黃建強(qiáng)，宋彬濱，黃寶勝，許成勇

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊，山東 臨沂 276000）

1 項目基本情況

2020年4月，我單位中標(biāo)了山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程項目（標(biāo)段一），該項目設(shè)計鉆孔6個，設(shè)計工作量12690m。

1.1 目的任務(wù)

本次勘探工作是在綜合分析以往勘查資料成果的基礎(chǔ)上，遵循“由已知到未知、由疏到密、由淺入深”的原則，加強(qiáng)綜合研究，不斷優(yōu)化工程布置，避免盲目施工。通過機(jī)械巖心鉆探，輔以各類巖礦分析測試等方法，對Ⅰ-1、Ⅰ-2主礦體64～104線深部增設(shè)探礦工程，探求新增（333）類資源量；對首采地段90～104線加密勘探工程，升級（332）、（333）類資源量級別，確保高級別資源量占預(yù)計查明資源量比例滿足提交勘探報告之要求。

1.2 主要技術(shù)要求

1.2.1 巖心采取

開孔孔徑不小于Φ91mm，地質(zhì)孔終孔孔徑不小于Φ75mm，水文孔終孔孔徑不小于Φ91mm。巖心分層采取率不低于70%，含礦蝕變帶及上、下盤圍巖各5m范圍內(nèi)采取率不得低于85%。

1.2.2 鉆孔彎曲度要求

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，所有鉆孔每百米頂角偏差不得超過1°、方位角偏差不超過2°。同時，由于本次工程對相鄰工程間距要求極為嚴(yán)格，因此鉆孔彎曲度必須滿足鉆孔實際終孔位置偏離設(shè)計位置在走向上和傾向上不得超過工程間距1/4（最大偏移距離以鉆探工程施工通知書為準(zhǔn)），否則為不合格（報廢）工程不予驗收。

2 項目實施概況

山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程項目（標(biāo)段一）從2020年4月開始施工，2021年8月完工，歷時1年5個月順利完工，共計完成鉆探工作量12543.16m，完成鉆孔6個。

2.1 鉆探設(shè)備

充分考慮每個鉆孔的設(shè)計工作量和總體項目的施工工期等因素，我單位投入了兩臺套XY-8型和一臺套XY-6B型立軸式巖心鉆機(jī)進(jìn)行施工。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

充分考慮礦區(qū)的巖石性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、鉆孔深度及地質(zhì)要求等因素，在保證鉆孔質(zhì)量和安全鉆進(jìn)前提下，最大限度地簡化鉆孔結(jié)構(gòu)，降低施工難度，減少施工成本[1]。

本次共計施工鉆孔6個；其中地質(zhì)孔4個；水文孔2個。4個地質(zhì)孔中3個鉆孔采用五開鉆孔結(jié)構(gòu)，1個鉆孔采用四開鉆孔結(jié)構(gòu)；2個水文孔均采用四開鉆孔結(jié)構(gòu)。

五開鉆孔結(jié)構(gòu)：一開采用Φ172mm無內(nèi)徑復(fù)合片鉆頭進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，穿過回填土和砂層，下入Φ168mm套管；二開用Φ150mm金剛石鉆頭進(jìn)行單管鉆進(jìn)，穿過第四系進(jìn)入相對完整的基巖后，下入Φ146mm套管；三開用Φ127mm金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，穿過上部復(fù)雜地層后，下入Φ108mm套管；四開用Φ96.5mm金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至鉆孔中段后，下入Φ89mm套管；五開采用直徑Φ76.5mm金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至設(shè)計孔深[2]。

四開鉆孔結(jié)構(gòu)：一開采用Φ172mm無內(nèi)徑復(fù)合片鉆頭進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，穿過回填土和砂層，下入Φ168mm套管；二開用Φ150mm金剛石鉆頭進(jìn)行單管鉆進(jìn)，穿過第四系進(jìn)入相對完整的基巖后，下入Φ146mm套管；三開用Φ127mm金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，穿過上部復(fù)雜地層后，下入Φ114mm套管；四開用Φ98mm金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至設(shè)計孔深。

2.3 鉆孔質(zhì)量評述

經(jīng)過甲方驗收，完成的所有鉆孔每百米頂角最大偏差為1°，方位角最大偏差為2°，鉆孔質(zhì)量均為一級。

3 項目實施過程中遇到的問題

雖然山東省萊州市西嶺村金礦勘探鉆探工程項目（標(biāo)段一）順利完工，并且取得了較好的成績。但是在施工過程中，每個鉆孔都不可避免的遇到了一些問題，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。例如方位角增大、頂角下垂等。其中最為嚴(yán)重的就是ZK100-5鉆孔。該鉆孔在施工869m～938m孔段過程中，由于巖層、巖性、巖石的傾角、軟硬互層的變化等因素，導(dǎo)致鉆孔出現(xiàn)鉆孔頂角連續(xù)下垂，鉆孔軌跡偏離原來設(shè)計軌跡的現(xiàn)象?，F(xiàn)場采取了多種措施，如優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)、改進(jìn)鉆進(jìn)參數(shù)等，但都未能改善鉆孔頂角下垂的狀況。最后，我們選擇用425#水泥，配制水灰比為0.5～0.6的水泥漿，封堵800m以下孔段，等待凝固2～3天后，透孔至869m處，然后從869m處對該鉆孔進(jìn)行人工造斜。

4 人工造斜的難點及方法選擇

業(yè)內(nèi)現(xiàn)使用的造斜技術(shù)有螺桿鉆、LZ連續(xù)造斜器、鋼球支撐以及偏心楔等。

螺桿鉆具要求沖洗液應(yīng)盡量清潔，含砂量應(yīng)低于1%，顆粒直徑應(yīng)小于0.3mm，黏度不宜大，盡量采用清水、無固相或低固相材料配制，但是ZK100-5鉆孔上部孔段地層破碎，如果長時間使用符合螺桿鉆要求的沖洗液，會導(dǎo)致孔壁的穩(wěn)定性被破壞，鉆孔出現(xiàn)坍塌掉塊現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致孔內(nèi)事故的發(fā)生。

LZ連續(xù)造斜器和鋼球支撐等造斜技術(shù)均需水泥漿封孔營造堅硬人工孔底，但是ZK100-5鉆孔施工地點臨近海邊，鉆孔內(nèi)多為海浸水，再加上深孔灌注技術(shù)不可靠等因素往往導(dǎo)致水泥固結(jié)質(zhì)量很差，不足以滿足以LZ連續(xù)造斜器和鋼球支撐等造斜技術(shù)的造斜需求[3]。

最后，經(jīng)過討論，確定使用簡易可取式偏心楔進(jìn)行人工造斜。因為簡易可取式偏心楔制作方便、造價低廉，實施起來操作簡單、效果明顯，還不受沖洗液、人工孔底及孔內(nèi)地層等因素的影響。

5 簡易可取式偏心楔的制作、使用及出現(xiàn)的問題

5.1 簡易可取式偏心楔的設(shè)計及制作

5.1.1 簡易可取式偏心楔的設(shè)計

（1）材料的選擇。

考慮現(xiàn)場施工條件和施工現(xiàn)場已有管材等因素，決定直接使用Φ89mm的繩索取心鉆桿制作偏心楔。

（2）確定楔頂角。

楔頂角過小則造斜效果不好，且在取出偏心楔后用鉆具擴(kuò)孔時鉆具容易回到老鉆孔；過大則造斜時容易掃壞楔面，且在取出偏心楔后用鉆具擴(kuò)孔時難以將鉆具導(dǎo)入新鉆孔內(nèi)。綜合考慮各種因素后，決定制作楔頂角為1°的偏心楔。

5.1.2 簡易可取式偏心楔的制作

根據(jù)需要的偏心楔尺寸在鉆桿上畫好中心線，沿中心線兩側(cè)對稱畫好楔面標(biāo)記線，用切割機(jī)沿標(biāo)記線切割，切口處形成楔身，楔身上部未切割的鉆桿部分即為連接管，把切割掉的部分翻轉(zhuǎn)過來作為楔面焊接到原切口處（楔面高度從楔身與連接管的連接端到楔身的自由端逐漸增大，沿中心線的剖面呈楔形），制成簡易可取式偏心楔（圖1）。

圖1 簡易可取式偏心楔

5.2 人工造斜鉆進(jìn)流程

（1）將簡易可取式偏心楔上端與Φ89mm的繩索取心鉆桿連接；

（2）用Φ89mm的繩索取心鉆桿將簡易可取式偏心楔下入到距離孔底1m處，同時將地面上端的鉆桿與帶軸承的圓盤連接，方便偏心楔旋轉(zhuǎn)；

（3）從鉆桿內(nèi)下陀螺測斜儀，下入到偏心楔楔面后，開始測斜，測斜完成后，在地面上端的鉆桿做好標(biāo)記，然后轉(zhuǎn)動地面上端的鉆桿，帶動鉆孔內(nèi)的偏心楔一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)1/8周，再次進(jìn)行測斜，如此反復(fù)，直至回到最初的標(biāo)記位置；

（4）將陀螺測斜儀從鉆孔內(nèi)取出，讀取測斜數(shù)據(jù)，從8組測斜數(shù)據(jù)中，篩選出最接近理想造斜軌跡的數(shù)據(jù)；

（5）轉(zhuǎn)動地面鉆桿，將偏心楔轉(zhuǎn)動至最優(yōu)標(biāo)記位置，然后將偏心楔下到鉆孔底部，并將地面上端的鉆桿卡固；

（6）下入Φ75mm繩索取心鉆具，當(dāng)鉆具進(jìn)入楔面后開始導(dǎo)斜鉆進(jìn)；造斜開始時,輕壓慢進(jìn)均勻鉆進(jìn)，防止磨削破壞偏心楔，隨著造斜進(jìn)尺的增加，鉆頭唇面和巖石接觸的面積增大，鉆壓和轉(zhuǎn)速可適當(dāng)增高；

（7）導(dǎo)斜鉆進(jìn)結(jié)束后，將導(dǎo)斜鉆進(jìn)鉆具從鉆孔內(nèi)提出，并將孔內(nèi)的Φ89mm的繩索取心鉆桿和偏心楔一同取出，若偏心楔完好，可留待下次使用；

（8）將前端為Φ75mm、后端為Φ96.5mm的組合導(dǎo)向鉆頭與Φ89mm的繩索取心鉆桿鏈接，并將其下入新鉆孔頂部，對新鉆孔開始導(dǎo)向擴(kuò)孔，并在擴(kuò)孔完成后，將其取出；

（9）配置普通的Φ96.5mm繩索取心鉆具，下入到新鉆孔底部進(jìn)行正常鉆進(jìn)。

5.3 存在的問題

首次人工造斜鉆進(jìn)完成后，我們對新鉆孔的鉆孔彎曲度進(jìn)行了測量，測出的方位角和頂角距離我們理想的數(shù)值相差很遠(yuǎn)。為此，我們展開了討論，分析導(dǎo)致我們?nèi)斯ぴ煨毙Ч焕硐氲囊蛩兀詈蟮贸鲋饕蛴袃蓚€：

一是將偏心楔下放到孔底和卡固地面鉆桿的過程中不小心轉(zhuǎn)動了鉆桿，導(dǎo)致孔內(nèi)的偏心楔跟隨一起轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致楔面偏離了我們預(yù)計的方向；

二是采用陀螺測斜儀和偏心楔配合使用來調(diào)整偏心楔楔面的方向時，由于鉆孔孔徑大，陀螺測斜儀在楔面上容易出現(xiàn)歪斜的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，無法精準(zhǔn)的判斷楔面在孔內(nèi)的方向，從而使后期的導(dǎo)斜鉆進(jìn)無法達(dá)到預(yù)期的效果。

根據(jù)分析結(jié)論，我們在采用排除法基礎(chǔ)上進(jìn)行了第二次人工造斜，這次人工造斜過程中，著重對下放偏心楔和卡固地面鉆桿兩道工序進(jìn)行了嚴(yán)格的把關(guān)控制，確保這兩道工序不出現(xiàn)任何問題。但是第二次人工造斜完成后，發(fā)現(xiàn)測出的方位角和頂角依然未能達(dá)到我們預(yù)期的數(shù)值。由此我們推論，導(dǎo)致兩次人工造斜效果不理想的主要因素應(yīng)該是陀螺測斜儀直徑與鉆孔直徑相差較大，陀螺測斜儀在楔面上容易出現(xiàn)歪斜的現(xiàn)象，導(dǎo)致頂角和方位角數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，從而無法精準(zhǔn)的判斷楔面在孔內(nèi)的方向?qū)е碌摹?/p>

兩次人工造斜前后頂角和方位角數(shù)值見表1。

表1 人工造斜前后頂角和方位角對比表

6 創(chuàng)新后偏心楔的制作、使用及效果

6.1 創(chuàng)新后的簡易可取式偏心楔

針對上面兩次人工造斜最后分析得出的結(jié)論，我們決定放棄現(xiàn)有的偏心楔定位方式，通過優(yōu)化簡易可取式偏心楔結(jié)構(gòu)，來與其它類型定向儀器配合使用，去除定向數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的因素，進(jìn)而提高人工造斜的成功率。

創(chuàng)新方法是在原有簡易可取式偏心楔的基礎(chǔ)上，在連接管壁下端的自由邊中心線位置處設(shè)置卡槽，在卡槽內(nèi)放入定位鍵，用焊接的方式與原來的簡易可取式偏心楔連接好，形成創(chuàng)新后的簡易可取式偏心楔（圖2），然后將原來的陀螺測斜儀更換為JDZ-1型鉆進(jìn)定向儀，通過JDZ-1型鉆進(jìn)定向儀與創(chuàng)新后簡易可取式偏心楔配合使用的方法，達(dá)到精準(zhǔn)定向偏心楔楔面方向的目的。

圖2 創(chuàng)新后的簡易可取式偏心楔

6.2 人工造斜鉆進(jìn)流程

（1）將創(chuàng)新后的簡易可取式偏心楔上端與Φ89mm的繩索取心鉆桿連接；

（2）用Φ89mm的繩索取心鉆桿將偏心楔下入到距離孔底有1m處，同時將地面上端的鉆桿與帶軸承的圓盤連接，方便偏心楔旋轉(zhuǎn)；

（3）從鉆桿內(nèi)下入JDZ-1型鉆進(jìn)定向儀，使定向儀下端鍵槽與定位鍵接觸連接，JDZ-1型鉆進(jìn)定向儀通過投影原理確定定位鍵的方位，根據(jù)定向儀傳輸?shù)降孛娴耐队皥D上的定位鍵方位角和垂向角（圖3）來確定楔面方向，轉(zhuǎn)動地面上的鉆桿，使楔面朝向需要導(dǎo)斜的方向，完成偏心楔方位定向調(diào)整；

圖3 工具垂向角和方位角

（4）定向完畢后，將定向儀從鉆桿內(nèi)提出，然后將偏心楔下到鉆孔底部，并將地面上端的鉆桿卡固；

（5）下入Φ75mm繩索取心鉆具，在鉆具進(jìn)入楔面前，利用鉆具自重及鉆桿壓力將定位鍵壓掉，然后鉆具進(jìn)入楔面開始導(dǎo)斜鉆進(jìn)，造斜開始時,輕壓慢進(jìn)均勻鉆進(jìn)，防止磨削破壞偏心楔，隨著造斜進(jìn)尺的增加，鉆頭唇面和巖石接觸的面積增大，鉆壓和轉(zhuǎn)速可適當(dāng)增高；

（6）導(dǎo)斜鉆進(jìn)結(jié)束后，將導(dǎo)斜鉆進(jìn)鉆具從鉆孔內(nèi)提出，并將孔內(nèi)的Φ89mm的繩索取心鉆桿和偏心楔一同取出，若偏心楔完好，可在重新焊接定位鍵后，留待下次使用；

（7）將前端為Φ75mm、后端為Φ96.5mm的組合導(dǎo)向鉆頭與Φ89mm的繩索取心鉆桿鏈接，并將其下入新鉆孔頂部，對新鉆孔開始導(dǎo)向擴(kuò)孔，并在擴(kuò)孔完成后，將其取出；

（8）配置普通的Φ96.5mm繩索取心鉆具，下入到新鉆孔底部進(jìn)行正常鉆進(jìn)。

6.3 人工造斜鉆進(jìn)效果

人工造斜一套工序完成后，我們對新鉆孔的鉆孔彎曲度進(jìn)行了測量，經(jīng)檢測，新鉆孔的頂角和方位角，均符合理想預(yù)期。為了保證鉆孔質(zhì)量能夠符合設(shè)計要求，我們在此基礎(chǔ)上又連續(xù)進(jìn)行了兩次人工造斜，每次都取得良好的效果。三次人工造斜前后頂角和方位角對比見表2。

表2 人工造斜前后頂角和方位角對比表

7 結(jié)語

利用簡易可取式偏心楔進(jìn)行孔內(nèi)糾斜，成功解決了ZK100-5鉆孔的頂角連續(xù)下垂的難題，保證了鉆孔質(zhì)量。該技術(shù)操作方便，調(diào)整速度快，器具可回收重復(fù)利用，具有良好的實用性和經(jīng)濟(jì)性。我們在該項目其它施工鉆孔中也應(yīng)用了該項技術(shù)，取得了良好的人工造斜效果，為該地區(qū)的鉆探施工提供了可借鑒的經(jīng)驗。