔ)。

1 概況

1.1 項目概況

白澗鐵礦鉆探工程項目，位于邢臺沙河市西部章村煤礦、窯坡村附近。東距沙河市、107國道、京廣鐵路、京深高速公路20~25 km，邢臺-峰峰一級公路通過工區(qū)，交通方便。

本次勘探主要是對白澗鐵礦南區(qū)進(jìn)行詳查，設(shè)計鉆孔5個，孔深730~1100 mm，鉆探工作量4179 m。經(jīng)專項部署，精心組織，于2020年8月正式開鉆施工，2020年底完成全部工作量，鉆孔合格率100%。

1.2 地質(zhì)概況［2］

本勘探區(qū)域范圍內(nèi)地層出露較全，最下早古生界奧陶系，晚古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系、白堊系，新生界第四系。

（1）早古生界奧陶系（O）。該系與下伏寒武系為連續(xù)沉積，可分為5組。巖性特征為：灰色薄—中厚層粉細(xì)晶白云巖，局部夾內(nèi)礫屑粉細(xì)晶白云巖，灰色中厚夾薄層燧石條帶、結(jié)核白云巖夾內(nèi)砂屑、雜色中厚—厚層角礫狀白云質(zhì)粉晶灰?guī)r、角礫狀泥晶灰?guī)r夾粉晶白云質(zhì)灰?guī)r。深灰色中厚—巨厚層泥晶灰?guī)r、花斑狀泥晶灰?guī)r、含生屑粉晶灰?guī)r夾層紋灰?guī)r、瀝青灰?guī)r、含鐵硅質(zhì)結(jié)核、閃長巖。本段局部地層膠結(jié)松散，含泥質(zhì)較多，遇水膨脹縮徑、掉塊。

（2）晚古生界石炭系（C）。平行不整合于中奧陶統(tǒng)之上。包括中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組。主要巖性為灰-灰黑色炭、泥、鋁土質(zhì)粉砂巖及砂質(zhì)泥巖和炭、泥質(zhì)頁巖，夾2~7層石灰?guī)r，含煤2~12層。本段局部地層膠結(jié)松散，有采空區(qū)，易坍塌。

（3）晚古生界二疊系（P）。本系地層包括山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組。主要巖性為深灰—灰黑色砂質(zhì)頁巖、中細(xì)粒砂巖、泥巖夾細(xì)砂巖及煤層，底部為中細(xì)粒砂巖，含燧石白云質(zhì)泥質(zhì)灰?guī)r，中部粉砂巖、細(xì)砂巖夾頁巖，是重要的產(chǎn)煤層位，含煤3層，其中2號煤穩(wěn)定可采，1號煤局部可采。局部因煤礦開采導(dǎo)致巖石松散，易坍塌。

（4）新生界第四系（Q）。廣泛分布，包括以下地層：主要為紫褐色粘土及礫石層，冰川作用的產(chǎn)物；磚紅、黃紅色粘土夾雜的基巖碎塊主要為黃土狀粉質(zhì)粘土、粉土夾礫石層；粉土、砂土、砂礫石層。分布于河床及其兩側(cè)。

綜上所述，區(qū)域內(nèi)上部地層主要是砂巖、泥巖、煤等軟硬不一的巖石，局部因煤礦開采導(dǎo)致巖石松散，易坍塌。下部地層主要是堅硬的白云巖、灰?guī)r、角礫巖，局部地層膠結(jié)松散，含泥質(zhì)較多，遇水膨脹縮徑、掉塊。整個區(qū)域內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，有破碎帶，鉆探施工中幾乎全漏，泥漿護(hù)壁性差，時常發(fā)生掉塊卡鉆。

1.3 鉆探技術(shù)要求及質(zhì)量指標(biāo)

終孔直徑≮75 mm，巖心采取率≥70%，礦心采取率≥80%。每100 m傾角偏差≯2°。采用環(huán)保無污染沖洗液鉆進(jìn)，每班至少觀測水位1~2回次。每鉆進(jìn)100 m，進(jìn)、出礦層時（礦層厚度<5 m時只測量一次）要測量孔深，孔深誤差率<1/1000。封孔水泥強(qiáng)度為42.5 MPa，全孔封孔，水灰比<0.5。

2 鉆探工藝

2.1 設(shè)備及機(jī)具選擇［3］

本次施工使用XY-5、XY-6B、CD-2000型鉆機(jī)各1臺，NB-250型 泥 漿 泵3臺，SG-23型 鉆 塔3部、SJ-1000型繩索取心絞車3部、繩索取心鉆桿若干。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)方法［4-6］

根據(jù)以往相鄰礦區(qū)的鉆探施工經(jīng)驗，考慮到第四系地層含卵石，可能會影響到鉆進(jìn)效率和整體施工進(jìn)度，經(jīng)我隊相關(guān)專家和甲方專家共同分析地質(zhì)情況，經(jīng)甲方同意變更施工設(shè)計，變更后鉆孔結(jié)構(gòu)采取5級成孔，即?150 mm-130 mm-110 mm-96 mm-75 mm（見圖1）。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the drilling structure

（1）鉆遇采空區(qū)。鉆進(jìn)過程中首先采用?150 mm金剛石鉆頭單管鉆具鉆進(jìn)至基巖后，下入?146 mm護(hù)壁套管作為孔口管，下入?127 mm套管作為技術(shù)套管。然后采用?110 mm取心鉆具鉆進(jìn)至穿過采空區(qū)后，起拔?127 mm套管，采用?130 mm擴(kuò)孔鉆頭，鉆進(jìn)至完整的采空區(qū)下底板后，下入?127 mm套管，隔離采空區(qū)。

（2）若沒有鉆遇采空區(qū)，用?110 mm取心鉆進(jìn)至奧灰?guī)r完整地層后，下入?108 mm套管。換用? 95 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)，穿過奧灰?guī)r峰峰組見磁縣組后，下入?89 mm套管，必要時可以使用?89 mm繩索取心鉆桿當(dāng)作套管使用。最后換用?75 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。

2.3 鉆頭的選擇［7-9］

針對礦區(qū)內(nèi)的地層情況及巖石可鉆性，金剛石鉆頭、擴(kuò)孔器的磨損情況，通過合理選擇金剛石鉆頭胎體硬度、擴(kuò)孔器外徑及保徑胎體硬度等措施提高鉆進(jìn)效率。為了解決環(huán)空間隙小、泵壓高問題，普遍選擇擴(kuò)孔器外徑比正常擴(kuò)孔器大1~2 mm，鉆頭也相應(yīng)加大1~2 mm。在下部破碎、泥質(zhì)含量多、遇水膨脹的地層，為避免頻繁起下鉆，而使孔壁受到強(qiáng)烈的抽吸作用，加劇孔壁不穩(wěn)定，造成坍塌掉塊，形成超徑孔段，進(jìn)而引起斷鉆桿等事故的頻繁發(fā)生，采用了高胎體雙水口鉆頭。在鉆遇采空區(qū)時采用全面不取心鉆頭鉆進(jìn)。

可鉆性在6級以下的地層（砂巖、泥巖等）多選用底唇面為多階形和內(nèi)錐形或鋸齒形、胎體硬度HRC30~35、金剛石粒度60~80目的直水口孕鑲金剛石鉆頭。鉆頭平均壽命可達(dá)230 m。

可鉆性在6級以上的地層（閃長巖、灰?guī)r、白云巖等）多選用底唇面為多階形和內(nèi)錐形或鋸齒形、胎體硬度HRC25~30的金剛石孕鑲鉆頭。鉆頭平均壽命可達(dá)150 m。

2.4 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇［10］

結(jié)合以往相鄰區(qū)域鉆探施工經(jīng)驗，以及各地層的鉆進(jìn)速度、設(shè)備運行等情況，總結(jié)出最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選Table 1 Optimization of drilling parameters

3 鉆探施工中存在的問題及解決措施

3.1 鉆探施工中存在的問題

（1）上部地層軟硬互層，鉆孔彎曲控制難度大。巖石松散（見圖2），易坍塌、卡鉆，不僅鉆進(jìn)效率低，而且地層坍塌易造成鉆孔回填現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)埋鉆，報廢工作量。

圖2 煤系地層巖心Fig.2 Cores from the coal measure strata

（2）下部地層局部有破碎帶，含角礫，泥質(zhì)含量大，膠結(jié)松散易膨脹（見圖3、圖4），易發(fā)生掉塊卡鉆、縮徑，下放起拔套管困難，造成孔內(nèi)套管遺留，增加成本等問題。

（3）鉆進(jìn)過程中幾乎是全孔漏失，鉆桿摩阻大，易發(fā)生斷鉆桿的事故，再加上地層原因，往往會出現(xiàn)事故越處理越復(fù)雜的情況。

圖3 下部破碎帶巖心Fig.3 Cores from the lower fracture zone

圖4 下部水化膨脹地層巖心Fig.4 Cores from the lower hydration swelling formation

3.2 主要解決措施

3.2.1 沖洗液的應(yīng)用［11-14］

（1）上部地層為第四系和煤系地層，地層膠結(jié)松散，易坍塌；下部局部地層含泥質(zhì)、角礫，容易水化膨脹、縮徑和分散，機(jī)械強(qiáng)度降低，容易造成卡鉆、埋鉆等事故。因此需加入具有抑制泥頁巖縮徑、有利于減弱泥頁巖的水化滲透、減小失水量的聚合物，如腐植酸鉀（KHm）。

另外沖洗液還需要良好的攜砂能力、較高的動切力、好的流變性能和潤滑性等。

（2）在鉆進(jìn)第四系地層及煤系地層時，使用低固相鉀基聚合物沖洗液，其配比為：1 m3水+30 kg膨潤土+5 kg KHm+適量燒堿和潤滑劑。其性能為：粘度29~33 s，密度1.03~1.05 g/cm3，失水量4 mL/30 min，pH值8~9。

在鉆進(jìn)至下部灰?guī)r及閃長巖地層中因局部地層破碎、含角礫及泥質(zhì)，故采用高分子聚合物無固相沖洗液，其配比為：1 m3水+0.2%~0.5% AC-141+0.5%~2% KHm+適量燒堿和潤滑劑。其性能為：粘度30~35 s，密度1.01~1.04 g/cm3，失水量5 mL/30 min，pH值8~9。

3.2.2 孔內(nèi)壓力平衡調(diào)控措施［15］

鉆進(jìn)過程中，當(dāng)?shù)貙颖汇@進(jìn)打開后，會破壞了地層原有的地應(yīng)力平衡，加上地層破碎、膠結(jié)性差，極易形成孔內(nèi)掉塊現(xiàn)象，甚至由于地層應(yīng)力失去原有的平衡，引起孔壁坍塌。為確保地層相對穩(wěn)定，需適量提高沖洗液的密度來構(gòu)建新的應(yīng)力平衡模式，以防止圍巖地應(yīng)力作用擠垮孔壁，造成事故。

通過以下措施達(dá)到了平衡地層壓力、維護(hù)孔壁穩(wěn)定的效果。

（1）調(diào)節(jié)孔內(nèi)液柱靜壓力。通過調(diào)整沖洗液密度，改變孔內(nèi)液柱壓力。在保證孔內(nèi)壓力穩(wěn)定的前提下，盡可能地降低沖洗液的密度。

（2）降低環(huán)空壓力降。通過合理選擇鉆具組合，增大環(huán)狀間隙、控制沖洗液粘度和切力、保證沖洗液正常循環(huán)的情況下，盡可能地降低沖洗液的上返速度，提高沖洗液的潤滑性能，降低沖洗液循環(huán)阻力等措施保證環(huán)空壓力降在合理的范圍內(nèi)。

（3）控制提下鉆速度和加速度。盡量避免抽吸作用對孔內(nèi)薄弱孔段的破壞。

（4）重新開泵時應(yīng)采用較小的泵量。

（5）提下鉆時，應(yīng)先把鉆具里的內(nèi)管取出，降低孔內(nèi)波動壓力。

3.2.3 護(hù)壁措施

（1）反絲套管的應(yīng)用。為了解決破碎地層下套管難、起拔套管時孔內(nèi)遺失套管的問題，結(jié)合地層情況，采用反絲套管作為護(hù)壁套管，提升完孔后套管的回收利用率。

下反絲套管應(yīng)注意確保套管底部坐落在完整、具備一定承載力的巖石上，避免在鉆進(jìn)過程中，因為套管底部出現(xiàn)超徑、坍塌等造成放空，進(jìn)而引起套管脫落。再者，下套管的同時應(yīng)在套管外壁均勻涂抹聚合物凝膠，并在套管下放完成后封閉套管外壁環(huán)狀間隙，避免雜物進(jìn)入環(huán)狀間隙。進(jìn)而提高套管起拔的成功率。

（2）鉆桿當(dāng)護(hù)壁管的應(yīng)用。在施工過程中，如遇施工到下套管的位置后，由于孔內(nèi)坍塌或地層破碎掉塊等原因?qū)е绿坠軣o法下放到位置，可以使用鉆桿配合特制的鉆頭掃孔至下套管的位置后代替套管使用。避免報廢工作量，甚至廢孔的風(fēng)險。

3.2.4 高胎體雙水口鉆頭的使用

在鉆孔施工到奧灰?guī)r后，根據(jù)鉆孔實鉆經(jīng)驗及數(shù)據(jù)，選用高胎體雙水口鉆頭進(jìn)行施工。此鉆頭金剛石胎體高度是以上所選金剛石鉆頭的2倍。鉆進(jìn)過程中每個鉆頭的使用壽命約為以上所選金剛石鉆頭的2.5倍，極大地提高了鉆進(jìn)效率，減少了提下鉆次數(shù)，減少提升孔內(nèi)鉆桿的抽吸現(xiàn)象，進(jìn)而保證了孔壁的穩(wěn)定性，保證了孔內(nèi)安全。同時節(jié)約了施工成本，帶來了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.5 質(zhì)量保證措施［16-18］

3.2.5 .1巖心采取率保證措施

第四系地層采用彈子式單管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中須用小泵量鉆進(jìn)至巖心管長度的1/2~2/3時，停泵從主動鉆桿中投入彈子，待水泵憋水后，干鉆至巖心管打滿，形成自堵。干鉆時必須上下活動鉆具，防止燒鉆，感覺巖心卡牢即可提鉆。提鉆時，由于彈子密封巖心管接頭，使巖心管內(nèi)形成真空，巖心不易掉落，確保了巖心采取率。煤系地層及其以下地層采用繩索取心鉆具施工，在施工過程中通過每回次取心后測量巖心直徑、鉆具到孔底后先輕壓慢轉(zhuǎn)0.3~0.4 m后再恢復(fù)正常參數(shù)鉆進(jìn)等方法很好地保證了巖心采取率。全孔最低巖心采取率為92%，礦心最低采取率高達(dá)98%。

3.2.5 .2鉆孔彎曲度保證措施

（1）場地平整、堅固。設(shè)備安裝牢固、周正，設(shè)備安全防護(hù)設(shè)施齊全有效。

（2）開孔前必須對鉆探設(shè)備及安裝質(zhì)量進(jìn)行全面的檢驗。鉆機(jī)、動力機(jī)、鉆塔必須安裝穩(wěn)固，天車、立軸、孔口三點必須在一條直線上。如果不合乎要求，必須進(jìn)行修正，調(diào)整，確保鉆孔的垂直度，預(yù)防孔斜。

（3）開孔鉆進(jìn)中，應(yīng)逐步加長巖心管，并采用輕壓、慢鉆、適當(dāng)泵量鉆進(jìn)，且鉆進(jìn)至25 m后測量一次傾角和方位角。

（4）為了避免磁鐵礦磁場對測斜數(shù)據(jù)的影響，采用陀螺測斜儀進(jìn)行測斜。

（5）換層鉆進(jìn)時，由軟變硬時，軸心壓力要適當(dāng)變小，鉆速要相應(yīng)降低；由硬轉(zhuǎn)軟時，壓力要減小到正常壓力的1/3，要控制回次進(jìn)尺長度，且粗徑鉆具要適當(dāng)加長。

通過一系列的保證措施，孔斜率控制在了所要求的范圍內(nèi)，本次施工鉆孔合格率達(dá)到了100%。

4 施工效率分析

本次施工中，總計完成鉆孔5個，鉆孔合格率100%。臺月效率由以往的483 m提高至679 m。和以往在此區(qū)域施工的鉆進(jìn)效果對比見表2。

表2 鉆進(jìn)效果對比Table 2 Comparison of drilling efficiency

5 結(jié)語

此次施工，我們對此區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)特點有了初步的了解。通過繩索取心鉆桿護(hù)壁、雙水口鉆頭等工藝的嘗試，豐富了在此地區(qū)鉆探施工的經(jīng)驗，總結(jié)出了相對應(yīng)的施工參數(shù)，提高了鉆進(jìn)效率，順利地完成了本次鉆探任務(wù)。既提高了鉆進(jìn)效率又節(jié)約了鉆探成本，既鍛煉了現(xiàn)場技術(shù)人員又開闊了施工技術(shù)應(yīng)用的方向。為今后此地區(qū)和類似地層的鉆探施工積累了技術(shù)經(jīng)驗，拓展了施工思路，增強(qiáng)了發(fā)展動力。