青海省都蘭縣五龍溝礦區(qū)坑道鉆探工藝研究

徐國(guó)輝，萬道含，楊樹強(qiáng)，高元宏

(1．青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810000;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北武漢430074)

東昆侖造山帶是一個(gè)經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng)的復(fù)雜造山帶，是青藏高原北部重要的成礦地質(zhì)構(gòu)造單元，蘊(yùn)藏著非常豐富的礦產(chǎn)資源［1－2］。五龍溝金礦位于青海省柴達(dá)木盆地南緣、青藏高原北部東昆侖山中段北緣五龍溝地區(qū)，行政區(qū)劃隸屬青海省海西州都蘭縣，是青海省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)具有潛力的中大型礦床，被認(rèn)為是青海省最具資源潛力的金礦集中區(qū)之一。

五龍溝礦區(qū)地形復(fù)雜，山勢(shì)陡峭險(xiǎn)要，地貌屬深切割高山區(qū)，海拔在3000～4500 m之間，相對(duì)高差在800 m以上［3］。由于礦區(qū)地形切割大，許多在地表布設(shè)的鉆孔因修路難度大、修路工期長(zhǎng)、施工難度大等因素而選擇布置在礦區(qū)坑道內(nèi)。

本文針對(duì)五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段布設(shè)的SZZK8905鉆孔特點(diǎn)，開展坑道鉆探工藝研究，對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)找礦工作具有十分重要的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1．1 地層概況

五龍溝礦區(qū)出露的地層主要有:下元古界金水口群(Pt1j)、中元古界小廟群(Pt2)、上元古界丘吉東溝群(Pt3q)、下古生界奧陶系祁曼塔格群變火山巖組(Oqb)和第四系(Q)［4］，地層巖性見表 1。

表1 地層巖性

1．2 構(gòu)造特征

區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，褶皺變形強(qiáng)烈，按斷裂走向可劃分為NWW向、NW向、NNW向以及SN向、NE向和近 EW 向等6組［5］。其中，NWW －EW向斷裂，具有切割深、延伸長(zhǎng)、長(zhǎng)期活動(dòng)的深斷裂特征，控制了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化及地層、巖漿巖、礦產(chǎn)的形成和分布，是構(gòu)造單元的分界。主要有昆北斷裂帶、昆中斷裂帶和昆南斷裂帶［3，6］，見圖 1。

圖1 東昆侖斷裂帶及構(gòu)造分區(qū)略圖

1．3 巖漿活動(dòng)

礦區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，巖漿巖廣布，以晚元古代、古生代的中酸性侵入巖為主。礦區(qū)發(fā)育外灘超基性—中性巖漿巖，呈巖株和巖枝(脈)兩種產(chǎn)態(tài)，為本區(qū)金成礦提供了物質(zhì)及動(dòng)熱來源［7］。

2 礦區(qū)鉆進(jìn)難點(diǎn)

礦區(qū)地層受東昆侖斷裂構(gòu)造帶的影響，地層條件極其復(fù)雜，在鉆進(jìn)過程中存在的鉆進(jìn)難點(diǎn)主要有:

(1)孔壁巖石破碎，易掉塊，甚至產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，孔壁不穩(wěn)定;

(2)地層中含有斷層泥，易造成孔壁縮徑，憋泵現(xiàn)象嚴(yán)重;

(3)鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)，鉆頭糊鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，易造成燒鉆事故;

(4)由于地層破碎，回次進(jìn)尺少，常規(guī)取心難度大，巖心采取率低。

3 坑道鉆探施工工藝

3．1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

2010年，在五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段內(nèi)布設(shè)了SZZK8905鉆孔，由于礦區(qū)地層條件復(fù)雜，施工難度較大，該孔在外協(xié)單位施工過程中遭遇鉆偏、取心不足等問題并先后挪孔3次，皆以鉆孔報(bào)廢而終止。至2012年，五龍溝礦區(qū)進(jìn)入詳查階段，為達(dá)到地質(zhì)找礦目的，進(jìn)一步探明礦產(chǎn)儲(chǔ)量，重新啟動(dòng)該孔的鉆探施工任務(wù)，鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)如下:孔號(hào)SZZK8905、設(shè)計(jì)孔深650 m、鉆孔傾角88°、方位角206°43'。

3．2 鉆機(jī)選擇

在坑道中實(shí)施鉆探工作，由于坑道空間狹小，不易布設(shè)鉆孔，決定了坑道鉆探不能使用大型鉆探設(shè)備。另外，若機(jī)場(chǎng)面積太大，坑道四周的圍巖就需要特殊支護(hù)，并且考慮到鉆機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生不利影響，易帶來一系列安全隱患問題。五龍溝礦區(qū)3320平硐89線橫截面尺寸為:高1.8 m×寬2.0 m，開辟出的鉆機(jī)機(jī)場(chǎng)空間大小為:高6.7 m×寬6.0 m×長(zhǎng)6.0 m(見圖2)。

圖2 機(jī)場(chǎng)斷面布置圖

綜合考慮坑道機(jī)場(chǎng)大小與鉆孔深度等因素，結(jié)合青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院鉆探設(shè)備尺寸大小及施工能力，最終選用寶長(zhǎng)年LM－75型坑道鉆機(jī)來完成此次鉆探任務(wù)。該鉆機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

表2 LM－75型鉆機(jī)性能參數(shù)

3．3 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于坑道內(nèi)地表巖石為完整基巖，無第四系覆蓋層，故SZZK8905鉆孔全孔段采用繩索取心工藝鉆進(jìn)，采用三開式孔身結(jié)構(gòu):

(1)開孔使用HQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)9 m后，下入HQ系列孔口管;

(2)換用NQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)，直至達(dá)到鉆機(jī)的最大實(shí)際鉆深能力;

(3)最后使用BQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

若使用NQ鉆進(jìn)可以達(dá)到終孔設(shè)計(jì)目的，則盡量不用BQ鉆進(jìn)，因?yàn)锽Q系列鉆桿與內(nèi)管總成之間的環(huán)狀間隙較小，回次取心后內(nèi)管投放速度慢，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)［8－9］。若鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，則內(nèi)管在投放跟提拉的過程中更易受阻，往往造成內(nèi)管投放不到位打單管、副卷揚(yáng)鋼絲繩被拉斷等現(xiàn)象。

實(shí)踐表明，LM－75型鉆機(jī)使用NQ系列鉆具鉆進(jìn)至535.20 m時(shí)，在鉆桿柱的自重作用下，卡瓦已經(jīng)不能對(duì)鉆桿形成有效夾持力(高原環(huán)境下，鉆機(jī)損耗部分動(dòng)力)，不得已情況下只能換用BQ系列鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，并將NQ系列鉆桿作為套管使用。在鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深650.0 m后，由于未達(dá)到預(yù)期找礦目的，繼續(xù)鉆進(jìn)至700.20 m終孔。SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)示意

3．4 破碎帶取心技術(shù)

SZZK8905孔全孔段使用Q系列金剛石繩索取心技術(shù)的方法，在鉆進(jìn)過程中鉆遇破碎帶地層時(shí)易產(chǎn)生憋泵、回次進(jìn)尺少、巖心采取率低、鉆進(jìn)效率低等問題，無法發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)越性。

因此，在施工中優(yōu)先考慮了針對(duì)破碎地層使用的繩索取心液動(dòng)沖擊器，以期解決巖心采取率低及鉆進(jìn)效率低等問題?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，繩索取心液動(dòng)沖擊器對(duì)沖洗液的固相含量及顆粒大小要求較高，當(dāng)固相含量＞2%或固相顆粒＞74 μm時(shí)，沖擊器易受卡導(dǎo)致不工作。在金剛石小口徑鉆探中常采用自然沉淀法去除巖粉，此方法無法及時(shí)有效地除去鉆井液體系中的大顆粒等無用固相，不能滿足液動(dòng)沖擊器實(shí)際工作的需要，最終未采用液動(dòng)沖擊器。

分析發(fā)現(xiàn)，破碎地層鉆進(jìn)回次進(jìn)尺少、憋泵、巖心采取率低等問題與鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量)有很大關(guān)系。鉆壓過大，在鉆頭壓入地層的同時(shí)，產(chǎn)生的巖石碎屑易堵入卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階之間的間隙，從而造成憋泵、回次進(jìn)尺少。泵量太大，加大對(duì)破碎巖心的沖刷作用，降低了巖心采取率。

為了提高巖心采取率、提高鉆探效率，減少?zèng)_洗液對(duì)破碎巖心的直接沖刷，通過改變鉆頭的水路結(jié)構(gòu)來達(dá)到預(yù)期目的，特委托廠家加工了底噴式繩索取心鉆頭(見圖4)。

圖4 底噴式鉆頭

鉆頭特點(diǎn):鉆進(jìn)時(shí)將內(nèi)管卡簧座(卡簧座不帶水口)與鉆頭內(nèi)臺(tái)階的距離縮短甚至頂死，鉆井液從卡簧座與鉆頭內(nèi)壁之間的10個(gè)水眼直接流入孔底，減少了對(duì)巖心的直接沖蝕，同時(shí)也解決了憋泵問題(見圖5)。

圖5 底噴式鉆頭剖面

實(shí)踐表明，底噴式鉆頭結(jié)合相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)(破碎地層鉆進(jìn)、NQ繩索取心段):鉆壓5～8 kN、轉(zhuǎn)速500～700 r/min、泵量30～50 L/min，有效地解決了破碎帶鉆進(jìn)效率低與巖心采取率低的問題。需注意的是在鉆進(jìn)過程中不進(jìn)尺的情況下應(yīng)立即撈取巖心，防止巖心被磨損。鉆進(jìn)工藝改變前后破碎地層的取心效果對(duì)比見表3。

表3 工藝改變前后破碎地層取心比較(NQ繩索取心段)

3．5 鉆井液體系研究

3．5．1 無固相防塌鉆井液

SZZK8905鉆孔先后經(jīng)過3次施工均報(bào)廢，施工隊(duì)伍主要采用單一的無固相聚丙烯酰胺鉆井液，鉆井液性能及鉆進(jìn)效果很不理想。鑒于前期施工中遇到的地層情況及鉆進(jìn)難點(diǎn)，兼顧金剛石繩索取心鉆進(jìn)特點(diǎn)，在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本次施工采用無固相防塌鉆井液體系。

鉆井液配方:1 m3水+0.05%聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%高粘羧鉀基纖維素鈉(HV－CMC)+2%植物膠+1%無熒光潤(rùn)滑防塌劑+0.1%燒堿。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該配方鉆井液性能參數(shù)如下:漏斗粘度23.4 s，表觀粘度9.5 mPa·s，塑性粘度7.5 mPa·s，動(dòng)切力2 Pa，動(dòng)塑比0.27，失水量11.6 mL/30 min，密度1.015 g/cm3，pH 值10.5。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該配方鉆井液具有較好的流變性能，并且對(duì)破碎地層起到一定的防塌效果，同時(shí)對(duì)弱水敏地層具有一定的抑制作用，能保證金剛石繩索取心鉆進(jìn)充分發(fā)揮其優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。在0～613.20 m孔段鉆進(jìn)中，順利穿過了遇到的復(fù)雜地層。

3．5．2 低固相鉀基鉆井液

SZZK8905孔在613.20 m后鉆遇灰黑色斷層泥(見圖6)，最厚處達(dá)25.20 m，之后斷層泥與灰白色糜棱巖化斜長(zhǎng)花崗巖交替出現(xiàn)，鉆進(jìn)過程中憋泵、縮徑現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴有坍塌現(xiàn)象，成為613.20～700.20 m孔段最大的技術(shù)難題，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。

因此，根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整了鉆井液配方，采用低固相鉀基鉆井液體系。要求鉆井液具有低濾失量、低滲透性、抑制性好、防塌效果好等性能，同時(shí)又要滿足BQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)要求的固相含量低、避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)研究分析，確定了低固相鉀基鉆井液配方:1 m3水+3%鈉基膨潤(rùn)土+2%KCl+1%磺化瀝青+0.5%高粘羧甲基纖維素鈉(HV－CMC)+0.02%聚陰離子纖維素(PAC－141)+0.1%燒堿。

圖6 灰黑色斷層泥

測(cè)試了該鉆井液性能如下:漏斗粘度32.39 s，表觀粘度17.5mPa·s，塑性粘度14 mPa·s，動(dòng)切力3.5 Pa，動(dòng)塑比 0.25，失水量 8.75 mL/30 min，密度1.03 g/cm3，pH 值 9.5。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該配方鉆井液成功抑制了孔壁斷層泥水化膨脹、縮徑、坍塌問題，有效避免了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象，在613.20～700.20 m孔段的斷層泥地層中，巖心采取率達(dá)85%以上。

4 結(jié)語

(1)五龍溝礦區(qū)坑道SZZK8905鉆孔施工難度大，前3次均以失敗告終，第4次施工克服了一系列技術(shù)難題鉆進(jìn)至700.20 m終孔，創(chuàng)下了青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院坑道鉆探最深紀(jì)錄，為五龍溝礦區(qū)地質(zhì)找礦提供了寶貴的原始資料。

(2)該孔在作業(yè)空間狹小的情況下，采用寶長(zhǎng)年LM－75型坑道鉆機(jī)、底噴式鉆頭、全孔段Q系列繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，平均巖心采取率＞98%，實(shí)測(cè)鉆孔頂角與設(shè)計(jì)值之差4.2°，被評(píng)定為優(yōu)質(zhì)鉆孔。

(3)針對(duì)不同地層巖性特點(diǎn)，分別采用無固相防塌鉆井液、低固相鉀基鉆井液體系，有效解決了鉆進(jìn)過程中憋泵、孔壁縮徑、坍塌、巖心采取率低等問題。

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