河北淶源木吉村銅礦ZK6801孔深孔繩索取心鉆進(jìn)體會(huì)

張向明，李亞東，紀(jì)正武，李永紅

(河北省保定地質(zhì)工程勘查院，河北保定071051)

0 前言

河北省淶源縣楊家莊鎮(zhèn)木吉村銅礦是我院工作多年的老礦區(qū)，并且極具做進(jìn)一步工作的必要，現(xiàn)在已探明為一處大型多金屬礦群。查明銅資源量98.11萬t，達(dá)大型(50萬t以上);鉬資源量3.13萬t，達(dá)中型(1～10萬t);伴生金遠(yuǎn)景資源量20 t，達(dá)大型(20 t以上);伴生硫遠(yuǎn)景資源量1164萬t，達(dá)到大型(500萬t以上);伴生銀遠(yuǎn)景資源量447.91 t，達(dá)中型(200～1000 t)。勘查工作實(shí)現(xiàn)銅(鉬)礦找礦的重大突破，榮獲中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)“2010年度十大地質(zhì)找礦成果”獎(jiǎng)。

這一成果的取得，首先應(yīng)歸功于繩索取心鉆探工藝的應(yīng)用，從表1可以看出金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝的巨大優(yōu)勢(shì)。

隨著地質(zhì)找礦工作的進(jìn)一步發(fā)展，鉆孔越來越深，近幾年，我院施工深度在1200～2000 m間的鉆孔已有20多個(gè)，今后數(shù)量還要更多，深度還將更深。為此，筆者結(jié)合木吉村銅礦ZK6801孔的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)繩索取心鉆進(jìn)工藝在中深孔中的應(yīng)用總結(jié)幾點(diǎn)體會(huì)，為今后的深孔施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 礦區(qū)地層情況

河北省淶源縣楊家莊鎮(zhèn)木吉村銅礦區(qū)地層復(fù)雜，區(qū)內(nèi)的構(gòu)造以斷裂構(gòu)造、古火山構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造有NNE向、NE向、NEE向、近SN向、NW向等多組，以NNE向、NE向的烏龍溝斷裂系為主，大多具多次活動(dòng)的歷史。主要控礦(巖)斷裂為F4。該地區(qū)內(nèi)的巖漿巖是淶源雜巖體的一部分，其主要巖石類型有黑云母石英閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和斑狀花崗閃長(zhǎng)巖、粗粒斑狀花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、二長(zhǎng)斑巖和閃長(zhǎng)玢巖。

表1 繩索取心鉆進(jìn)與硬質(zhì)合金、鋼粒鉆進(jìn)效果對(duì)比

2 鉆孔施工簡(jiǎn)況

ZK6801鉆孔，設(shè)計(jì)孔深1650 m，直孔，設(shè)計(jì)終孔口徑≥59 mm。其鉆孔結(jié)構(gòu)：φ150 mm口徑開孔，穿過第四系及坡積物，孔深43 m，下入φ146 mm孔口管;換徑φ130 mm硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，進(jìn)入中風(fēng)化完整基巖，孔深136 m，下入φ127 mm技術(shù)套管;之后換徑φ110 mm單管金剛石鉆進(jìn)(當(dāng)時(shí)我單位沒有φ110 mm繩索取心鉆具)。在320 m處遇到一條破碎帶，厚度2.5 m，在泥漿中加入羧甲基纖維素鈉和腐植酸鉀，調(diào)整泥漿粘度等性能，經(jīng)過數(shù)次掃孔，得以穿過，繼續(xù)鉆進(jìn)至400 m，遇到一層厚約5 m的破碎帶，反復(fù)掃孔無效，下入φ108 mm套管變徑。用φ95 mm繩索取心鉆進(jìn)至660 m，遇到一層破碎帶又有活動(dòng)水并且伴有流沙，坍塌掉塊，漏失嚴(yán)重，影響下一步鉆進(jìn)。泥漿護(hù)壁及水泥灌注均沒達(dá)到實(shí)際效果，只得下入φ89 mm套管變徑，用φ75 mm繩索取心鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)到1100 m時(shí)，遇到一層破碎帶，灌注了3次水泥，成功護(hù)壁，孔深到1360 m，地層破碎，充填物復(fù)雜，坍塌、掉塊嚴(yán)重，破碎、坍塌段長(zhǎng)度達(dá)60 m，采取了多種處理方法，在勉強(qiáng)鉆穿這一層后及時(shí)下入φ73 mm套管換φ59 mm口徑鉆進(jìn)，到達(dá)設(shè)計(jì)終孔深度后，該孔加深300 m，直至1950.52 m，于2013年3月終孔。

3 經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)

該鉆孔的施工，走了一些彎路，為此也獲得了一些經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要留有余地

鉆孔結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至終孔孔身剖面中各孔段的深度和口徑的變化情況。鉆孔換徑次數(shù)越多，鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。

對(duì)于深孔來說，特別是地層不明的鉆孔，鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。這個(gè)礦區(qū)是一個(gè)老礦區(qū)，但原來施工的鉆孔均較淺，對(duì)深層的地質(zhì)情況尚無明確的認(rèn)識(shí)，所以，開孔直徑要盡可能的大，地層越復(fù)雜，就越要留有變徑的余地。

該孔采用φ150 mm開孔，經(jīng)過了5次變徑，才達(dá)到了終孔深度。簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)一定要合理，一定要確保終孔口徑滿足地質(zhì)要求。該孔雖然設(shè)計(jì)終孔口徑≥59 mm，但前期工作是按φ75 mm終孔準(zhǔn)備的。

在ZK6801鉆孔中，使用了φ95、75和59 mm三種規(guī)格的金剛石繩索取心鉆具，級(jí)配合理。一般的淺孔，所穿過的不良層位較少，孔內(nèi)簡(jiǎn)單，開孔后可一徑或變一徑到底。而對(duì)于深度大地層又復(fù)雜的鉆孔，鉆進(jìn)中必須要加固孔壁。而用泥漿或化學(xué)漿液無法達(dá)到護(hù)壁的效果，采用水泥固孔也無效時(shí)，就必須用套管來隔離不穩(wěn)定的孔壁。要做好下一層、兩層、三層甚至更多層套管的準(zhǔn)備，形成多臺(tái)階的鉆孔結(jié)構(gòu)，所以開孔口徑要比終孔口徑大幾級(jí)。

鉆孔結(jié)構(gòu)的要素包括：鉆孔目的;要求終孔口徑(或穿礦口徑);地質(zhì)條件和孔深，設(shè)備能力。

鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是采用自下而上的方法設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)，首先要確定所需的終孔口徑，為了降低成本和增加鉆進(jìn)效率，在可行的條件下盡量簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)要留一級(jí)備用口徑，當(dāng)出現(xiàn)無法處理的孔內(nèi)情況時(shí)，可以補(bǔ)下一級(jí)套管，以保證達(dá)到地質(zhì)目的終孔。下套管的原則：

(1)孔口管，以保證孔口覆蓋層不被沖壞，又起到導(dǎo)正鉆孔的目的。

(2)加固難用泥漿護(hù)壁或水泥固孔困難的地層。

(3)隔離漏水層或涌水層。

(4)當(dāng)設(shè)備能力不足或處理孔內(nèi)異常需要縮小一級(jí)口徑時(shí)。

(5)兩級(jí)套管之間的間隔盡可能的大，在上一級(jí)套管下入后，進(jìn)尺較少(小于100 m)、孔又較淺(小于600 m)時(shí)，遇到破碎地層，盡可能起拔套管擴(kuò)孔而不急于下下一級(jí)套管，終孔前套管留有級(jí)數(shù)越多，順利終孔越有保證。

(6)套管間絲扣連接最好是采用反扣，便于套管的起拔。

3.2 泥漿使用一定要適宜

套管護(hù)壁是最有效、最牢固、最永久的護(hù)壁方法，但每下一層套管就意味著縮小一級(jí)口徑，因此在鉆進(jìn)各種松散、松軟和破碎地層時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)孔壁坍塌、掉塊和縮徑等不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是深孔鉆探不穩(wěn)定狀態(tài)頻繁出現(xiàn)，不可能無限度地加大鉆孔的口徑，為穩(wěn)定孔壁，首選的技術(shù)措施就是利用具有護(hù)壁性能的泥漿，在沖孔的同時(shí)穩(wěn)定孔壁，只有當(dāng)靠泥漿難以完成護(hù)壁作用時(shí)，再選用水泥固孔、下套管等其他的護(hù)壁措施。

繩索取心鉆進(jìn)，鉆桿柱與孔壁的間隙較小，內(nèi)外管之間的間隙小，這就要求鉆進(jìn)用的沖洗液要有潤(rùn)滑性又不能在內(nèi)外管壁上形成泥皮，因此要求泥漿中的固相含量越少越好。這與在鉆進(jìn)各種松散、松軟和破碎地層時(shí)要求護(hù)壁的泥皮形成了矛盾，所以必須使用優(yōu)質(zhì)的低固相泥漿或化學(xué)泥漿。值得注意的是，在提鉆過程中，必須及時(shí)補(bǔ)漿，以維持孔內(nèi)液柱壓力，此外，提下鉆要避免壓力激動(dòng)，特別是孔壁不穩(wěn)定的情況下，以預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生。

ZK6801孔采用低固相泥漿，效果很好，鉆進(jìn)中遇到多個(gè)斷層破碎帶，護(hù)壁堵漏效果明顯。

泥漿配方：水+7%膨潤(rùn)土+1.8%腐植酸鉀+0.7 kg/m3聚丙烯酰胺+2.5 kg/m3堵漏劑。泥漿的性能指標(biāo)：密度1.03 g/cm3，蘇氏漏斗粘度24 s，失水量8 mL/30 min。在泥漿使用過程中嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土的含量，使得鉆進(jìn)中的高轉(zhuǎn)速情況下，始終沒有結(jié)泥皮現(xiàn)象。另外還要加強(qiáng)對(duì)泥漿的保護(hù)，堅(jiān)決不允許直接向現(xiàn)有泥漿內(nèi)加清水來稀釋泥漿。總之，在鉆進(jìn)過程中，必須根據(jù)地層條件及時(shí)調(diào)整泥漿性能，在泥漿能夠滿足護(hù)壁堵漏的情況下，不要輕易下入套管，以免使得鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，同時(shí)也為下面出現(xiàn)復(fù)雜地層時(shí)留下處理的余地，確保鉆孔順利終孔。

3.3 水泥固孔要結(jié)合泥漿和套管的使用

使用泥漿護(hù)壁不能維持孔壁的穩(wěn)定和正常鉆進(jìn)時(shí)，在不下套管的情況下，最常采用的是向不穩(wěn)定的孔段孔壁灌注水泥漿，待水泥漿液凝固后，使用原孔徑的鉆頭鉆開固結(jié)物，重新形成的孔壁是固結(jié)物或被固結(jié)物膠結(jié)的巖石。淶源木吉村礦區(qū)幾乎所有鉆孔都注過水泥，每個(gè)鉆孔的灌漿段還不止一段。

2005年施工的ZK2004孔，設(shè)計(jì)孔深700 m，設(shè)計(jì)終孔口徑≥59 mm。施工設(shè)計(jì)采用四級(jí)套管五徑成孔，用φ130 mm口徑開孔下入φ127 mm套管，開孔后鉆孔全孔破碎，每打一段幾乎沒有超過50 m就要注一次水泥，最后是注水泥、下套管和泥漿護(hù)壁相結(jié)合才完成鉆孔。φ108 mm套管下100 m，φ89 mm套管160 m，φ73 mm套管300 m，φ59 mm口徑鉆進(jìn)至500 m時(shí)，地層相當(dāng)不穩(wěn)定，無論是注水泥和泥漿都不能順利進(jìn)行，經(jīng)請(qǐng)示后下了一級(jí)φ53 mm套管，最后用φ42 mm口徑終孔，孔深710 m，達(dá)到了地質(zhì)目的。

ZK6801孔在1100 m的破碎帶，也是通過灌注水泥達(dá)到了護(hù)壁堵漏的目的。將0.5∶1的水泥漿液通過鉆桿壓至封堵孔段，壓完替漿水提出鉆桿，封閉孔口再次壓水，利用泵壓封閉24 h，以求取得最好的灌注效果。

鉆孔灌注水泥漿的原則。

(1)鉆過坍塌、掉塊地層后，泥漿不能有效地維持孔壁穩(wěn)定，孔壁持續(xù)有坍塌、掉塊發(fā)生時(shí)而灌注水泥。

(2)塌、漏共存的鉆孔，為加固塌、漏層的孔壁，以便使用清水頂漏鉆進(jìn)而灌注水泥。

(3)孔壁因坍塌、掉塊在局部孔段出現(xiàn)大的空腔(大肚)，即使坍掉已經(jīng)停止，但在空腔處鉆桿高速回轉(zhuǎn)時(shí)容易引起鉆桿折斷，為充填空腔而注水泥漿。

(4)在嚴(yán)重坍塌、掉塊地層內(nèi)，泥漿無力使鉆頭鉆透該地層，這時(shí)采用鉆一段灌一段水泥漿，逐段加固通過嚴(yán)重坍塌、掉塊地層。

在近幾年的水泥固孔護(hù)壁實(shí)踐中，經(jīng)常有注水泥的效果不是很好，有時(shí)是因?yàn)樽⑺嗖坏轿?，或是孔?nèi)沖洗不干凈，或是地下水活動(dòng)劇烈，這都使得注水泥不成功。另外就是注水泥成功后，孔壁也不是長(zhǎng)久牢固，孔壁上的水泥有破碎、脫落現(xiàn)象，還易造成事故。因此，注水泥與泥漿護(hù)壁、下套管要有機(jī)結(jié)合，掌握最佳下套管的鉆孔深度，以保證最高效率地完成鉆孔。

4 結(jié)語

繩索取心鉆進(jìn)工藝在深孔施工中，由于減少了提下鉆次數(shù)，減少了輔助工作時(shí)間，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鉆進(jìn)效率;在鉆孔質(zhì)量方面，由于鉆桿和孔壁間隙小，鉆孔不易彎曲，同時(shí)，小的坍塌掉塊不易卡鉆;發(fā)生巖心堵塞時(shí)能夠及時(shí)提鉆，有利于保證巖(礦)心采取率。因此，使用繩索取心鉆進(jìn)在中深孔中施工，在保證鉆孔質(zhì)量上效果非常明顯，但對(duì)于中深孔，特別是地層復(fù)雜的情況下，必須充分考慮鉆孔結(jié)構(gòu)、水泥護(hù)壁堵漏以及泥漿的正確使用，對(duì)復(fù)雜地層綜合治理，確保繩索取心鉆進(jìn)工藝在復(fù)雜地層的中深孔鉆進(jìn)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，繩索取心鉆進(jìn)工藝在中深孔鉆探應(yīng)用中的影響因素還很多，如地層情況、鉆機(jī)動(dòng)力因素、鉆頭和擴(kuò)孔器的使用情況等，還有待于在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中繼續(xù)摸索、充分總結(jié)，使我院的鉆探生產(chǎn)能力和效率進(jìn)一步提高。

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