陳臺溝鐵礦復雜地層深孔鉆探施工技術(shù)

劉錫金

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局402隊，遼寧鞍山114002)

1 概述

1．1 礦區(qū)概況

陳臺溝鐵礦位于鞍山市北東11 km，行政區(qū)劃隸屬于鞍山市千山區(qū)千山鎮(zhèn)陳臺溝村管轄。礦區(qū)距鞍千公路1 km，其間有鄉(xiāng)村公路相通，環(huán)市鐵路從礦區(qū)西側(cè)1 km處通過，交通方便。礦區(qū)地貌屬丘陵山地地形，總地勢東高西低。最高山峰位于肖家北溝東側(cè)，海拔標高為309.7 m，最低侵蝕基準面標高為33.8 m，相對比高275.9 m，一般比高50～150 m。山坡角5°～25°不等。植被發(fā)育一般。區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，于礦區(qū)東部有一條小河，為沙河上游支流，常年流水，流向由南至北。河床寬1～5 m不等，水深0.3～1 m，枯水期水量較小，豐水期水量較大，呈現(xiàn)季節(jié)性變化，補給來源主要為大氣降水和選廠排水;于礦區(qū)西側(cè)1 km處左右存在沙河上游支流，流向由南至北，在魏家屯北側(cè)與上述小河匯合，流量很小，季節(jié)性變化明顯。

礦區(qū)分普查和詳查2個階段，共計完成鉆孔27個，累計完成鉆探工程量34322.06 m。其中:0～1000 m鉆孔3個，1000～1500 m鉆孔19個，1500～2000 m鉆孔5個。通過本次工作，基本查明了區(qū)內(nèi)Fe1礦體的賦存狀態(tài)和礦石質(zhì)量情況，全礦床累計探求(332)+(333)類磁鐵貧礦122846萬t，新增磁鐵貧礦資源量8171萬t。為鞍山五礦陳臺溝礦業(yè)有限公司下一步開發(fā)利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1．2 礦區(qū)地層和地質(zhì)構(gòu)造

陳臺溝鐵礦床位于胡家廟子鐵礦床南西側(cè)0.5～1 km，二者礦體近乎平行，只是本礦床為隱伏礦床，礦區(qū)為單斜地層。礦區(qū)內(nèi)的地層主要為太古界鞍山群櫻桃園巖組變質(zhì)巖(Arany)、下元古界遼河群浪子山組變質(zhì)巖(Ptlhl)及新生界第四系(Q)。鞍山群地層與遼河群地層為不整合接觸。

太古界鞍山群櫻桃園巖組(Arany)為區(qū)內(nèi)含礦地層，位于下元古界遼河群浪子山組(Ptlhl)地層之下，該組地層走向為310°～340°，傾向北東，傾角一般在68°～78°;主要巖性為綠泥石英片巖(分布在礦體的上、下盤)、磁鐵石英巖等。綠泥石英片巖為鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，礦物成分:石英50%左右，綠泥石30%左右，含少量白云母、碳質(zhì)、磁鐵礦。磁鐵石英巖為粒狀變晶結(jié)構(gòu)，條紋狀構(gòu)造，礦物成分:石英45%，磁鐵礦40%左右，含少量透閃石和綠泥石。

櫻桃園巖組(Arany)地層之上，其上部被新生界第四系(Q)覆蓋，地表主要分布在礦區(qū)西側(cè)?？傮w產(chǎn)狀走向340°，傾向南西，局部傾向北東，傾角較緩，一般≯45°，局部較陡可達60°以上。主要巖性為含碳質(zhì)絹云石英千枚巖等。其碳質(zhì)絹云石英千枚巖地層厚度達600～800 m。

工作區(qū)屬于區(qū)域構(gòu)造的一部分，同樣經(jīng)歷了三期構(gòu)造的疊加，由于強烈平行化的結(jié)果，形成了目前單斜地層的構(gòu)造格局。斷裂構(gòu)造按展布方向又可分為北西向斷裂及近東西向斷裂二組。北西向斷裂(F1):位于礦體西側(cè)、花崗巖體與遼河群浪子山組地層接觸帶上，斷層走向與礦體走向一致，傾向南西西，傾角60°～80°，延長 ＞3 km。

2 前期鉆探施工難題

本礦區(qū)鉆探施工分成2個時間段，第一時間段從2008年3月開始至2010年年底結(jié)束，完成鉆孔17個，完成鉆探工程量20092.32 m。第二時間段從2011年6月開始至2012年12月月底結(jié)束，完成鉆孔10個，完成鉆探工程量14229.74 m。前期鉆探施工過程中，在遇到非常復雜的地質(zhì)地層情況下，由于缺乏本地區(qū)施工經(jīng)驗，從而給施工帶來嚴重的困難，鉆探工作曾經(jīng)中斷近2個月，多個施工單位先后撤離礦區(qū)，最后只剩下2家施工單位。

(1)礦區(qū)構(gòu)造極其發(fā)育。每個鉆孔都遇到多處構(gòu)造，最多一個鉆孔遇到5處構(gòu)造，構(gòu)造帶巖石破碎厚度最大140 m。部分鉆孔揭露的構(gòu)造分布深度和對巖石質(zhì)量影響情況分別見表1、表2。

表1 鉆孔揭露構(gòu)造發(fā)育深度一覽表

從巖石種類上可以看出，由于構(gòu)造造成的不良地質(zhì)現(xiàn)象基本出現(xiàn)在碳質(zhì)絹云千枚巖和綠泥石英片巖2種巖石上。通過鉆孔巖心對2種巖石描述如下。

碳質(zhì)絹云石英千枚巖(Cph):鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造。礦物成分:石英45%左右，絹云母40%左右，含少量碳質(zhì)、綠泥石、磁鐵礦。在強烈構(gòu)造作用下巖石呈碎塊和泥狀。

表2 鉆孔揭露巖石質(zhì)量極劣～劣深度統(tǒng)計表 /m

綠泥石英片巖:鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。礦物成分:石英50%左右，綠泥石30%左右，含少量白云母、碳質(zhì)、磁鐵礦。在強烈構(gòu)造作用下巖石呈碎塊和泥狀。

構(gòu)造帶鉆探施工出現(xiàn)了坍塌、掉塊、漏水、涌水、縮徑等不良地質(zhì)現(xiàn)象，造成卡鉆、夾鉆、埋鉆、鉆桿折斷等眾多井內(nèi)事故，施工進展緩慢，施工成本急劇增加。

(2)礦區(qū)厚大千枚巖地層走向為310°～340°，傾向北東，傾角一般在68°～78°。鉆孔設(shè)計傾角78°～80°，方位角343.39°。在厚大千枚巖層鉆探施工，尤其是當?shù)貙觾A向和傾角與鉆機鉆進方向相近時，造成鉆孔偏離勘探線距離較大，此問題嚴重困擾本次勘查工程質(zhì)量及工作進度。

《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)范》(DZ/T 0227－2010)、《鐵、錳、鉻礦地質(zhì)勘查規(guī)范》(DZ/T 0200－2002)和地質(zhì)技術(shù)要求中規(guī)定頂角偏差＜2°/100 m，方位偏差小于勘探線間距的1/4。礦區(qū)普查剖面線間距為400 m，從表3中可以看出，實際鉆孔偏差已經(jīng)遠遠大于規(guī)范和地質(zhì)技術(shù)要求，有的鉆孔在沒有見礦之前由于鉆孔頂角方位偏差太大而導致鉆探無法施工。

表3 前期部分鉆孔頂角及方位偏差一覽表

(3)鉆孔深，巖層可鉆性等級高。1500 m左右及以深鉆孔存在一層赤鐵礦，厚度在100～130 m之間，埋藏深度在1300～1600 m之間，巖石可鉆性等級達到12級，每班8 h進尺一般不超過2 m，是國內(nèi)公認的最難鉆進的堅硬致密“打滑”地層之一。由于需要經(jīng)常上下鉆處理鉆頭上金剛石的出露問題，一方面帶來孔壁不穩(wěn)定，另一方面造成效率低下、成本大幅度上升。

對前期7個鉆孔6752.97 m鉆探工作量統(tǒng)計，報廢工程量785 m，累計擴孔深度672 m，平均臺月效率204 m，鉆探平均成本大幅度上升。

3 針對施工難題采取的技術(shù)措施

3．1 針對鉆孔漏失、坍塌掉塊、縮徑采取的措施

(1)采取合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，1000 m以淺的構(gòu)造破碎帶全部使用套管隔離，套管隔離之后，鉆孔的漏失、坍塌掉塊、縮徑問題可得到根本解決?？傮w鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足表4要求。由于不同的鉆孔所在的構(gòu)造破碎帶位置不同，按鉆孔實際構(gòu)造破碎帶深度進行逐級換徑，可隔離三段較大的破碎帶，基本上可滿足施工要求。

表4 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

(2)在每一層套管下入之前的鉆進過程中，有針對性使用多功能沖洗液進行護壁堵漏，防坍塌掉塊，防縮徑。不同的地層所使用的沖洗液如下。

完整地層鉆進:水+低熒光特效降失水劑+潤滑劑;

坍塌掉塊、漏失地層:水+低熒光特效降失水劑+801堵漏劑+聚丙烯酰胺+CMC+潤滑劑;

坍塌掉塊、漏失、縮徑地層:水+低熒光特效降失水劑+801堵漏劑+聚丙烯酰胺+CMC+重晶石粉+潤滑劑;

1000 m以淺鉆孔潤滑使用高效潤滑劑，1000 m以深由于地層溫度升高的影響，高效潤滑劑部分失效，降低潤滑效果，換用高效切削油潤滑。

3．2 針對鉆孔彎曲采取的措施

降低鉆孔彎曲率需采取防治相結(jié)合的方法進行施工，預防為主，治理為輔。

3．2．1 綜合預防措施

(1)在鉆進參數(shù)上進行調(diào)整，采取低壓快轉(zhuǎn)，控制鉆進速度，鉆進參數(shù)見表5。

表5 鉆進參數(shù)

在表5的鉆進參數(shù)選擇上，鉆進壓力和泵量取低值，轉(zhuǎn)數(shù)取高值，鉆進速度≯2 m/h，這樣有利于鉆桿柱在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時穩(wěn)定，從而起到降低鉆孔彎曲的效果。

(2)增加鉆具長度，用長鉆具在孔內(nèi)的導向作用來降低鉆孔彎曲率。鉆具的長度增加至15～20 m，單根鉆具用擴孔器連接，除連接鉆頭的擴孔器外，至少使用2～3個擴孔器連接鉆具。

(3)用測斜儀隨時進行監(jiān)測。尤其是已經(jīng)出現(xiàn)較大彎曲的趨勢時每鉆進10～20 m測斜一次，做到心中有數(shù)，為下一步采取措施提供準確數(shù)據(jù)。

3．2．2 綜合治理措施

(1)水泥灌孔，重新鉆進。在預防措施不理想的條件下，將超差彎曲的孔段用高標號水泥進行灌注，水泥面需高出超差彎曲段20 m，待水泥完全凝固后達到能夠取得完整巖心時，用超長鉆具進行重新鉆進。利用水泥柱的強度和巖石強度不一致的特點鉆出符合要求的新孔。水泥使用800號高強度普通硅酸鹽水泥，采用泵送灌注方法，水灰比0.5。灌注之前，在地表一定要做好實驗，模擬井下環(huán)境，嚴格測定好水泥的初凝時間，現(xiàn)場測定水泥初凝時間78 min。透孔前水泥凝固時間≮72 h。

(2)使用連續(xù)糾斜器進行糾偏。在其他預防治理措施無效的情況下，使用連續(xù)糾斜器進行糾偏。使用連續(xù)糾斜器糾偏必須設(shè)在完整地層地段，每次糾斜段長度為10 m，每次糾斜頂角≯1°，方位角≯10°，糾斜段過后需要至少有10 m的自然鉆進段，使鉆孔曲線自然平滑，否則糾斜后鉆進時會在此段出現(xiàn)鉆桿折斷事故，給后續(xù)施工埋下隱患。

在本礦區(qū)盡管連續(xù)糾斜器有糾斜效果，但是仍不作為優(yōu)選的孔斜治理手段，其原因是:強烈的造斜地層每50 m即可造成鉆孔頂角上漂4°～6°，而每一次10 m糾斜只能控制在1°范圍內(nèi)，其糾斜效果不明顯，顯然糾的沒有跑的快，實際上只起到減緩偏斜的作用。

3．3 針對“打滑”地層采取的措施

(1)調(diào)整鉆進參數(shù):在表5的鉆進參數(shù)中，鉆壓和轉(zhuǎn)數(shù)取最高值，泵量取最小值。經(jīng)過高壓對巖石的壓碎壓裂作用，增加轉(zhuǎn)數(shù)提高對同一點的磨削次數(shù)，降低泵量增加孔底巖粉留存量和留存時間研磨鉆頭胎體使金剛石出刃，鉆進效率有所提高。

(2)增加孕鑲金剛石鉆頭工作層厚度和使自銳出刃的物理方法:本礦區(qū)的赤鐵礦埋藏深度1300～1600 m、厚度100～130 m，要求鉆頭盡可能地提高壽命和提高工作效率，實現(xiàn)少提鉆多進尺，盡快突破“打滑”地層。因此，將鉆頭的工作層厚度由原來的7 mm提高到10 mm，鉆進過程中出現(xiàn)地層打滑現(xiàn)象時，由鉆桿內(nèi)向井內(nèi)投粉碎后粒徑為0.5～1 mm的堅硬石英砂粉。投入量控制在填入孔底0.3～0.5 m高度，使石英砂研磨鉆頭胎體，促使金剛石出刃。采用低擋轉(zhuǎn)數(shù)、小泵量、高鉆壓進行研磨，間隔2～3 min將鉆具上下往復串動3～5次。另外，由于以井內(nèi)投砂研磨為主，鉆頭胎體硬度就不能選擇低硬度胎體，使用胎體硬度HRC35－40金剛石鉆頭更適合投砂研磨這種方式。

4 結(jié)語

(1)全礦區(qū)27個鉆孔，采用合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，套管完全隔離破碎帶，多功能沖洗液護壁堵漏、防縮徑的方法，從根本上解決了斷裂構(gòu)造帶的鉆進難題。

(2)厚大千枚巖強烈造斜地層在采取綜合防治措施后，在13個鉆孔應用，每50 m頂角上漂基本控制在1°～2.5°之內(nèi)。有些鉆孔控制效果不是很理想，我們也曾向國內(nèi)多位知名的專家進行咨詢和請他們現(xiàn)場指導，但是受施工時間和施工成本的限制，也沒有更好的辦法從根本上加以解決。

(3)遇到“打滑”地層的鉆孔共有7個，8 h班進尺由原來的平均2.0 m提高到6.5 m，單個鉆頭的提鉆周期由原來9.8 m提高到25.3 m。要想徹底攻克“打滑”地層鉆進難點，尤其是在深部鉆進中，還需要進一步的研究和總結(jié)。

(4)通過對復雜地層采取綜合治理的方法，單機平均臺月效率由原來的204 m提高到369.25 m，對整個項目順利完成起到至關(guān)重要的作用。

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