湘河大泉釩礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)

毛雅杰,陳全明

(西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì),陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)

毛雅杰,陳全明

(西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì),陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦鉆探施工中所遇到的主要問題是第四系黃土層及坡積礫石、細(xì)砂巖風(fēng)化層較厚,上部破碎,鉆孔坍塌、掉塊嚴(yán)重,下部礦層呈粉狀粘土巖,取心難度十分大,成孔困難,導(dǎo)致勘探工程進(jìn)展緩慢。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)分析原因,采取有針對(duì)性的鉆探工藝及其他技術(shù)措施,有效地解決了這些問題。

巖心鉆探;復(fù)雜地層;坍塌;掉塊;護(hù)壁;取心

1 概述

湘河大泉釩礦位于陜西省商南縣境內(nèi),此礦區(qū)是中國(guó)與加拿大合資項(xiàng)目。施工區(qū)域內(nèi)主要地層為第四系黃土層及坡積礫石,上部含砂礫,下部為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r及角礫狀白云巖互層。礦體主要為碳質(zhì)粘土巖,礦層呈粉狀,取心十分困難。

由于首次接觸釩礦巖心鉆探施工,對(duì)于地層的復(fù)雜程度了解不到位,在施工第一個(gè)鉆孔 ZK801孔時(shí),走了一些彎路,臺(tái)月效率不足 200 m。經(jīng)過該孔的探索、實(shí)踐,獲得了該礦區(qū)鉆探技術(shù)要點(diǎn),后續(xù)鉆孔臺(tái)月效率達(dá)到 300 m以上。本文以 ZK801孔的施工過程為例,介紹該礦區(qū)鉆探施工中出現(xiàn)的主要問題及解決措施。

2 鉆孔設(shè)計(jì)情況

根據(jù)地質(zhì)找礦需求,該礦區(qū)前期設(shè)計(jì) 8個(gè)鉆孔,主要是查明礦體條數(shù)、產(chǎn)狀、厚度及品位。鉆孔設(shè)計(jì)深度 200～450 m。鉆孔所遇到地層由上到下依次為:第四系黃土層及坡積礫石,厚度 15～40 m;灰質(zhì)白云巖,白云質(zhì)灰?guī)r,厚度 100～220 m之間;泥質(zhì)灰?guī)r,灰質(zhì)白云巖,角礫狀白云巖,厚度 80～170 m,礦體位于該層下部,厚度 10～30 m,鉆穿礦層 20～30 m即可終孔,終孔孔徑 75 mm。

3 鉆探設(shè)備及施工工藝

施工設(shè)備:XY-4型鉆機(jī),BWJ-125型泥漿泵,A形鉆塔。

施工工藝:S75繩索取心鉆進(jìn),泥漿護(hù)壁。

4 施工中出現(xiàn)的主要問題及解決辦法

ZK801鉆孔設(shè)計(jì)深度 370 m,傾角 65°,方位角245°。施工一開采用 “130 mm硬質(zhì)合金鉆頭開孔,鉆穿第四系黃土層及坡積礫石下入 “127 mm套管封住上部易坍塌層;二開采用 “110 mm口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn)至較為完整巖層后,下入 “108 mm地質(zhì)套管;三開采用 “91 mm鉆具導(dǎo)正 “75 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。

4.1 施工中遇到的主要問題

(1)第四系黃土層及強(qiáng)風(fēng)化層成孔困難。由于下達(dá)的地質(zhì)設(shè)計(jì)施工任務(wù)書對(duì)第四系覆蓋層的厚度沒有表述,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開孔措施重視不夠,該孔位正好位于兩山之間溝底,由于常年累月的沉積物堆積,實(shí)際第四系松散層厚度達(dá)到 20 m,并且含碎石量高,約占體積的 50%。風(fēng)化層厚度達(dá) 25 m,開孔至 50 m孔段,漏失一般,坍塌嚴(yán)重。

(2)“108 mm地質(zhì)套管下完后,更換為 “75 mm繩索取心鉆進(jìn) ,在 95～105、165～185、215～221、257～265 m等孔段均出現(xiàn)滲漏至全孔漏失現(xiàn)象,并有輕微的掉塊現(xiàn)象。導(dǎo)致事故較多、施工效率大幅度下降、施工成本急劇上升,嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

(3)近礦尾巖孔段采心困難,采取率達(dá)不到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。主要原因是礦層軟硬互層,硬層厚度在 0105～0110 m之間,軟層見水就化。

4.2 施工過程中所采取的技術(shù)措施

4.2.1 對(duì)于上部第四系黃土層及坡積礫石孔段漏失、坍塌的處理

ZK801孔開孔后,由于對(duì)該層位重視不夠,按照常規(guī)的方法進(jìn)行施工,采用高粘度固相泥漿護(hù)壁直接鉆進(jìn)至孔深 16 m,孔內(nèi)出現(xiàn)漏失、坍塌,故采用加大泥漿粘度和密度來處理漏失層,但效果不理想,隨后,給泥漿加入固相材料后漏失得到有效控制。為了保證施工安全,提前下入 “127 mm地質(zhì)套管封堵上部漏失層和坍塌層。之后 “110 mm口徑鉆進(jìn),鉆進(jìn)至孔深 25 m時(shí),孔內(nèi)出現(xiàn)漏失,孔壁失穩(wěn),坍塌嚴(yán)重,鉆具下不到孔底,孔深又變?yōu)?21 m,被迫停鉆。分析原因,確定采用白泥球固壁、泥漿護(hù)壁的方法鉆進(jìn),即對(duì)已成孔投入含有 CMC、白泥、Na2CO3的粘土球,每投入一定量后,下入錐形鉆頭反復(fù)搗實(shí),直至填到 “127 mm套管內(nèi),再使用泥漿循環(huán)鉆進(jìn),鉆進(jìn)一段再用粘土球封固一段,按照此方法反復(fù)進(jìn)行,取得了比較好的護(hù)壁效果,很快就穿過第四系黃土層及坡積礫石,然后采用金剛石鉆頭鉆達(dá)完整巖層后下入 “108 mm地質(zhì)套管,換徑 S75繩索取心鉆具正常施工。

為減小鉆具與孔壁的阻力,提高鉆進(jìn)效率,正常鉆進(jìn)時(shí)采用無固相泥漿。其配方為:淡水∶CMC∶植物膠∶廣譜護(hù)壁劑 =1 m3∶3 kg∶2 kg∶115 kg。其性能為:密度 1101～1103 kg/cm3,粘度 21～23 s,失水量 15 mL/30 min。該泥漿的主要特點(diǎn)是具有良好的護(hù)壁、潤(rùn)滑、防漏失和減小阻力的效果,性能調(diào)整范圍較大。

4.2.2 坍塌孔段的護(hù)壁處理措施

由于該地區(qū)受斷裂帶的影響,鉆孔在正常施工過程中鉆遇細(xì)砂層時(shí)出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌情況。根據(jù)ZK801孔的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一套處理細(xì)砂層的辦法:采用泥漿快速穿過,之后采用注水泥固孔的辦法處理。注水泥漿的要領(lǐng):首先,用清水洗孔,將粘在孔壁上的泥皮洗凈,再將準(zhǔn)備好的 425水泥漿 (密度在 1180～1185 g/cm3)快速?gòu)你@桿內(nèi)注入孔內(nèi),注意在施工時(shí)必須密切注意孔內(nèi)排粉量,以便孔徑的測(cè)算,計(jì)算好水泥用量,確保一次性成功。候凝 36～48 h開始透水泥,透完水泥塞后,應(yīng)將水泥漿與泥漿混合液替換,換新泥漿再鉆進(jìn)。

4.2.3 全漏失孔段的護(hù)壁堵漏措施

全孔漏失是先出現(xiàn)滲漏,然后迅速轉(zhuǎn)為全部漏失。ZK801孔鉆進(jìn)到孔深 95 m時(shí),泥漿滲漏發(fā)展到全孔漏失,采用 4.2.1所述的解決滲漏的措施,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)處理毫無效果。經(jīng)過研究,先采用 CMC+植物膠 +Na2CO3與水?dāng)嚢璩珊隣钤購(gòu)你@桿內(nèi)灌入;然后調(diào)整泥漿,提高粘度,加入惰性材料和堵漏劑,合上回轉(zhuǎn)器,開泵送入孔內(nèi),在確認(rèn)加入的材料到達(dá)漏失位置時(shí)(泵壓突然升高又快速回之平穩(wěn)狀),停止泥漿泵,回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速控制在 310～390 r/min,并上下串動(dòng) 4～5次,使所加入的材料擠至孔內(nèi)壁的裂隙上,開泵循環(huán),漏失孔段消失后,逐步將泥漿粘度調(diào)整恢復(fù)到正常鉆進(jìn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

由于該礦區(qū)鉆孔漏失孔段多,出現(xiàn)漏失次數(shù)較多,根據(jù) ZK801孔成功經(jīng)驗(yàn)與方法,將上述堵漏方法進(jìn)行了總結(jié)。并在本工區(qū)各機(jī)臺(tái)相互學(xué)習(xí)和交流,共同掌握此方法。為該礦區(qū)后續(xù)鉆孔的施工打下基礎(chǔ)。

4.2.4 提高近礦圍巖段巖心采取率的施工措施

該礦區(qū)鉆進(jìn)到近圍巖段,為特殊的巖性及地質(zhì)構(gòu)造,礦層為粘土巖,軟硬互層。地質(zhì)設(shè)計(jì)要求巖心不能被泥漿浸泡,保持巖心完整,回次進(jìn)尺必須控制在 0130 m。采用普通繩索取心工藝達(dá)不到要求的采取率,甚至是空管,根本達(dá)不到地質(zhì)要求,礦層太厚時(shí)出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,造漿率極高,造成埋鉆事故。

為解決這一問題,ZK801孔施工中采用泥漿及鉆進(jìn)工藝兩個(gè)方面的綜合措施。

(1)調(diào)整泥漿,將孔內(nèi)原有泥漿全部替換,更換新配置無固相泥漿,其配方為:淡水∶CMC∶PAM∶聚丙稀酸鉀 =1 m3∶3 kg∶015 kg∶2 kg,泥漿粘度保持 22～24 s,密度保持在 1103～1106 g/cm3,失水量 6～10 mL/30 min。主要作用是提高泥漿粘度,護(hù)壁性能好,還能夠很好潤(rùn)滑孔壁攜帶大量巖粉。

(2)選用雙動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn),鉆具總長(zhǎng)度不超過 1180 m。采用小八角硬質(zhì)合金自制外徑為 “75 mm,內(nèi)出刃 2100 mm硬質(zhì)合金鉆頭。配內(nèi)鉆頭 63/43 mm復(fù)合片鉆頭,內(nèi)鉆頭超前外鉆頭 0150～0170 m。鉆壓 5～8 kN,轉(zhuǎn)速 80～180 r/min,沖洗液量 60～100 L/min,回次進(jìn)尺控制在 0130 m。

操作注意事項(xiàng):在下鉆時(shí)嚴(yán)禁急剎車、跑鉆現(xiàn)象發(fā)生,必須做到平穩(wěn)下鉆,下至距孔底 2100～3100 m時(shí)合上回轉(zhuǎn)器掃至孔底再鉆進(jìn)。上鉆時(shí)禁止高速、墩鉆,要求平穩(wěn),每鉆 12～18 m時(shí)必須回灌泥漿一次,達(dá)到平衡環(huán)空壓力的作用。通過施工實(shí)踐,成功地解決了取心難的問題,從而提高了巖礦心的采取率,達(dá)到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

5 鉆進(jìn)效果

有了 ZK801孔的經(jīng)驗(yàn),施工 ZK1201及 ZK1202等鉆孔時(shí),采取了預(yù)防措施,取得了良好的效果,特別是在施工 ZK5002孔時(shí),該孔設(shè)計(jì)孔深 300 m,實(shí)際終孔深度 499174 m,鉆遇釩礦層共 3層,最厚礦層達(dá)到 30 m,經(jīng)過加拿大專家現(xiàn)場(chǎng)檢查,該孔巖(礦)心平均采取率 98%,礦心采取率均在 100%,贏得了加拿大專家一致好評(píng)。

該礦區(qū)地層基本相似,都存在漏失和全孔漏失的孔段,在施工第一個(gè)鉆孔所積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在鉆探工藝上不斷總結(jié),后續(xù)鉆孔都不同程度縮短了施工時(shí)間。取得了好的經(jīng)濟(jì)效益,已施工的鉆孔均被評(píng)為一級(jí)鉆孔。

6 結(jié)語

(1)加強(qiáng)學(xué)習(xí)交流,提高對(duì)鉆進(jìn)規(guī)律的認(rèn)識(shí),是解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)的捷徑。

(2)該礦區(qū)采取的提前預(yù)防、配置泥漿護(hù)壁、根據(jù)不同的層位及時(shí)調(diào)換泥漿的方法是解決復(fù)雜地層比較有效的方法。

(3)根據(jù)礦層的類型,選用不同的鉆具施工對(duì)提高近圍巖礦心的采取起到很好的效果。

[1] 胡辰光.鉆探工程技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)物全書[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

[2] 劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[3] 馬植侃,王濱,劉建明.鉆探工程學(xué) [M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1998.

Drilling Technology in Complex Formation of Xianghedaquan Vanadium Deposit

MAO Ya-jie,CHEN Quan-m ing(No.715 Party,North-westMining and Geological ExplorationBureau forNonferrousMetals,Xi’an Shaanxi710600,China)

A series of difficultieswere encountered for drilling in Xianghedaquan vanadium deposit:quaternary loess&di-luvium gravel,thick weathered layer of fine sand rock;broken upper partwith borehole collapsing and block falling;pow2 der clay rock for lower ore bed,hard for coring and boring.These difficultieswere effectively overcome by pertinent drilling technology and technicalmeasures.

coring drilling;complex formation;collapsing;block-falling;wall protection;coring

P634

A

1672-7428(2010)03-0021-03

2009-11-20

毛雅杰(1963-),男 (漢族),河南偃師人,西北有色地質(zhì)勘查局七一五總隊(duì)副總隊(duì)長(zhǎng)、工程師,探礦工程專業(yè),從事石油勘探、探礦工程與管理工作,陜西省西安市臨潼區(qū)文化東路 41號(hào),715myj@sohu.com。