福建馬坑礦區(qū)鉆探技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策

彭金灶

(福建省第八地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364000)

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)交通位置

馬坑礦區(qū)位于龍巖市郊，工作區(qū)位于福建省龍巖市東南120°方向，平距13 km至馬坑村北東東山上，礦區(qū)南側(cè)為319國(guó)道，至龍巖鐵路貨運(yùn)站約13 km。至機(jī)臺(tái)均修有簡(jiǎn)易公路，交通極為便利。

1.2 礦區(qū)勘查主要鉆探工程開(kāi)展情況

據(jù)記載本礦區(qū)開(kāi)展地質(zhì)工作始于1913年，1957年物探隊(duì)經(jīng)地面磁測(cè)發(fā)現(xiàn)本區(qū)磁異常后，揭開(kāi)了探索本區(qū)深部隱伏磁鐵礦的序幕。1958～1982年，在大量地質(zhì)及其科研工作的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了3個(gè)階段的礦區(qū)勘查鉆探工程，完成鉆探工作量147406.56 m，探明鐵礦儲(chǔ)量4.79億 t，伴生鉬礦8.29萬(wàn) t，是華東最大的鐵礦床。

在全國(guó)開(kāi)展“攻深找盲，探邊摸底”的新一輪地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作的同時(shí)，我局(福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局)也開(kāi)展了武夷山成礦帶深部找礦工作。2010～2013年12月，馬坑鐵礦外圍礦區(qū)深部找礦勘查，已完成鉆孔12個(gè)，其中定向鉆孔2個(gè)，完成鉆探工作量10527.81 m。控制鐵礦體估算資源量約1.4億t，實(shí)現(xiàn)了“探邊摸底”找礦工作的重大突破。

1.3 礦區(qū)地層情況(見(jiàn)表1)

表1 馬坑礦區(qū)地層情況

2 礦區(qū)鉆探主要技術(shù)難題

2.1 復(fù)雜地層特點(diǎn)

二疊系童子巖組(P1t)和文筆山組(P1w)地層:巖石水化作用強(qiáng)烈，換層頻繁，層理、節(jié)理發(fā)育，巖層產(chǎn)狀陡等;常見(jiàn)掉塊、坍塌、縮徑等造成糊、埋、卡鉆及套管事故;局部孔段受構(gòu)造破壞，出現(xiàn)中小漏失，護(hù)孔困難。

二疊系棲霞組(P1q)和晚石炭統(tǒng)船山組(C3c)地層:文筆山組與棲霞組接觸面為成巖性裂隙，是嚴(yán)重的漏失層;灰?guī)r上部巖溶發(fā)育，溶洞多、大小不一，洞內(nèi)多充填泥砂、漂礫，有的溶洞成串(ZK8321孔)并與地表和地下裂隙串通，常因漏失引起上部地層和溶洞內(nèi)充填物垮塌造成卡、埋鉆事故，也常發(fā)生鉆桿、套管折斷找不到斷頭;下部燧石灰?guī)r，軟硬不均，存在孔斜問(wèn)題。

中石炭統(tǒng)經(jīng)畬組(C2j)地層:礦層頂板及局部礦層受構(gòu)造破壞、圍巖蝕變、巖脈穿插影響，巖性硬、脆、碎，鉆進(jìn)中易堵，取心困難等。

早石炭統(tǒng)林地組(C1l)地層:巖性致密，堅(jiān)硬，局部孔段巖性脆，鉆進(jìn)效率低。

2.2 斷裂、褶皺十分發(fā)育

礦區(qū)位于龍巖凹陷盆地南東緣，馬坑斷陷盆地內(nèi)，主要構(gòu)造為背斜，礦床處于馬坑背斜的北西翼，總體形態(tài)為單斜構(gòu)造，單斜之上發(fā)育緊密相伴幅度不一的背斜褶皺及斷裂構(gòu)造，區(qū)內(nèi)發(fā)育Fl～F14及溪馬河斷層。

2.3 鉆探施工的技術(shù)難點(diǎn)

2.3.1 地層復(fù)雜，鉆進(jìn)效率低

(1)上部復(fù)雜地層開(kāi)孔口徑大，小徑鉆進(jìn)取心，大徑擴(kuò)孔，重復(fù)鉆進(jìn)頻繁;

(2)碎、脆、地層易堵，回次進(jìn)尺低;

(3)堅(jiān)硬“打滑”地層，時(shí)效低。

2.3.2 護(hù)壁堵漏難

(1)淺部:炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖多為水化膨脹地層，風(fēng)化粉砂巖破碎、構(gòu)造破壞等引發(fā)孔壁“下漏上塌”的治理困難。

(2)中部:灰?guī)r地層溶洞大小不一，成串，洞內(nèi)含充填物(泥砂，泥包石等)，有的溶洞與地表和地下裂隙串通等構(gòu)成長(zhǎng)孔段、多特征的復(fù)雜地層，治理難度大。

(3)深部:部分?jǐn)鄬涌锥未嬖谒缮?、破碎的全漏失層，特別是深部強(qiáng)徑流、大漏失層的堵漏難度大。

(4)擠壓剪切嚴(yán)重的孔段，巖性是軟泥狀存在(常稱“斷層泥”)，怕沖洗液沖刷，孔壁極不穩(wěn)定。斷層產(chǎn)狀陡或處于鉆孔深部時(shí)，孔內(nèi)不良狀況會(huì)加劇。

2.4 局部孔段及深部礦層取心質(zhì)量問(wèn)題

易發(fā)生巖心采取率不足的孔段長(zhǎng)，主要有:風(fēng)化嚴(yán)重的松散地層、無(wú)膠結(jié)性碎石、膠結(jié)性差的泥包石等地層;斷層處巖石破碎嚴(yán)重;背斜褶皺軸部巖性較為破碎等。

3 主要鉆探設(shè)備、機(jī)具及泥漿材料

3.1 設(shè)備

XY－5型鉆機(jī)(配55 kW電動(dòng)機(jī))，XY－44型鉆機(jī)(配45 kW電動(dòng)機(jī))，BW－320型泥漿泵(配22 kW電動(dòng)機(jī))，BW－250型泥漿泵(配15 kW電動(dòng)機(jī))，SG23型鉆塔，SJ－1500型絞車(配5.5 kW電動(dòng)機(jī))，擰管機(jī)、泥漿攪拌機(jī)等。

3.2 主要器具

3.3 主要泥漿材料

膨潤(rùn)土、片堿、植物膠、纖維素、防塌劑、堵漏劑等。

4 鉆進(jìn)工藝技術(shù)措施

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)表2)

實(shí)際工作表明，本礦區(qū)的鉆孔結(jié)構(gòu)基本合理，基本能滿足施工要求，確保鉆孔順利完工，但仍存在如下問(wèn)題。

(1)ZK7521孔186～193.07 m孔段地層復(fù)雜，嚴(yán)重坍塌，多次灌水泥護(hù)孔，浪費(fèi)了大量時(shí)間及財(cái)力，若能在110 mm口徑鉆穿該孔段后，下入108 mm套管，將使鉆孔結(jié)構(gòu)更趨于合理。

(2)存在鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重復(fù)施工現(xiàn)象。如ZK7529孔因深部出現(xiàn)3個(gè)斷層帶(孔深分別為969.20～970.50、1015.69 ～1051.60、1135.50 ～1138.50 m)，造成鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該孔施工至孔深1056.60 m后，繼續(xù)施工困難，拔起89 mm和73 mm套管，于748.41 m處重新擴(kuò)孔，采取多種措施，得以穿過(guò)復(fù)雜孔段，因而鉆孔結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

(3)ZK8321鉆孔結(jié)構(gòu)的特殊性，在離該孔15 m左右已施工一個(gè)水文觀測(cè)孔(觀8孔)，地層分層清楚，為了加快勘探步伐，采用牙輪不取心鉆進(jìn)，由于人為操作原因，造成孔內(nèi)事故，使鉆孔結(jié)構(gòu)無(wú)法按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。

4.2 鉆進(jìn)方法

上部第四系覆蓋層，采用無(wú)泵硬質(zhì)合金鉆進(jìn)或小一徑單動(dòng)雙管硬質(zhì)合金或金剛石鉆進(jìn)，大一徑硬質(zhì)合金或金剛石擴(kuò)孔。

中部泥巖、砂巖、輝綠巖等地層采用繩索取心液動(dòng)錘金剛石鉆進(jìn)。

表2 馬坑礦區(qū)鉆孔結(jié)構(gòu)

破碎、完整及“打滑”地層(砂巖、泥巖、灰?guī)r等)，采用繩索取心金剛石鉆進(jìn)或繩索取心液動(dòng)錘金剛石鉆進(jìn)。

無(wú)膠結(jié)性破碎地層或膠結(jié)性差風(fēng)化砂巖，用多功能孔底反循環(huán)金剛石單動(dòng)雙管鉆進(jìn)。

斷層充填物或斷層泥及塑性地層，采用硬質(zhì)合金無(wú)泵鉆進(jìn)。

4.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合的確定受到鉆遇巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、鉆頭類型及結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆孔直徑、孔身結(jié)構(gòu)和深度、鉆探設(shè)備的性能、沖洗液類型、工人技術(shù)水平等約束，鑒于制約因素較多，各種組合較多。依據(jù)本礦區(qū)實(shí)際情況，使用的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 3、表 4。

4.4 繩索取心液動(dòng)錘的推廣應(yīng)用

相對(duì)于繩索取心鉆探工藝，SYZX(75、95)系列

表3 繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

表4 SYZX75繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

繩索取心液動(dòng)錘鉆探工藝不但有鉆進(jìn)效率高、巖礦心質(zhì)量好、鉆頭壽命長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，而且具有廣泛的適應(yīng)性，能適用于鉆進(jìn)6～9級(jí)的中硬巖層，尤其適應(yīng)10～12級(jí)組織致密、顆粒細(xì)小、弱研磨性的極堅(jiān)硬巖石或研磨性強(qiáng)的硬、脆、碎巖石。

4.4.1 SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘應(yīng)用效果(見(jiàn)表5)

表5 馬坑礦區(qū)SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘使用情況

4.4.2 繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)與普通繩索取心鉆進(jìn)使用效果對(duì)比(見(jiàn)表6)

使用結(jié)果表明，同口徑的繩索取心液動(dòng)錘與普通繩索取心鉆進(jìn)相比具有如下突出特點(diǎn):針對(duì)弱研磨性堅(jiān)硬“打滑”地層，臺(tái)月效率提高1.89倍;對(duì)強(qiáng)研磨性的硬、脆、碎地層，可提高巖心采取率，延長(zhǎng)回次進(jìn)尺，由0.86 m/回次提高至1.91 m/回次。

表6 馬坑礦區(qū)繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)與普通繩索取心鉆進(jìn)使用效果對(duì)比

4.5 復(fù)雜地層護(hù)壁與堵漏技術(shù)

正常鉆孔施工，針對(duì)礦區(qū)地層條件的復(fù)雜性，護(hù)壁堵漏的對(duì)策為:適宜的套管層次(一般需4～5層)+優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁+水泥護(hù)壁堵漏+其它堵漏措施。具體如表7所示。

表7 馬坑礦區(qū)護(hù)壁堵漏對(duì)策選擇

4.5.1 長(zhǎng)孔段、多特征復(fù)雜地層護(hù)壁堵漏——優(yōu)質(zhì)泥漿

馬坑礦區(qū)ZK7924孔順著斷層施工，全孔地層較復(fù)雜，孔深342～721.47 m(孔段長(zhǎng)379.47 m)，ZK7529孔于孔深1015.69～1051.60 m(孔段長(zhǎng)35.91 m)，ZK7929孔于孔深759～806 m(孔段長(zhǎng)47 m)，地層為碎石、砂、泥包石(見(jiàn)圖1～3)，膠結(jié)性差，孔壁坍塌厲害，全漏失。

圖1 ZK7924孔342～721.47 m部分巖心

圖2 ZK7529孔1015.69～1051.60 m巖心

圖3 ZK7929孔759～806 m部分巖心

采用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，其配方為:1 m3清水+62.5 kg鈉膨潤(rùn)土+2～3 kg燒堿+3～5 kg纖維素+3～5 kg植物膠，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)孔段裸眼鉆進(jìn)的堵漏技術(shù)(采用50 mm外絲鉆桿，77 mm多功能孔底反循環(huán)單動(dòng)雙管鉆具)。

4.5.2 孔深較大，強(qiáng)徑流，大漏失地層的堵漏——擴(kuò)孔下套管

淺部的強(qiáng)漏、強(qiáng)涌孔段通常采取擴(kuò)孔后套管隔離。深孔段一般采用水泥封閉和調(diào)整沖洗液性能。目前對(duì)孔深較大、強(qiáng)徑流、大漏失地層鉆進(jìn)仍為世界性難題，我隊(duì)采用各種方法(包括灌注樁剪球法)，均未能取得成功，只好采用擴(kuò)孔下套管的最原始的辦法。如ZK7259孔，原89 mm套管下至748.41 m，后施工至 1056.60 m，斷層(孔深 969.20～970.50 m)有股流動(dòng)水，斷層內(nèi)有砂石充填物，起上89 mm套管，擴(kuò)孔隔離該斷層。

4.5.3 深部松散、破碎、易塌層——旋噴水泥漿固結(jié)護(hù)壁

中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復(fù)雜夾層，由于鉆孔漏失泥漿護(hù)壁難，且無(wú)法采用套管隔離情況下，使用水泥漿高壓旋噴固結(jié)護(hù)壁法。

ZK7529孔孔深1135.50～1138.50 m，ZK8321孔818.57～819.78 m等孔段，出現(xiàn)“斷層泥”，該地層特點(diǎn)是風(fēng)化破碎、怕水沖刷、含泥成分高、易坍塌、埋藏深度大，鉆進(jìn)時(shí)阻力大，提出后孔段即被細(xì)砂、石充填。采用泥漿護(hù)壁、普通方法灌注水泥漿均無(wú)效，受口徑限制也無(wú)法下入套管隔離復(fù)雜孔段的情況下，采用水泥漿高壓旋噴灌注法，解決了護(hù)壁難題。

4.5.4 流塑性地層

流塑性“斷層泥”在強(qiáng)的應(yīng)力作用下，由于塑性變形引起徑向流動(dòng)，造成鉆孔縮徑。ZK7922孔，孔深376.53～388.84 m，采用低效增粘劑LMB+膨潤(rùn)土+CMC。

另一方面，“斷層泥”中富含伊利石和綠泥石等吸水性較強(qiáng)的粘土礦物，遇水即水化膨脹，一脹即垮，導(dǎo)致鉆孔縮徑垮塌。

4.6 復(fù)雜地層取心方法

復(fù)雜地層取心方法選擇見(jiàn)表8，采用多功能孔底反循環(huán)與普通繩索取心鉆進(jìn)復(fù)雜地層巖心采取率對(duì)比見(jiàn)表9。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

馬坑礦區(qū)代表性鉆孔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表10。

表8 復(fù)雜地層取心方法選擇

表9 多功能孔底反循環(huán)與普通繩索取心鉆進(jìn)取心效果對(duì)比

表10 馬坑礦區(qū)鉆孔綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

由表10可知，本礦區(qū)總體鉆探效率較低，究其原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)大口徑施工孔段長(zhǎng)，非常規(guī)鉆進(jìn)工藝所占比例大，上部為小徑雙管鉆進(jìn)取心，大口徑多級(jí)擴(kuò)孔。

(2)地層復(fù)雜，裂隙帶地層破碎、膠結(jié)性差，易坍塌、掉塊等，采取多種護(hù)孔措施，所占用時(shí)間長(zhǎng)。

(3)部分鉆孔灰?guī)r地層溶洞發(fā)育，且大多數(shù)溶洞內(nèi)有充填物，治理難度大，無(wú)法高速鉆進(jìn)，且易斷鉆桿。

6 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

(1)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)是保障鉆孔順利施工的關(guān)鍵。

(2)實(shí)踐證明，針對(duì)長(zhǎng)孔段、復(fù)雜地層，采用普通單動(dòng)雙管金剛石鉆進(jìn)可以大大地提高鉆進(jìn)效率，同時(shí)提高護(hù)壁效果。

(3)針對(duì)堅(jiān)硬“打滑”地層，使用繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)，可提高鉆進(jìn)效率;對(duì)強(qiáng)研磨性的硬、脆、碎等破碎地層，可減少巖心堵塞，延長(zhǎng)回次進(jìn)尺。

(4)中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復(fù)雜夾層，采用泥漿護(hù)壁難且無(wú)法采用套管隔離情況下，采用高壓旋噴水泥漿固結(jié)護(hù)壁，可有效解決護(hù)壁難題。

(5)破碎無(wú)膠結(jié)性的碎石層或無(wú)膠結(jié)性的流砂層、“泥包石”等，巖(礦)心采取率低，采用多功能孔底反循環(huán)單動(dòng)雙管取心效果較好。

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