青海夏日哈木礦區(qū)地層鉆進(jìn)特點(diǎn)與鉆探工藝研究

高元宏，楊樹強(qiáng)，陳佰輝，梁 儉，段隆臣

(1．青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 西寧810002;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 引言

近年來，隨著地質(zhì)找礦的深入，在夏日哈木礦區(qū)鉆遇的復(fù)雜地層越來越多，鉆進(jìn)施工中遇到一系列難題，成為制約找礦任務(wù)的關(guān)鍵。夏日哈木礦區(qū)位于青海省重要成礦帶的東昆侖西段祁漫塔格地區(qū)，是拉陵灶火地區(qū)銅多金屬礦整裝勘查工作項(xiàng)目的工作區(qū)域之一。2011年青海省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在該區(qū)發(fā)現(xiàn)了大型夏日哈木銅鎳硫化物礦床，為東昆侖成礦帶首次發(fā)現(xiàn)的銅鎳硫化物礦床。其地層特點(diǎn)在該地區(qū)斑巖型礦床中具有較好的代表性，解決這一礦區(qū)的鉆探技術(shù)問題將對(duì)于擴(kuò)大該區(qū)地質(zhì)找礦成果具有積極意義。目前，祁漫塔格重要成礦帶的地勘工作正方興未艾，為加快這一地區(qū)的地質(zhì)找礦成果，鉆探技術(shù)研究與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)方面面臨著諸如此類的工作任務(wù)。

青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院是該礦區(qū)巖心鉆探任務(wù)的主力承擔(dān)單位之一，投入的鉆探設(shè)備包括YDX－3型全液壓動(dòng)力頭式巖心鉆機(jī)和XY－44型立軸式巖心鉆機(jī)，共8臺(tái)，其中大部分鉆探任務(wù)由YDX－3型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)完成，已累計(jì)完成鉆孔數(shù)超過110個(gè)，鉆孔深度一般在400～850 m，鉆探工作量達(dá)37000 m。

1 礦區(qū)地質(zhì)與環(huán)境概況

1．1 自然環(huán)境概況

夏日哈木銅鎳礦位于青海省格爾木市西南約185 km處，礦區(qū)平均海拔3500 m，最高達(dá)4700 m，地形起伏較大，溝谷深切，區(qū)內(nèi)氣候寒冷，冰凍期長(zhǎng)，干旱少雨，植被稀疏，呈典型高原荒漠景觀。礦區(qū)內(nèi)人煙稀少，僅有少數(shù)游牧民生活，交通不便。

1．2 地層巖性

礦區(qū)內(nèi)出露的地層巖性主要有:第四系沖洪積物，下元古界金水口巖群白沙河巖組的石英片巖、黑云母片巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、大理巖等，奧陶－志留系灘間山群組的砂巖、板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖、片巖、角巖、糜棱巖等碎屑變質(zhì)巖，其他出露和較發(fā)育的巖石有晚泥盆世牦牛山組的凝灰?guī)r、流紋巖、英安巖、安山巖等。礦區(qū)礦產(chǎn)資源以煤炭、鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、金(Au)等為主。

1．3 地質(zhì)構(gòu)造

1．3．1 斷裂

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造具有規(guī)模大、切割深、活動(dòng)期長(zhǎng)、期次多等特點(diǎn)。區(qū)域構(gòu)造以NWW向、近EW向斷裂為主，形成期次早，控制著區(qū)內(nèi)地層及巖漿巖的分布，與成礦關(guān)系較為密切。NE向、NNE向、SE向斷裂為次級(jí)斷裂，形成較晚，往往切斷近 EW向或NWW向斷裂，為一組右行走滑的逆斷層。受斷裂影響，帶內(nèi)碎裂巖化巖石發(fā)育，糜棱巖、斷層泥及構(gòu)造扁豆體、斷層角礫巖、片理化巖石常見。

1．3．2 巖漿活動(dòng)

巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈是區(qū)內(nèi)最顯著的一個(gè)特征，以華力西期－印支期的中酸性巖體為主。巖體基本由橄欖巖、輝石巖、輝長(zhǎng)巖組成，礦體主要賦存于橄欖巖和輝石巖中，普遍具有綠泥石化、碳酸鹽化、透閃石化、蛇紋石化等特點(diǎn)。

2 礦區(qū)鉆進(jìn)難點(diǎn)

近年來，礦區(qū)內(nèi)年度工作量在4萬m以上，年開動(dòng)來自省內(nèi)外9家單位的機(jī)臺(tái)平均超過25臺(tái)。在實(shí)際鉆進(jìn)中，每個(gè)單位的機(jī)臺(tái)幾乎均遇到過鉆孔報(bào)廢，達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深的情況，主要存在以下幾個(gè)方面的問題。

2．1 鉆頭壽命低

礦區(qū)內(nèi)地層具有硬、脆、碎的特點(diǎn)，在鉆進(jìn)過程中孕鑲金剛石鉆頭胎體易產(chǎn)生崩刃、偏磨現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了鉆頭的使用壽命。

2．2 鉆具磨損嚴(yán)重

鉆進(jìn)部分構(gòu)造裂隙、破碎帶時(shí)孔底漏失明顯，導(dǎo)致中粗顆粒松散碎屑巖、斷層泥碎屑排屑困難，使鉆具磨損加快。

2．3 孔壁坍塌

地層中構(gòu)造破碎帶規(guī)模大，碎屑巖呈松散膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)的角礫巖和斷層泥易水化坍塌形成埋鉆事故。

2．4 鉆井液漏失

礦區(qū)地層破碎并且構(gòu)造裂隙發(fā)育，鉆井液漏失現(xiàn)象頻發(fā)。

2．5 鉆具縱向振動(dòng)

由于巖層軟硬不均、破碎，并存在構(gòu)造破碎帶，孔內(nèi)漏失等問題，回轉(zhuǎn)阻力大，鉆具易產(chǎn)生縱向振動(dòng)。

2．6 鉆進(jìn)時(shí)效低

由于地層破碎導(dǎo)致巖心堵塞巖心管的問題十分突出，從而增加了提下鉆回次數(shù)，易對(duì)孔壁造成破壞，并且影響了鉆進(jìn)效率。

3 鉆進(jìn)事故分析及鉆進(jìn)工藝研究

鉆進(jìn)中遇到的難題在礦區(qū)內(nèi)的13、15、19三條勘探線的鉆孔施工中最為嚴(yán)重，ZK1516鉆孔最具代表性，該孔設(shè)計(jì)孔深600 m，于2012年開始施工，先后4次鉆孔報(bào)廢，第5次于2013年9月鉆進(jìn)至570 m后事故終孔。ZK1516鉆孔地層特點(diǎn)見表1，鉆孔取出的巖心如圖1所示。

表1 ZK1516鉆孔地層特點(diǎn)

圖1 ZK1516鉆孔80～570 m孔段部分巖心

3．1 鉆頭選型及參數(shù)選取

2013年6月中旬前，青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院在該礦區(qū)完成了1.4萬多米的鉆探工作量，在鉆進(jìn)過程中所使用的NQ系列孕鑲金剛石鉆頭壽命較短，平均進(jìn)尺不足18 m，大部分鉆頭因微燒鉆、金剛石顆粒脫落受損，部分以胎體崩刃的形式受損，導(dǎo)致不能繼續(xù)工作，ZK1516鉆孔使用的鉆頭如圖2所示。

現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)可鉆性在5級(jí)左右的綠泥石、碳酸鹽化輝石巖和構(gòu)造角礫巖等，以及可鉆性在9級(jí)的較破碎的混合巖和混合巖化斜長(zhǎng)片麻巖等，所采用的鉆頭的參數(shù)見表2。

圖2 ZK1516孔用鉆頭

表2 鉆頭的參數(shù)

通過對(duì)實(shí)際工況分析發(fā)現(xiàn)，以上兩類不同級(jí)別可鉆性的巖石的研磨性均很強(qiáng)，在破碎松散地層中，強(qiáng)研磨性主要由中粗顆粒的碎石英、長(zhǎng)石礦物引起，同時(shí)，在鉆進(jìn)夾雜綠泥石等泥質(zhì)巖層過程中出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。

因此，我們針對(duì)2種不同可鉆性的地層向鉆頭生產(chǎn)商提出鉆頭規(guī)格及性能，定制了2種適用范圍較廣的專用鉆頭，即AⅡ－1型鉆頭和AⅡ－2型鉆頭，以期減少提下鉆回次數(shù)，提高生產(chǎn)效率，鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，鉆頭的基本參數(shù)見表3。

圖3 特制鉆頭

表3 鉆頭基本參數(shù)

這2種新型的專用鉆頭均以WC作為胎體的骨架材料，粘結(jié)金屬以Cu－Ni為基礎(chǔ)，鉆頭外徑均增大1 mm。AⅡ－1型鉆頭適用于巖石可鉆性4～6級(jí)、中～強(qiáng)研磨性巖石，適應(yīng)的工作鉆壓為3～12 kN。AⅡ－2型鉆頭適用于巖石可鉆性7～10級(jí)、強(qiáng)研磨性巖石，適應(yīng)的工作鉆壓≮25 kN。

在鉆進(jìn)過程中結(jié)合地層及鉆頭的特點(diǎn)對(duì)定制的兩種專用鉆頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，所采用的鉆進(jìn)參數(shù)見表4，應(yīng)用發(fā)現(xiàn)這兩種鉆頭的使用壽命大大提高，平均進(jìn)尺達(dá)到了46 m，同時(shí)減少了鉆進(jìn)回次數(shù)，降低了鉆孔事故，孔壁的穩(wěn)定性在同類地層中明顯增強(qiáng)。

表4 鉆進(jìn)參數(shù)

3．2 鉆機(jī)選擇及時(shí)效分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，孔壁坍塌、斷鉆具等事故的發(fā)生與地層性質(zhì)、鉆井液的適用性相關(guān)，還與設(shè)備類型有密切的關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，在同類地層和相同孔深情況下，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)產(chǎn)生的孔內(nèi)事故遠(yuǎn)少于立軸式鉆機(jī)，巖礦心采取率方面，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院于2013年6月中旬通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用YDX－3型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)與XY－44型立軸式鉆機(jī)并分析了鉆進(jìn)效率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5 YDX－3型與XY－44型鉆機(jī)鉆進(jìn)效率對(duì)比

由表5可看出，YDX－3型全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率明顯高于XY－44型立軸式鉆機(jī)。在實(shí)際鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)，該礦區(qū)全液壓動(dòng)力頭鉆探設(shè)備更有利于保證鉆孔成孔和鉆孔質(zhì)量，分析其原因，全液壓動(dòng)力頭式比立軸式的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1)全液壓系統(tǒng)良好的吸震性能有利于降低鉆具在硬、脆、碎地層及漏失地層中的縱向振動(dòng);

(2)動(dòng)力頭式鉆探設(shè)備由于動(dòng)力傳輸系統(tǒng)構(gòu)件配合公差精度高，輸出動(dòng)力的穩(wěn)定性、鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性優(yōu)于立軸式鉆機(jī);

(3)動(dòng)力頭式鉆機(jī)更有利于在大鉆壓條件下實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，提高鉆進(jìn)效率，降低鉆井液對(duì)不穩(wěn)定地層構(gòu)造蝕變帶的水化時(shí)間，從而有利于孔壁穩(wěn)定;

(4)在較穩(wěn)定的孔壁及較小的孔壁間隙的條件下鉆進(jìn)時(shí)，高效鉆進(jìn)能夠大大減少孔內(nèi)鉆具對(duì)孔壁的作用時(shí)間，有利于維持孔壁的穩(wěn)定性，降低鉆孔嚴(yán)重超徑，減少坍塌、埋鉆等事故的發(fā)生;

(5)在該礦區(qū)立軸式鉆機(jī)具有回轉(zhuǎn)動(dòng)力不穩(wěn)定和鉆進(jìn)時(shí)效過低的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生巖礦心重復(fù)磨損、巖心堵塞的現(xiàn)象，造成鉆進(jìn)過程的不良循環(huán)。

3．3 鉆具振動(dòng)及處理

鉆具振動(dòng)通常導(dǎo)致鉆桿折斷、鉆頭崩刃等事故的發(fā)生，孔壁地層在鉆具的各向振動(dòng)作用下進(jìn)一步機(jī)械破碎形成坍塌，這種情況下提鉆后通常無法順利下鉆，需要掃孔后方能下鉆到孔底。

礦區(qū)出現(xiàn)的典型事故情況見表6，表中4個(gè)鉆孔在鉆進(jìn)過程中鉆具振動(dòng)最為強(qiáng)烈，事故多發(fā)且類型多樣，均未能達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。

表6 鉆探事故孔號(hào)及類型

實(shí)踐表明，下鉆前通過對(duì)鉆具涂抹潤(rùn)滑油脂的措施能明顯降低回轉(zhuǎn)阻力以及減少鉆具振動(dòng)、鉆具折斷等事故的發(fā)生。

在夏日哈木礦區(qū)對(duì)普通硫化鉬鋰基潤(rùn)滑脂、鈣基潤(rùn)滑脂等鉆具潤(rùn)滑油脂的效果進(jìn)行了觀察，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)鉆具潤(rùn)滑油脂與金屬具有化學(xué)鍵吸附特性，與鉆具的吸附性能較強(qiáng)，同時(shí)也能與巖石相吸附;

(2)應(yīng)選擇油膜強(qiáng)度較高、粘度較大、分子量較大的鉆具潤(rùn)滑油脂;

(3)鉆具潤(rùn)滑油脂應(yīng)具有一定的抗高溫性能。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在硬、脆、碎特點(diǎn)的地層以及孔底漏失地層中通過對(duì)鉆具涂抹PID214管材油脂能夠明顯減少鉆具振動(dòng)、鉆具磨損過快、回轉(zhuǎn)阻力過大的問題。

3．4 沖洗液護(hù)壁及堵漏

現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，造成夏日哈木礦區(qū)孔壁不穩(wěn)定的原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)地層中含有綠泥石、高嶺土化的含碳斷層泥，該層雖然最大連續(xù)厚度在1.6 m以內(nèi)，但是水敏性強(qiáng)，容易水化膨脹、坍塌，形成抱鉆事故;

(2)地層中含有絹云母化強(qiáng)、高嶺土化弱的構(gòu)造蝕變帶，水化后易松散、坍塌，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)鹾笮纬陕胥@事故。

因此，對(duì)于沖洗液的性能必須與地層的特點(diǎn)相適應(yīng)，才能起到護(hù)壁堵漏、穩(wěn)定井壁的功能。

3．4．1 沖洗液配方及性能

ZK1516鉆孔地層較破碎，鉆進(jìn)過程當(dāng)中沖洗液在循環(huán)壓力作用下容易產(chǎn)生漏失現(xiàn)象。該孔前期經(jīng)過4次施工后，第5次施工研究了與地層相適應(yīng)的鉆井液配方。

現(xiàn)場(chǎng)配制沖洗液的水源取自夏日哈木河的河水，該河水微咸，礦化度較高，Mg2+和Ca2+含量高，在配制前先用碳酸鈉(Na2CO3)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行軟化處理。全孔在鉆進(jìn)過程中采用低固相沖洗液，配方:0.9 m3水+30 kg膨潤(rùn)土+0.5 kg碳酸鈉(Na2CO3)+1～2 kg抗鹽共聚物(GTQ)+1 kg高粘羧甲基纖維素鈉(HV－CMC)+3～5 kg腐植酸鉀(KHm)+2 kg生物聚合物(XC)+1～1.5 kg水解聚丙烯酰胺(PHP)。

沖洗液性能:失水量14 mL/30 min，漏斗粘度＜35 s，動(dòng)塑比 YP/PV＞0.17，密度 1.015～1.035 g/cm3。

配制方法:沖洗液的配制在鉆機(jī)機(jī)臺(tái)的山腳下完成，按照配方材料次序依次加入并攪拌，每種鉆井液材料加入后的攪拌時(shí)間≮30 min。鉆井液配制好后貯存在體積＞15 m3的泥漿坑中，由泥漿泵送至井場(chǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該沖洗液配方性能良好，攜帶巖粉能力較強(qiáng)，排粉效果好，基本滿足鉆探需要，能夠有效地解決鉆進(jìn)過程中遇到的問題，提高了鉆進(jìn)效率。由于地層松散破碎，鉆進(jìn)過程中鉆井液中的固相含量上升較快，因此增加了1套泥漿除砂器，以控制固相含量。

3．4．2 堵漏措施

若采用如上沖洗液配方后地層漏失還比較嚴(yán)重，則在此配方基礎(chǔ)上按照1.5%的比例(水的1.5%)加入美國(guó)BAROID品牌堵漏王N－SEAL，充分?jǐn)嚢韬笙裸@具(取出內(nèi)管)至孔底0.5 m處開泵送漿循環(huán)。采用這種堵漏措施需要注意:(1)開泵循環(huán)時(shí)不能回轉(zhuǎn)鉆具;(2)鉆遇漏失層后每10 m內(nèi)必須及時(shí)進(jìn)行開泵循環(huán);(3)每次循環(huán)堵漏漿液≯1 m3。

如果開泵循環(huán)堵漏漿液＞1 m3后沒有效果，則可通過1 m3沖洗液中加入不大于15 kg的美國(guó)BAROID品牌堵洞王HOLEPLUG進(jìn)行堵漏，然后再按照如上方法加入堵漏王N－SEAL進(jìn)行循環(huán)堵漏。

3．5 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

ZK1516鉆孔地層較破碎，井壁不穩(wěn)定且易漏失，前期經(jīng)過4次施工發(fā)現(xiàn):若采用水泥漿護(hù)壁，由于鉆孔口徑太小和鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙較小，不利于成功護(hù)壁。為便于降低鉆井液的循環(huán)壓力和護(hù)壁，需要鉆井液具有較大的上返環(huán)空截面，同時(shí)，較大的孔徑也有利于處理孔內(nèi)事故。因此，針對(duì)該孔的特點(diǎn)和總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在第5次鉆進(jìn)施工中采取了150 mm薄壁金剛石鉆頭開孔，HQ口徑終孔的方案，最終事故終孔，終孔深度570 m，鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表7。

表7 ZK1516孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

一開和二開的套管與地層間隙之間灌注漏斗粘度＞50 s的非分散性稠泥漿。研究證明，加大鉆頭外徑可有效降低沖洗液在復(fù)雜地層中的循環(huán)壓力，實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)，為粘度較高的沖洗液提供了較好的使用空間，有利于處理孔內(nèi)復(fù)雜事故。同時(shí)泵壓的降低能很好地減輕沖洗液漏失，也能起到很好的護(hù)壁效果。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)不同可鉆性巖石的研磨性設(shè)計(jì)制造的AⅡ－1、AⅡ－2型2種新型專用鉆頭，有效地解決了鉆頭胎體崩刃、使用壽命低的問題。

(2)夏日哈木礦區(qū)鉆探實(shí)踐表明，在同類地層和相同孔深情況下，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)發(fā)生孔內(nèi)事故的幾率遠(yuǎn)小于立軸式鉆機(jī)，巖礦心采取率方面，全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)也優(yōu)于立軸式鉆機(jī)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，在硬、脆、碎特點(diǎn)的地層以及孔底漏失地層中通過對(duì)鉆具涂抹PID214管材油脂能夠明顯減少鉆具振動(dòng)、鉆具磨損過快、回轉(zhuǎn)阻力過大的問題。

(4)針對(duì)該礦區(qū)研制的沖洗液配方及堵漏工藝能夠解決鉆進(jìn)過程中遇到的問題，該沖洗液配方攜帶巖粉能力較強(qiáng)，保證了孔底巖粉及時(shí)排出，提高了鉆進(jìn)效率。

(5)ZK1516鉆孔第5次施工采用三開式鉆孔結(jié)構(gòu)，加大鉆頭外徑的方法有效地降低了沖洗液在復(fù)雜地層中的循環(huán)壓力，為粘度較高的沖洗液提供了較好的使用空間，更有利于處理孔內(nèi)復(fù)雜事故。

［1］ 王冠，孫豐月，李碧樂，等．東昆侖夏日哈木礦區(qū)早泥盆世正長(zhǎng)花崗巖鋯石U－Pb年代學(xué)、地球化學(xué)及其動(dòng)力學(xué)意義［J］．大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2013，(4):685 －697．

［2］ 張林．青海拉陵灶火地區(qū)成礦地質(zhì)特征及找礦遠(yuǎn)景分析［D］．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2013．

［3］ 李世金，孫豐月，高永旺，等．小巖體成大礦理論指導(dǎo)與實(shí)踐－－青海東昆侖夏日哈木銅鎳礦找礦突破的啟示及意義［J］．西北地質(zhì)，2012，(4):185 －191．

［4］ 翟育峰，王魯朝，丁昌盛，等．西藏羅布莎科學(xué)鉆孔沖洗液技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(4):1 －4．

［5］ 烏效鳴，胡郁樂，賀冰新，等．鉆井液與巖土工程漿液［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2002．