謝遠彬

(廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，廣東梅州 514089)

1 項目概況及地層特征

1.1 項目概況

“浙閩粵火山巖區(qū)銅金礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查”是由中國地質(zhì)調(diào)查局牽頭實施的重要礦集區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查子項目之一，由中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所承擔?！皬V東梅州地區(qū)找礦靶區(qū)工程驗證”屬“浙閩粵火山巖區(qū)銅金礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查”子項目的委托業(yè)務，由廣東省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊承擔施工，主要工作內(nèi)容是470 m機械巖心鉆探工程施工。

項目目標任務是協(xié)助核心業(yè)務工作組系統(tǒng)收集分析工作區(qū)已有資料、成果和圖件，特別是1∶200 000和1∶50 000區(qū)調(diào)及物化探成果、礦床勘查報告、礦產(chǎn)資源勘查規(guī)劃、開發(fā)利用與保護等相關資料；配合項目圈定預測靶區(qū)，按時保質(zhì)完成鉆探施工任務(包括施工方案、征地、便道施工、機臺平整、回填清理等)，獲取深部礦化信息；完成巖心編錄、采樣和樣品郵寄工作；保管巖心；完成野外驗收，提交年度成果報告和下一步工作建議。

1.2 靶區(qū)地層特征

靶區(qū)為廣東金雁工業(yè)集團有限公司玉水硫銅礦范圍，該礦區(qū)位于梅縣區(qū)城東鎮(zhèn)玉水村，于1985年建成投產(chǎn)，設計開采能力5萬噸/年，主要產(chǎn)品為銅、鉛、鋅精礦。該礦是國內(nèi)罕見的特富礦山，斑銅礦和輝銅礦品位高達60%，并伴生豐富的鉛鋅礦和金銀等貴金屬礦。該項目共布置兩個鉆孔，分別為ZK1和ZK2，終孔深度分別是240.85 m和280.05 m。

從揭示的地質(zhì)資料顯示，ZK1孔上部為一套石炭系壺天群的灰?guī)r地層，部分層位白云質(zhì)含量較高，常夾有白云質(zhì)灰?guī)r，裂隙多被方解石脈充填，可見少量綠泥石化與黃鐵礦化。100～140 m為泥盆系老虎頭組的石英砂巖，黃鐵礦化較為明顯；107～109 m為黃鐵礦化構(gòu)造帶，黃鐵礦化、硅化、綠泥石化較為明顯；140～226 m為輝綠巖侵入巖脈；在226 m以深重新出現(xiàn)石英砂巖?？變?nèi)穩(wěn)定水位約3.0 m。

ZK2孔除了上層少量坡積土以外，均為風化程度不同的二長花崗巖。140 m以上皆為全風化的二長花崗巖，其中易風化礦物已完全風化成土，巖體極易破碎，下部為中風化和微風化二長花崗巖。在196～198 m出現(xiàn)蝕變帶，硅化、綠泥石化、黃鐵礦化較為明顯；198～280 m為微風化二長花崗巖。

2 鉆孔施工技術(shù)路線

2.1 施工設備

本次鉆探項目采用的是一臺套中地裝重慶探礦機械有限公司生產(chǎn)的XY-1000型鉆機。該鉆機是中地裝重慶探礦機械有限公司在目前國內(nèi)千米鉆機系列基礎上開發(fā)設計的新產(chǎn)品，可使用于金剛石或合金鉆頭進行巖心鉆探以及工程地質(zhì)勘探、水文、水井、大口徑工程施工孔鉆進。鉆機使用直徑75 mm繩索取心鉆桿，最大鉆深能力達1000 m，采用輸出功率為42 kW的柴油機驅(qū)動。

采用衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司生產(chǎn)的BW250泥漿泵，泥漿泵由8.8 kW的柴油機驅(qū)動，配備10 kW的柴油發(fā)電機一臺，用于驅(qū)動繩索取心絞車、取水泵以及其他設備的供電。

采用上海地學儀器研究所JTL-40GX光纖陀螺測斜儀，儀器性能參數(shù)見表1。

表1 JTL-40GX光纖陀螺測斜儀性能參數(shù)

JTL-40GX光纖陀螺測斜儀采用光纖陀螺儀測量方位，不受地磁場等干擾，具有精度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、應用范圍廣等特點。

2.2 技術(shù)路線

本次鉆探工作在以往區(qū)域施工基礎上，系統(tǒng)收集并深入分析本區(qū)已有的鉆探施工成果資料，使用XY-1000型鉆機，采用金剛石繩索取心工藝，配合低固相沖洗液進行鉆孔施工。

開孔采用直徑130 mm或110 mm鉆具干鉆開孔，鉆穿地表風化層后下入套管作為孔口管。采用少一級的普鉆向下鉆進至鉆進困難時，下套管后再改小一級的鉆頭向下鉆進。直徑95 mm及75 mm口徑采用繩索取心工藝，其他口徑為普通鉆進，最后終孔口徑為75 mm。

3 鉆探施工難點

ZK1孔地層為裂隙發(fā)育的灰?guī)r，全孔段破碎、漏水，且出現(xiàn)多個充填溶洞，充填物為土中帶石英砂。鉆進過程中出現(xiàn)掉塊、坍塌垮孔、全孔段漏水、縮徑等諸多難題，易造成鉆具折斷、卡鉆、燒鉆、埋鉆等事故，鉆進阻力大，潤滑劑消耗嚴重，鉆進參數(shù)異常，鉆進困難。

ZK2鉆孔覆蓋層過厚，0～196 m均為中風化地層，風化花崗巖遇水變砂，容易出現(xiàn)孔壁垮塌、縮徑等情況，造成埋鉆、斷鉆桿等孔內(nèi)事故，鉆進阻力大，施工難度高。

4 主要技術(shù)措施

4.1 針對復雜底層技術(shù)措施

主要是解決鉆進過程中扭矩大的問題，避免阻力過大出現(xiàn)斷鉆桿、卡鉆等孔內(nèi)事故。由于該灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，全孔破碎、易掉塊，且?guī)缀跞茁┦В貏e是ZK2孔，近180 m的覆蓋風化層，鉆進阻力非常大，材料與燃油消耗也很大。為避免發(fā)生孔內(nèi)事故，我們主要采取了如下技術(shù)措施。

4.1.1 合理配制沖洗液

在復雜地層的鉆探過程中，沖洗液所起到的作用至關重要。由于繩索取心鉆孔的環(huán)空比小，孔底的鉆壓高[1]，所以保證沖洗液良好的潤滑性能，就可以有效降低摩擦阻力及回轉(zhuǎn)阻力，能夠避免發(fā)生卡鉆、黏附等情況，從而減少材料與燃油消耗，延長鉆具的使用壽命。本項目采用2種配方的沖洗液，如表2所示。

表2 沖洗液配方

ZK1孔第四系覆蓋層是坡積土，采用普通單管干鉆方法，確保巖心的采取率。9.70 m到達基巖面后，改用配方1沖洗液進行直徑96 mm的繩索取心，鉆進至32.00 m深后改用直徑75 mm的繩索取心鉆至100.76 m。后因出現(xiàn)孔內(nèi)事故，孔內(nèi)出現(xiàn)有多層充埋的溶洞，充填物含有砂土，鉆進過程中，有巖塊及砂土落入孔內(nèi)，且漏失泥漿液，造成鉆進時阻力大，出現(xiàn)孔內(nèi)事故風險大。經(jīng)分析研究，采用擴孔鉆頭進行至100.76 m，再改用直徑96 mm的繩索取心鉆頭向下鉆至127.46 m的相對完整基巖層，最后用76 mm口徑鉆至終孔。由于全孔漏失，隨著鉆孔的加深，逐漸減少了膨潤土的含量，保持沖洗液的黏度及潤滑性能。

ZK2孔吸取了ZK1孔的經(jīng)驗，開孔采用直徑110 mm鉆具開孔，鉆至33.79 m，擴孔至130 mm后，下入直徑127 mm的套管；使用96 mm口徑繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進至80.06 m后，擴孔至110 mm并下入直徑108 mm的套管；繼續(xù)用直徑76 mm繩索鉆具鉆至146.20 m，擴孔后下入直徑89 mm的套管鉆至146.20 m；最后用直徑76 mm的繩索取心鉆至終孔。

該孔從地面起至孔深142 m為全風化花崗巖，142～180 m為中風化花崗巖，采用配方2無固相沖洗液，沖洗液的漏失量隨著鉆孔的深度加深而增加，至180 m左右以后全孔漏水。鉆進過程中，鉆進阻力非常大，小幅調(diào)整Na-CMC含量，尋求一種阻力最小且經(jīng)濟實用的沖洗液配方。

4.1.2 增加套管的埋深

套管作用是封隔地表淺水層及淺部疏松和復雜地層，減少鉆進阻力，是保護孔壁最有效的措施[2]。本次施工的2個鉆孔均采用直徑96 mm的繩索取心鉆桿預留在孔內(nèi)當套管的方法，使用時要充分了解地層情況、鉆機工況及提下鉆桿情況，一般用于復雜且易垮塌的地層。

使用直徑96 mm的繩索取心鉆桿鉆至稍完整地層，整個鉆具包括巖心外管和鉆頭，一套鉆具全部留在孔內(nèi)作為套管，用于保護孔壁。然后再用直徑75 mm的繩索取心鉆具放在直徑96 mm的鉆桿內(nèi)繼續(xù)往下鉆進，解決下套管受阻和起鉆塌孔的問題。ZK1孔在鉆進至孔深100 m時，出現(xiàn)了一個約3 m的充填溶洞，充填物為灰黑色的砂質(zhì)黏土，且裂隙非常發(fā)育，出現(xiàn)破碎掉塊情況，鉆進過程中鉆機工作異常，鉆進阻力大。當鉆至127.46 m時，鉆桿頭部正好平孔口時，把直徑96 mm整套鉆具留在孔內(nèi)作套管用，為下入直徑75 mm繩索取心創(chuàng)造了條件。

采用該方法時，一定要先測量直徑96 mm繩索取心鉆具外管的扶正環(huán)及卡簧內(nèi)徑大于直徑75 mm的取心鉆頭，保證鉆頭能夠通過外管。此外，由于75 mm鉆頭的外徑大于96 mm鉆頭的內(nèi)徑，所以最好計算好鉆頭的磨損情況，預留鉆桿時，鉆頭磨損達到極限，減少直徑75 mm鉆頭穿過直徑96 mm鉆頭時的磨損。

4.1.3 鉆桿涂抹潤滑脂

巖心鉆探遇到漏失地層，特別是嚴重漏失地層，水位又很低時，由于普通沖洗液潤滑對鉆具起不到潤滑作用，不能提高轉(zhuǎn)速，致使鉆進效率明顯降低。通常采用鉆桿上涂抹潤滑脂的方法，減少鉆桿與孔壁的阻力，提高鉆進效率，減少孔內(nèi)事故。同時潤滑脂還具有一定的護壁堵漏功能，涂抹在鉆桿上的潤滑脂在孔內(nèi)隨鉆桿高速轉(zhuǎn)動，部分會被甩到孔壁上，充塞到地層縫隙中，既防止了沖洗液的漏失，又阻止了沖洗液中的水分滲入到地層中，從而保護孔壁不被水分浸泡和沖刷。該項目兩個鉆孔均采用了這種方法，由于解決了漏失鉆孔的潤滑問題，相對節(jié)省了護壁堵漏的人力、物力和財力，也提高了鉆進效率。

4.2 水泥球堵漏護壁技術(shù)

ZK1鉆孔地層為裂隙發(fā)育的灰?guī)r，全孔漏失，當鉆至孔深98 m處時，發(fā)現(xiàn)鉆機振動特別強烈，且鉆進困難，無進尺。經(jīng)分析是由于地層中出現(xiàn)多個充填溶洞，充填物中含有砂，砂不斷地掉到孔內(nèi)，使孔底存有大量的砂，造成卡鉆和進尺緩慢。

現(xiàn)場開始采用孔內(nèi)注水泥漿的辦法，用PC 425普通硅酸鹽水泥加入1%的NaCl作速凝劑，調(diào)制成水灰比約0.5∶1的水泥漿，通過泵送到孔底方法[3]，24 h后鉆進時，發(fā)現(xiàn)水泥已經(jīng)漏失，未能形成柱狀的水泥柱塊，掃孔至98 m深后，研究決定使用投水泥球辦法進行護壁堵漏。

水泥球的制作按常規(guī)做法要加入脲醛樹脂，以控制水泥球在下落過程中被水稀釋的速度[4]，但是現(xiàn)場條件有限，短時間無法采購到脲醛樹脂和速凝劑，考慮到鉆孔不深，決定就地采購PC 425普通硅酸鹽水泥4包和普通未加碘食鹽4 kg，用作堵漏材料。

準備好40 kg的水，放入4 kg食鹽，充分攪拌溶解后，與水泥充分攪拌，做成直徑約70 mm的水泥球，水泥球宜邊做邊投，直至全部投入孔中，因食鹽是速凝劑，水泥球的制作及投放動作要快。投下去的水泥球靠自身的重量壓實，投完后再用鉆桿向孔內(nèi)下壓，防止變徑處堵塞或者孔內(nèi)架橋堵塞。水泥球在下落的過程中水泥會稀釋擴散，形成一個完整的水泥柱狀體，達到護壁堵漏目的。根據(jù)既往施工經(jīng)驗，1包水泥約可以封墻4.5 m左右，4包水泥即可達到18 m左右。經(jīng)過24 h凝固后即可下鉆鉆進，從取上的水泥心看，水泥心結(jié)構(gòu)完整，敲擊聲清脆，強度高，鉆進阻力小，轉(zhuǎn)速快，已達到了護壁堵漏目的。圖1是取出的完整水泥柱心。

圖1 取出的完整水泥柱心

4.3 鉆具脫落事故的處理方法

巖心鉆探工作過程中，出現(xiàn)孔內(nèi)事故不可避免，常見的孔內(nèi)事故有埋鉆、燒鉆、卡鉆、鉆具折斷、鉆具脫落、跑鉆、工具物件落入等[5]。

發(fā)生事故后，應沉著冷靜，先查清孔內(nèi)情況，包括孔內(nèi)事故鉆具結(jié)構(gòu)(規(guī)格、種類、數(shù)量)、鉆孔結(jié)構(gòu)、孔內(nèi)巖石性質(zhì)、孔壁穩(wěn)定性、巖粉和鉆粉多少、有無其他殘留物以及事故發(fā)生起始過程中有關征兆，這些都是判斷事故情節(jié)和確定處理方法及步驟的重要依據(jù)[6]。

ZK1孔在98 m深采用投入水泥球方法進行護壁堵漏后，繼續(xù)采用直徑96 mm鉆具向下鉆進，鉆進過程中回轉(zhuǎn)阻力大，鉆機振動嚴重，只能釆用慢速鉆進。原計劃在進入較完整地層后，把直徑96 mm的鉆具預留在孔內(nèi)作套管用，再改用直徑75 mm的繩索取心鉆具至終孔。當鉆至孔深126 m時，鉆進不進尺，鉆機振動減弱，繼續(xù)通水10 min后起鉆發(fā)現(xiàn)鉆桿連接螺紋脫落，巖心外管總成落入孔內(nèi)，如圖2所示。

圖2 螺紋磨損的脫落鉆桿

事故發(fā)生后，從取出的巖心看，地層破碎且有充填的小溶洞，充填物中含有砂，孔內(nèi)含有掉塊和砂，會卡住鉆具。此外，鉆桿是舊鉆桿，螺紋已部分磨損。綜合來看，地層及鉆桿螺紋磨損是造成這起事故的主要原因。

經(jīng)測量鉆桿長度，確定遺留在孔內(nèi)的是3.3 m的取心鉆具外管總成，決定采用直徑89 mm通天公錐進行處理。在處理過程中，孔內(nèi)會出現(xiàn)掉塊及掉砂土現(xiàn)象，所以會出現(xiàn)公錐一次下不到位，需要起鉆進行掃孔，處理事故難度增加。經(jīng)過多次對位對上斷頭后，上緊公錐，使用液壓升降機無法起撥，后改用吊錘沖打，通過振動力使鉆具周圍的擠卡物松動，開始時鉆具上提的速度較快，但半小時后，幾乎無法旋轉(zhuǎn)，總計提上約20 cm。之后采用向下鉆進再向上提起的辦法，往下鉆進10 cm后，向上提起30 cm，這樣不斷地重復，經(jīng)過一個晚上的處理，終于提出脫落的鉆具，成功處理此次事故。

處理完孔內(nèi)事故后，用直徑96 mm的金剛石繩索取心打鉆至127.66 m，將直徑89 mm的鉆桿預留在孔內(nèi)作套管，再用直徑76 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進。經(jīng)多次變更孔深后，最終的孔深為240.85 m，達到委托方的要求。

5 鉆探成果

本次承接的“廣東梅州地區(qū)找礦靶區(qū)工程驗證”項目，從2020年9月2日開鉆至2020年12月4日順利完成全部鉆探工作量，中途因其他原因停工35 d，共施工2個鉆孔，鉆探進尺共計520.90 m。巖礦心長共計477.71 m，平均采取率為91.7%，鉆孔偏斜率均在允許偏差范圍內(nèi)，鉆孔合格率100%，一次性通過質(zhì)量驗收。

該項目作為玉水礦區(qū)靶點驗證鉆孔，嚴格按委托方的要求進行施工取得的全套巖心資料，完善了該區(qū)域深部地質(zhì)構(gòu)造資料，為開展尋找金屬礦床地勘工作創(chuàng)造有利條件。

6 結(jié)語

通過“廣東梅州地區(qū)找礦靶區(qū)工程驗證”2個典型地層中的鉆探作業(yè)，總結(jié)了在裂隙發(fā)育灰?guī)r以及厚覆蓋地層的繩索取心鉆進方法。在實際的鉆探施工往往是在交通不便的邊遠地區(qū)，施工進場時很難備齊所有的管材、工具、泥漿材料等鉆探物資，所以在現(xiàn)場就地取材非常重要，這樣才能提高鉆進效率。事故處理過程中，要迅速上報并確定處理事故的方法，組織工作要迅速落實，處理事故要快，操作要穩(wěn)、準，不要忙亂和蠻干，避免事故進一步惡化。同時要根據(jù)實際變化情況，調(diào)整原來制定的處理方法。實踐證明，只有嚴格遵守操作規(guī)程并采取有效的預防措施，才能降低孔內(nèi)事故的發(fā)生率。