新疆哈密白山鉬礦深孔鉆探施工工藝

馬德義,賈宏福,廖志新,付兆友,蓋志鵬

(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì),新疆哈密 839000)

新疆哈密白山鉬礦深孔鉆探施工工藝

馬德義,賈宏福,廖志新,付兆友,蓋志鵬

(新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì),新疆哈密 839000)

介紹了新疆哈密白山鉬礦深孔鉆探施工工藝。就深孔施工的一些關(guān)鍵問題,如鉆孔結(jié)構(gòu),設(shè)備選型,鉆頭選擇,沖洗液選用與維護(hù),深孔防斜等進(jìn)行了探討。

深孔鉆探;鉆孔結(jié)構(gòu);沖洗液;深孔防斜;巖心鉆探

1 項(xiàng)目概況

白山鉬礦位于哈密市東南 275 km處,是新疆維吾爾自治區(qū)深部找礦重點(diǎn)項(xiàng)目。為向深部繼續(xù)挖掘潛力,自治區(qū)加大投入進(jìn)一步加大白山鉬礦深部找礦勘查力度。2010年該項(xiàng)目設(shè)計(jì) 2個(gè)深孔,設(shè)計(jì)孔深分別為 1900和 2000 m,設(shè)計(jì)傾角均為 90°,由我隊(duì)承擔(dān)。

其中 ZK15-5孔終孔孔深 2103 m,總計(jì) 796個(gè)回次,臺(tái)效 353 m,純鉆時(shí)效 1.5 m。該孔暫時(shí)為西北地區(qū)巖心鉆探最深孔。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層與構(gòu)造

礦區(qū)范圍內(nèi)以近東西向斷層及破碎帶構(gòu)成主要的斷層構(gòu)造格局,在局部位置上存在北北東向和北北西向斷層。礦區(qū)內(nèi)干墩組地層構(gòu)成向斜褶皺,地層傾角 63°～84°。

2.2 巖性

礦區(qū)巖性主要為長(zhǎng)英質(zhì)角巖、細(xì)碧巖、石英和花崗巖等。巖石完整、致密、堅(jiān)硬。石英脈發(fā)育,厚度幾毫米到幾米不等。巖石研磨性強(qiáng)弱變化多,整體上表現(xiàn)出軟硬互層現(xiàn)象。以 ZK15-5孔為例:0～800 m內(nèi),輝鉬礦化黑云母斜長(zhǎng)角巖,細(xì)碧巖和斜長(zhǎng)角巖交替出現(xiàn),部分孔段斜長(zhǎng)角巖蝕變強(qiáng)烈,可鉆性5～8級(jí),研磨性中等;800～1368 m以黑云母長(zhǎng)英質(zhì)角巖,石英閃長(zhǎng)玢巖脈和鉀長(zhǎng)石 -石英脈為主,且交替出現(xiàn),可鉆性 5～11級(jí),研磨性中等;1368～2103 m內(nèi)似斑狀、碎裂巖化、銅鉬礦化二長(zhǎng)花崗巖交替出現(xiàn),巖性變化頻繁,可鉆性 9～10級(jí),研磨性有強(qiáng)弱變化。

3 施工設(shè)備與機(jī)具

3.1 鉆機(jī)選型

出于對(duì) ZK15-5孔有研究及科學(xué)試驗(yàn)性質(zhì),后期有可能加深的考慮,因此,對(duì)該孔選用了 XY-8型鉆機(jī)及輔助設(shè)備施工(前期由 HYDX-6型鉆機(jī)施工)。

3.2 鉆桿選擇

該礦區(qū)深孔施工均使用唐山金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的 XJS75型高強(qiáng)度繩索取心鉆桿,使用效果較好。

4 施工工藝

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于該礦區(qū)地層堅(jiān)硬完整,我隊(duì)在該礦區(qū)有多年施工經(jīng)驗(yàn),且 2009年曾以 “75 mm口徑為主施工過 1366 m的深孔,因此,ZK15-5孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:

“130 mm開孔,下入 “127 mm孔口管 4.5 m,水泥密封;換 “110 mm鉆進(jìn),下入 “108 mm套管13.6 m,水泥密封;用 “91 mm鉆具導(dǎo)正后換 “78 mm繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

4.2 鉆頭

胎體硬度 HRC20～40。通過實(shí)踐,齒輪形底唇的鉆頭比較適合該礦區(qū)地層,其壽命約 20～30 m,相對(duì)較穩(wěn)定。

4.3 沖洗液

4.3.1 分段使用沖洗液

由于礦區(qū)生產(chǎn)用水取自附近鹽湖,礦化度較高,對(duì)泥漿性能有較大影響。使用前需向水中加入燒堿預(yù)先處理,沉淀后取上層清液使用,同時(shí)泥漿中純堿加量也適當(dāng)增大。

開孔后使用配方:1 m3H2O+0.1%Na2CO3+ 015%CMC+0.5%植物膠。

施工至約 1300 m后地層發(fā)生變化,將泥漿配方調(diào)整為:1 m3H2O+0.1%Na2CO3+1.5L液態(tài)聚合物L(fēng) IQU I-POL+0.5%CMC。

(注:L IQU I-POL是一種高分子量的液體負(fù)離子聚合物粘度劑,能夠快速提高粘度。其非常容易攪拌,可與淡水或咸水一起迅速制成完整的鉆井沖洗液系統(tǒng))

施工至 1800 m后,由于輔助時(shí)間較長(zhǎng)未排出孔內(nèi)的巖粉對(duì)取心造成了一定困難,故使用了觸變性很好的黃原膠泥漿,其配方為:1 m3H2O+0.1%Na2CO3+0.2%黃原膠 +0.2%瓜爾膠。

4.3.2 沖洗液凈化與維護(hù)

一是改進(jìn)了循環(huán)系統(tǒng),將原有的一套變?yōu)椴⒙?lián)的 2套(如圖 1所示),根據(jù)需要隨時(shí)切換,增加了巖粉沉淀時(shí)間。二是要定期檢測(cè)沖洗液性能,適時(shí)更換沉淀坑中的沖洗液。

圖1 泥漿循環(huán)系統(tǒng)圖

4.4 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓:7～10 kN。

實(shí)際施工時(shí)以進(jìn)尺速度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。深孔段宜用較小壓力鉆進(jìn)。一般,調(diào)整壓力至開始進(jìn)尺然后維持在此壓力處。有時(shí),進(jìn)尺極緩時(shí)小幅活動(dòng)鉆具可加快進(jìn)尺速度。

轉(zhuǎn)速:

0～770 m,由 HYDX-6型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)施工,無級(jí)變速:0～900 r/min;

770～850 m,600、480 r/min;

850～1400 m,480 r/min;

1400～2013 m,280、260 r/min。

泵量與泵壓:

采用 BW250型泵一擋泵量 52 L/min?？咨?500 m時(shí),實(shí)測(cè)沖洗液進(jìn)入孔內(nèi)到返出用時(shí)約 150 min,據(jù)此計(jì)算得上返速度大約 0.35 m/s,在理論推薦值范圍內(nèi)。

鉆進(jìn)時(shí)泵壓在 5～6 MPa之間。鉆井液粘度較低時(shí),泵壓維持在 4～5 MPa。

5 施工經(jīng)驗(yàn)

5.1 設(shè)備更換引起的問題及處理方法

ZK15-5孔上部(0～770 m)使用 HYDX-6型鉆機(jī)施工。XY-8型鉆機(jī)到貨后更換鉆機(jī),由于鉆機(jī)及其底座較大較重,對(duì)準(zhǔn)孔位有一定難度。

由于同時(shí)更換了附屬設(shè)備以及鉆具、鉆頭,導(dǎo)致先后兩套機(jī)具施工鉆孔軌跡不同,為后期鉆孔施工埋下隱患給施工帶來了諸多困難。通過對(duì)關(guān)鍵孔段用水泥固孔,重新掃孔過渡,并在鉆桿表面涂抹潤(rùn)滑脂得以正常施工。

5.2 鉆頭選型與使用

(1)上部孔段應(yīng)盡量使用新鉆頭,更換時(shí)測(cè)量擴(kuò)孔器外徑,其外徑要大于鉆頭外徑 0.3～0.5 mm,否則應(yīng)更換擴(kuò)孔器。

(2)及時(shí)與鉆頭生產(chǎn)廠家聯(lián)系,取實(shí)際巖樣定制適合礦區(qū)地層的鉆頭。經(jīng)過調(diào)研,我們選用了北京探礦工程研究所研制的超高胎體雙水口鉆頭 (參數(shù):胎體硬度 HRC35～40;金剛石粒度 30～40目;金剛石濃度 80%)。其有以下特點(diǎn):

①鉆頭胎體高度 25.4 mm,約為常規(guī)鉆頭的 2倍;

②兩層水口上下交錯(cuò)設(shè)計(jì),底層水口磨耗殆盡后,中間水口即打開,每一階段都有足夠水口冷卻鉆頭;

③水口數(shù)量少、寬度大,具有高效排粉能力。

選用高胎體鉆頭可達(dá)到高效穩(wěn)定的目的。另外選用較低金剛石濃度、較寬水口的鉆頭,可以在加壓受限條件下增大金剛石受力。

表 1所示為相同地層使用普通鉆頭 (常規(guī)胎體高度,鋸齒型底唇)與定制超高胎體雙水口鉆頭的效率對(duì)比,可見使用定制的超高胎體雙水口鉆頭的優(yōu)越性:提鉆次數(shù)少且效率高。

表1 相同地層普通鉆頭與高胎體鉆頭使用效果對(duì)比

(3)研磨性弱、進(jìn)尺慢的地層可適當(dāng)忽略巖粉的清除,適當(dāng)減小泵量降低沖洗液在孔底的流速,以增大巖粉與脫落的細(xì)小金剛石顆粒對(duì)鉆頭工作層胎體的磨損使之銳化出刃。

(4)進(jìn)尺速度極緩時(shí)用人工出刃的方法。一是酸蝕;二是取心后投砂,投石英顆粒。投石英顆粒時(shí)要掌握其量,過多過大的顆?？赡茉斐煽ㄣ@。

5.3 深孔防斜

5.3.1 鉆孔彎曲對(duì)深孔施工的影響

鉆孔軌跡的不規(guī)律變化將會(huì)給深孔施工帶來以下問題:

(1)回轉(zhuǎn)阻力大,不利于開高轉(zhuǎn)速。

(2)打撈器到位不易判斷,到位難,取心困難。

(3)影響壓力的傳遞,導(dǎo)致實(shí)際鉆壓偏小。

(4)因上述問題引起提鉆頻繁,導(dǎo)致鋼絲繩壽命偏短,增大了安全隱患。

5.3.2 鉆孔彎曲的影響因素

5.3.2.1 巖石的各向異性與軟硬互層

巖層產(chǎn)狀變化較大,而巖層層理發(fā)育,就使得巖石不同方向上的物理力學(xué)性質(zhì)不相同,當(dāng)平行于層理方向與垂直于層理方向上的硬度比越大時(shí),鉆孔彎曲趨勢(shì)越強(qiáng)烈。同時(shí),軟硬巖層交替出現(xiàn)時(shí)情況亦如此。鉆具穿過層理與軟硬互層孔段時(shí)就會(huì)發(fā)生順層跑或頂層進(jìn)現(xiàn)象。ZK15-5K孔雖然層理與軟硬互層不明顯,但查閱更詳細(xì)的鉆孔地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)巖石交替變化非常頻繁,以 922～1086 m為例:黑云母長(zhǎng)英質(zhì)角巖和長(zhǎng)石 -石英脈交替出現(xiàn),分別為 5次、4次。類似孔段全孔可以分出 7段。頻繁的巖性交替變化是 ZK15-5孔發(fā)生偏斜的原因之一。

5.3.2.2 鉆進(jìn)工藝

(1)鉆進(jìn)參數(shù)。三個(gè)班班長(zhǎng)的操作經(jīng)驗(yàn)不同,鉆進(jìn)參數(shù)不一致,操作過程也有差異。統(tǒng)計(jì)報(bào)表發(fā)現(xiàn),正常鉆進(jìn)時(shí),一般,三個(gè)班鉆壓依次減小,班進(jìn)尺依次減少。鉆壓的如此周期性變化可能導(dǎo)致鉆孔彎曲。

(2)鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具組合。鑒于白山地層堅(jiān)硬、完整,ZK15-5孔實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,以“78 mm鉆頭鉆進(jìn)為主,擴(kuò)孔器外徑約 78.5 mm。與鄰近的 ZK0-4相比,孔徑增大約 1.5 mm,同時(shí) ZK0 -4上部 722 m以 “95 mm鉆頭鉆進(jìn),軌跡偏斜較小。這兩方面的差異可能也影響了鉆孔軌跡的變化。

由表 2可以看出兩孔結(jié)構(gòu)與鉆具組合(0～1000 m)對(duì)鉆孔偏斜程度的影響。

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆具組合對(duì)鉆孔頂角的影響

5.3.3 防斜措施

(1)盡量統(tǒng)一鉆進(jìn)參數(shù),交接班時(shí)務(wù)必充分溝通,參數(shù)與操作上盡量保持一致。

(2)使用液動(dòng)潛孔錘。

(3)穩(wěn)定沖洗液性能,提高其潤(rùn)滑性。地層條件允許的條件下,盡量使用優(yōu)質(zhì),單一的沖洗液。另外,良好的潤(rùn)滑性亦利于鉆孔保直。

(4)改進(jìn)鉆具組合。在白山礦區(qū)地層條件下,可使用 “77 mm擴(kuò)孔器與相應(yīng)鉆頭,以減小環(huán)隙。另外,提鉆后將孔底的鉆桿換為較短鉆桿,增加支點(diǎn)(接手),也利于保直。

ZK15-5孔發(fā)現(xiàn)孔斜問題后,經(jīng)機(jī)臺(tái)會(huì)議研究,立即采取了上述措施。鉆進(jìn)參數(shù)統(tǒng)一方面,機(jī)長(zhǎng)、班長(zhǎng)增加了現(xiàn)場(chǎng)交流次數(shù),由交接班溝通變?yōu)榻?jīng)常性的現(xiàn)場(chǎng)交流溝通,最大程度上保證了三個(gè)班在鉆進(jìn)過程中的參數(shù)一致。孔深 1268～1368 m段,在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所專家的指導(dǎo)下使用了SYZX75型繩索取心式液動(dòng)錘,同時(shí)使用了以液態(tài)聚合物為主處理劑的無固相泥漿,很大地提高了泥漿的潤(rùn)滑性能。隨后,由下往上逐步增加孔底鉆具以上 100 m范圍的短鉆桿 (1～1.5 m)數(shù)量。經(jīng)過一段時(shí)間的施工,多次測(cè)斜后發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜趨勢(shì)(表 3)有所緩減,取得了預(yù)期效果。

表 3 重點(diǎn)防斜措施采取前后 ZK15-5鉆孔頂角變化趨勢(shì)對(duì)比

6 結(jié)語

(1)做好施工準(zhǔn)備是順利施工的重要前提。

(2)優(yōu)選鉆孔結(jié)構(gòu),是后期施工順利的保證。對(duì)于類似地層 2000 m左右的深孔,宜選用 “95 mm鉆具施工至 1000 m左右后,下 “89 mm套管,然后換用 “77 mm系列鉆具施工。

(3)堅(jiān)硬“打滑”地層施工時(shí),使用長(zhǎng)壽命的高胎體鉆頭可提高效率,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

(4)鉆進(jìn)參數(shù)保持統(tǒng)一是防止鉆孔偏斜的重要措施之一。

(5)注重施工細(xì)節(jié)是提高效率、避免事故和安全生產(chǎn)的重要途徑。

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Construction Technology of Deep Hole Drilling in Ba ishan M olybdenum M ine of X inj iang

MA De-yi,JIA Hong-fu, LIAO Zhi-xin,FU Zhao-you,GE Zhi-peng(No.6 Geological Unit Team,Xinjiang Geology and Mineral Bureau,Hami Xinjiang 839000,China)

The paper introduced the construction technology of deep hole drilling in Baishan molybdenum mine of Hami, Xinjiang.And the studywasmade on keyproblems such as borehole structure,selection of equipment and bit,flushing fluid selection&the maintenance and the deviation control of deep hole.

deep hole drilling;borehole structure;flushing fluid;deviation control of deep hole;core drilling

P634.5

A

1672-7428(2011)05-0028-04

2011-03-02;

2011-03-23

馬德義(1970-),男(漢族),內(nèi)蒙古開魯人,新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)、工程師,探礦工程專業(yè),從事鉆探工程、巖土工程勘察技術(shù)管理工作,新疆哈密市建國(guó)北路 174號(hào),jia510@sina.cn;賈宏福(1986-),男(漢族),甘肅武威人,新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)助理工程師,勘查技術(shù)與工程專業(yè),從事探礦工程施工工作;廖志新(1970-),男(漢族),湖南望城人,新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)勘察公司經(jīng)理,探礦工程專業(yè),從事探礦工程施工管理工作;付兆友(1973-),男(漢族),江蘇東海人,新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)勘察公司副經(jīng)理,探礦工程專業(yè),從事探礦工程施工管理工作;蓋志鵬(1984-),男(漢族),河北石家莊人,新疆地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)助理工程師,勘查技術(shù)與工程專業(yè),從事探礦工程施工工作。