嵩縣大王溝鉬礦區(qū)破碎地層金剛石繩索取心鉆進實踐

王江平

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南鄭州 450016）

嵩縣大王溝鉬礦區(qū)破碎地層金剛石繩索取心鉆進實踐

王江平

(河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊，河南鄭州 450016）

針對河南省嵩縣大王溝鉬礦強烈蝕變、軟硬不均、涌水漏失的復(fù)雜地層繩索取心鉆進的難題，采用以套管為主、泥漿為輔的護壁措施，對鉆探設(shè)備及工器具、金剛石鉆頭參數(shù)的選型進行了探討，提出了腐植酸鉀泥漿護壁和惰性材料堵漏的配方和配置方法，以及減小起下鉆壓力激動和抽吸對孔壁的破壞作用的措施，取得了較好的應(yīng)用效果。

繩索取心鉆進;破碎地層;鉆進技術(shù);大王溝鉬礦區(qū)

1 概述

巖心鉆探中金剛石繩索取心鉆進技術(shù)以工程質(zhì)量高、時間利用高、鉆進效率高、鉆頭壽命高，孔內(nèi)事故低、勞動強度低、材料消耗低，地質(zhì)效果好、經(jīng)濟效益好等特點，被國內(nèi)外鉆探界同行譽為“四高、三低、兩好”的先進鉆進技術(shù)，特別是在深孔鉆探施工中具有其他鉆進工藝不可替代的優(yōu)勢。但是在內(nèi)生金屬礦床的復(fù)雜地層鉆進中，因巖石受到后期地質(zhì)構(gòu)造和熱液的作用，巖石蝕變破碎、軟硬不均，又給繩索取心鉆進提出了眾多難題。筆者以河南省嵩縣大王溝鉬礦區(qū)鉆探為例，對破碎地層鉆進采取的技術(shù)措施與取得的效果匯于本文之中，以便與同行商榷。

2 礦區(qū)地層概況及地質(zhì)設(shè)計指標(biāo)

2.1 礦區(qū)地層條件

該區(qū)大地構(gòu)造屬華北地臺南緣華熊臺隆外方山隆斷區(qū)，地層區(qū)劃屬華北地層熊耳山巖層小區(qū)。大地構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動頻繁，成礦地質(zhì)條件良好，礦產(chǎn)豐富，礦種較多。區(qū)域上出露的主要地層有太古界大華群，中元古界熊耳群和汝陽群，上元古界洛峪群，古生界寒武系、石炭系、二疊系，中生界白堊系及新生界第四系。

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為中元古界熊耳群雞蛋坪組的安山巖、流紋巖、花崗斑巖及夾薄層狀流紋斑巖和第四系覆蓋層。

花崗斑巖與安山巖接觸帶，產(chǎn)狀較陡，礦化蝕變強烈部位多集中于底板、裂隙中。據(jù)以往鉆孔資料反映，鉆孔所揭露巖層及特征如下。

上部有10～20 m為風(fēng)化強烈的松散巖類，坍塌，漏水。

20～300 m為安山巖、蝕變安山巖，夾薄層狀流紋斑巖，巖石破碎，掉塊嚴(yán)重。

300～430 m之間為賦礦層位，巖石主要為蝕變安山巖，綠泥石化蝕變破碎強烈孔段巖心質(zhì)量指標(biāo)RQD值小于60%，破碎嚴(yán)重;礦化石英脈層，RQD值在30%～50%之間，易掉塊，鉆進中回轉(zhuǎn)阻力較大;蝕變破碎帶內(nèi)的礦物多為粘土狀，遇水膨脹，鉆孔易縮徑;因蝕變或礦化石英脈，故該段巖層在破碎、蝕變帶之間交替出現(xiàn)。

430～550 m為較為完整的安山巖和鉬礦層。

2.2 鉆孔設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)礦層的埋藏深度，大王溝鉬礦區(qū)設(shè)計鉆孔深度一般在550 m左右，鑒于礦層產(chǎn)狀較緩，設(shè)計為直孔，地質(zhì)要求礦心及頂?shù)装宀扇÷什坏陀?0%，巖心采取率≥75%，鉆孔彎曲度＜2°/100 m，水文地質(zhì)觀測、孔深校正、封孔、原始班報記錄等技術(shù)要求，按國土資源部《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010）執(zhí)行。

3 鉆孔施工存在的問題

礦區(qū)位于華北地塊和揚子板塊的擠壓地帶，巖石結(jié)構(gòu)和完整性受到破壞，巖體內(nèi)密布的裂隙成為熱液上升的容礦部位，礦脈賦存于花崗斑巖與安山巖接觸帶的蝕變構(gòu)造破碎帶內(nèi)，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和后期蝕變作用，礦層和圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖石軟硬不均，巖石可鉆性差異較大，是典型的“硬、脆、碎”和難采心地層。

根據(jù)鄰區(qū)和以往鉆探工程資料，本區(qū)鉆進過程中存在巖石破碎、裂隙發(fā)育，多孔段漏失、涌水、孔壁坍塌、掉塊等技術(shù)難題，導(dǎo)致巖礦心采取率低、鉆進困難、回次進尺少、提大鉆頻率高、鉆進效率降低、鉆頭磨損快、施工成本高、鉆孔質(zhì)量下降等。在以往施工過程中，由于采取措施和操作不當(dāng)(鉆頭選型和設(shè)備鉆具配備不合理，技術(shù)參數(shù)調(diào)整和護壁措施不當(dāng)），導(dǎo)致ZK10007、ZK10600兩鉆孔孔壁坍塌，發(fā)生孔內(nèi)事故而報廢。

4 鉆進施工技術(shù)措施

針對礦區(qū)地層條件和鉆探施工存在的問題，在本區(qū)施工設(shè)計和鉆孔施工中采取了一系列的技術(shù)措施，以期解決存在的問題，為地質(zhì)部門提交高質(zhì)量的鉆孔資料。

4.1 根據(jù)巖石破碎情況，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)條件和巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，鉆孔口徑由以往的二級口徑設(shè)計為三級口徑。即開孔口徑采用普通單管 110 mm鉆具，穿越表層松散巖類，下入 108 mm套管并水泥封孔;二級口徑采用 91 mm繩索取心鉆具鉆進，鉆至300～430 m較為完整巖層，下入 89 mm套管，或以 89 mm繩索取心鉆具為護壁套管;三級口徑為 76 mm繩索取心鉆具鉆進，直至終孔。這種結(jié)構(gòu)遵循的原則是盡可能采用泥漿護壁，以減少或不下套管和少換徑，最大簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。

4.2 配備適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和鉆具

為了解決縮徑地層回轉(zhuǎn)阻力過高的問題，配備回轉(zhuǎn)能力和提升能力較強的XY－4型鉆機和泵壓較大的BW250型變量泥漿泵，以及發(fā)電機等常用設(shè)備，還配備了NJ－600型泥漿攪拌機、JSN2B型泥漿凈化機等輔助設(shè)備。

為解決繩索取心鉆具孔壁間隙小、易產(chǎn)生壓力激動和抽吸對孔壁的破壞作用，根據(jù)巖石破碎情況和護壁的難易程度，在充分發(fā)揮繩索取心鉆進技術(shù)優(yōu)勢的同時，每個機臺配備一套普通 54 mm鉆桿，必要時采取提鉆取心鉆進工藝。

4.3 合理配置金剛石鉆頭

為發(fā)揮繩索取心的鉆進優(yōu)勢，針對“硬、脆、碎”巖石，為提高金剛石鉆頭使用壽命和提鉆間距，在確定選用孕鑲金剛石鉆頭的前提下，分層對金剛石鉆頭的技術(shù)參數(shù)進行了確定。

孔壁管下部的安山巖、蝕變安山巖地層，軟硬不均，巖石可鉆性等級5～8級，選擇胎體硬度HRC40、粒度60目、圓弧唇面的金剛石鉆頭。

300～430 m孔段的石英巖、薄層狀流紋斑巖、花崗巖，巖石可鉆性7～8級，選用胎體硬度HRC45、粒度40目、圓弧唇面的金剛石鉆頭。

430 m以深為較完整的安山巖、蝕變巖、花崗巖和礦層，巖石可鉆性8～10級，選用胎體硬度HRC35、粒度80目、梯形唇面的金剛石鉆頭。

4.4 優(yōu)化鉆進技術(shù)參數(shù)

在破碎地層，鉆進壓力過大易使巖心堵塞鉆具，回次進尺降低，嚴(yán)重時不得不頻繁提鉆，增加輔助時間，影響鉆進速度。轉(zhuǎn)速過高，離心力增強，對于破碎巖石，鉆具頻繁擾動孔壁，易掉塊卡鉆，嚴(yán)重時則使孔壁坍塌，造成孔內(nèi)事故;對于縮徑地層，又會因轉(zhuǎn)速過高引起回轉(zhuǎn)阻力增加?！坝?、脆、碎”和蝕變軟弱地層，泵量較大時，將降低巖礦心采取率。

鑒于本礦區(qū)巖層“硬、脆、碎”，軟硬嚴(yán)重不均，蝕變軟弱層、破碎層和較為完整巖石交替出現(xiàn)，針對不同的地層，采用不同的鉆進壓力、轉(zhuǎn)速和泵量。整體而言，鉆進過程中壓力、轉(zhuǎn)速和泵量均采用較小的參數(shù)值。鉆進過程中根據(jù)地層的變化情況，對于破碎和蝕變軟弱地層，鉆壓15～20 kN( 91 mm口徑取大值， 76 mm口徑取小值），鉆頭線速度控制在1.5～2.0 m/s，泵量在27或37 L/min。對于430 m以深較為完整的巖石，采用 76 mm口徑鉆進，鉆壓平均控制在15～25 kN，轉(zhuǎn)速在571～819 r/min之間，沖洗液量37～60 L/min，沖洗液上返流速0.51 m/s左右。

為防止巖心堵塞和保證巖礦心采取率，對于破碎和蝕變軟弱地層，鉆進速度控制在1.5～2.0 m/h之間，回次進尺2.0 m左右;較為完整的巖層，調(diào)整鉆進技術(shù)參數(shù)，適當(dāng)放寬對鉆進效率和回次進尺的限制，以期取得較好的鉆進效果。

4.5 護壁堵漏技術(shù)措施

由于局部地層破碎、漏水、坍塌、掉塊，在鉆進過程中，配置粘稠度較大的優(yōu)質(zhì)膨潤土泥漿作為基漿，并加入腐植酸鉀、聚丙烯酰胺、鈉羧甲基纖維素、皂化油等?，F(xiàn)場制備1 m3泥漿，加粘土粉50～80 kg，Na2CO33～4 kg，KHm 3～5 kg，PAM 100 ppm，Na－CMC 0.5～0.8 kg，皂化油5 kg。泥漿性能:密度1.15～1.20 g/cm3，粘度20～30 s，失水量4～8 mL/ 30 min，pH值9～10。此類型泥漿，具有良好的護壁能力，使蝕變軟弱地層的巖礦心采取率，由清水乳化液鉆進的40%～50%提高到90%左右，滿足了地質(zhì)部門提出的要求;同時，該類型泥漿還具有對漏失較輕的地層有堵漏功能，清水乳化液鉆進時漏失量為30%～50%，局部全部漏失，采用優(yōu)質(zhì)泥漿后，輕微漏失基本杜絕。

對于漏失量較大或開放性漏失的孔段，采用未水解的聚丙烯酰胺、鈉羧甲基纖維素、鋸末、粘土揉和在一起，做成粘土球，投入漏失孔段，由普通鉆桿帶鉆具擠壓后，停滯一天后緩慢掃孔。鉆探實踐證明，采用此種堵漏方法，基本上解決了漏失問題。

為防止孔內(nèi)鋸末影響繩索取心鉆進，鋸末粘土球堵漏后，又用同徑普通提鉆鉆具鉆進10～20 m，然后采用繩索取心鉆進工藝。

4.6 減少壓力“激動”和抽吸對孔壁破壞的技術(shù)措施

局部地層的強烈蝕變、破碎，導(dǎo)致孔壁坍塌，為此而采用腐植酸鉀泥漿鉆進。 76 mm口徑系列繩索取心鉆具鉆進，在提下鉆時產(chǎn)生的壓力“激動”和抽吸，使孔壁坍塌更為嚴(yán)重。

76 mm口徑系列繩索取心鉆具鉆頭外徑75.5～76 mm，鉆桿外徑70 mm，鉆桿外環(huán)狀間隙為2.75～3.0 mm，鉆頭處環(huán)狀間隙更小。巖心堵塞提大鉆時，內(nèi)管未提出，底部鉆具處相當(dāng)于一個活塞，產(chǎn)生的抽吸力在20～40 MPa之間，以致巖石力學(xué)強度較低的巖層瞬間產(chǎn)生垮塌，使孔壁坍塌問題加劇。

為減緩壓力“激動”和抽吸對孔壁的破壞作用，采用機臺準(zhǔn)備的普通 54 mm鉆桿與 76 mm口徑普通鉆具組合，進行常規(guī)的提鉆鉆進方法。此時， 54 mm鉆桿處環(huán)狀間隙10.75～11.0 mm之間，提鉆速度相同時產(chǎn)生的抽吸力在1.83 MPa左右，有效減緩了抽吸力對孔壁穩(wěn)定性的破壞作用，使鉆進得以正常進行。

76 mm口徑普通鉆具與 54 mm鉆桿的組合，在常規(guī)提鉆方法鉆進時，當(dāng)下鉆速度8.64 m/s，產(chǎn)生的壓力“激動”沖力在18.44 MPa，同理對孔壁的穩(wěn)定性有一定的破壞作用。

為此在普通鉆進的孔段，嚴(yán)格控制起下鉆速度和加速度，鉆孔越深，起下鉆速度要越平穩(wěn)越慢。

4.7 巖心采取率質(zhì)量保證措施

繩索取心鉆進可保證巖心采取率，但由于巖心破碎，倒巖心時采用自然倒心，不要敲打、挖，如果自重巖心不能倒出，可用泵推法推出巖心，盡量避免人為破壞并嚴(yán)防上下次序顛倒。

5 鉆探應(yīng)用效果

鉆進過程中，由于措施得當(dāng)，提高了鉆進效率(見表1）。

表1 鉆探技術(shù)效果對比

6 結(jié)語

借鑒于其他礦區(qū)的成功經(jīng)驗和本次工作采取的技術(shù)措施，大王溝礦區(qū)ZK10002孔自2012年2月29日開孔，到2012年3月23日完鉆，共用時24天(含設(shè)備維修時間2天），終孔孔深552.80 m，實現(xiàn)了較好的綜合效益。由于解決了漏失問題，節(jié)約了供水費用和泥漿材料，效率提高降低了人工和油料費，綜合成本下降40%，取得了較好的效果。

［1］屠厚澤.鉆探工程學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1988.

［2］宋端正.甘肅西和大橋金礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2012，39(3）:34－36.

［3］趙河江.新疆溫宿、庫車地區(qū)砂巖礦繩索取心鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2012，39(3）:37－39.

［4］黃建寧，劉文革.渭北煤田澄合礦區(qū)復(fù)雜地層鉆孔施工技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2011，38(6）:22－25.

［5］黃平.河壩井田復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)難點及對策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程），2010，37(5）:27－30.

Practice of Diamond Wire-line Coring Drilling in Broken Formation of Dawanggou Molybdenum Mining Area in Song County

WANG Jiang-ping(No.4 Geological Team，Henan Provincial Non-ferrous Metals Geological and Mineral Resources Bureau，Zhengzhou Henan 450016，China）

According to the difficulties of wire-line coring drilling in complex formation of Dawanggou molybdenum mine with intense alteration，uneven hardness and gushing leakage，the wall protection was adopted by casing first and slurry secondly.The discussion was made on the selection of drilling equipments and tools as well as diamond bit parameters determination;wall protection with K+humate-containing drilling mud and plugging with inert stuffing were put forward and tripping pressure surge and suction damage to the hole wall decreasing measures were used with good application effects.

wire-line coring drilling;broken formation;drilling technique;Dawanggou molybdenum mining area

P634.5

:B

:1672－7428(2012）10－0040－03

2012－04－17;

2012－09－07

王江平(1963－），男(漢族），河北任縣人，河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊工程師，地質(zhì)與勘探專業(yè)，從事野外地質(zhì)與勘探工作，河南省鄭州市鄭東新區(qū)金水東路16號，1326153842@qq.com。