河南省舞鋼市王樓鐵礦詳查鉆探施工技術(shù)

祁新堂，馮軍山，李耀輝，代楊威，張傳暉

(1．河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州450016;2．河南省地質(zhì)高級(jí)技工學(xué)校，河南鄭州450015)

1 工程概況

河南省舞鋼市王樓鐵礦區(qū)位于舞鋼市東北部，隸屬于舞鋼市棗林鎮(zhèn)管轄。平頂山—駐馬店公路從礦區(qū)西部通過(guò)，向北西65 km可達(dá)平頂山市，向東北60 km可達(dá)漯河市，向西9 km可達(dá)焦作—桐柏高速公路，與全省高速公路網(wǎng)連成一片。詳查區(qū)臨近鐵路，鐵路直達(dá)平頂山市和漯河市，交通頗為方便。面積為3.82 km2，設(shè)計(jì)孔深550～700 m，鉆探工作量5000 m。

礦區(qū)為平原地區(qū)，相對(duì)高差10 m。區(qū)域地處伏牛山余脈向黃淮平原過(guò)度交接地帶，屬大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫14.9℃，年平均降雨量939.3 mm，地形切割較輕，海拔高度一般100～200 m。

2 區(qū)域地質(zhì)及礦區(qū)地層簡(jiǎn)況

2．1 區(qū)域地質(zhì)概況

本區(qū)位于華北板塊南部邊緣，馬超營(yíng)—拐河—確山斷裂的北側(cè)，魯山背孜—西平出山蓋層背斜的東端，魯山—舞陽(yáng)—上蔡鐵礦成礦帶上，是太華群最東部出露區(qū)，隸屬豫西—豫東南分區(qū)。在新太古代先后發(fā)生了規(guī)模較大的超基性火山及基性火山活動(dòng)，并形成2個(gè)主要鐵礦層位，即“趙案莊組鐵礦”和“鐵山廟組鐵礦”。在趙案莊組形成之后，地殼發(fā)生不均勻升降，該組經(jīng)歷風(fēng)化剝蝕作用，同時(shí)沉積楊樹灣組，并形成分布不均一，規(guī)模較小的“楊樹灣組鐵礦”。

2．2 礦區(qū)地層簡(jiǎn)況

區(qū)域內(nèi)出露地層有太古界太華群，中元古界熊耳群、汝陽(yáng)群，上元古界洛峪群，震旦系和古生界寒武系，新生界下第三系、第四系。與之對(duì)應(yīng)的巖層主要有灰白色石英砂巖與硅質(zhì)礫石互層;灰白色石英砂巖與紫紅色石英砂巖互層;冰磧泥砂質(zhì)礫巖、泥鈣質(zhì)礫巖、含礫砂巖夾砂巖、頁(yè)巖及紋泥質(zhì)白云巖組合層;石英砂巖、白云巖、角礫巖、灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖組合層;礫石及砂粘土互層。

區(qū)域內(nèi)巖漿巖分為早侏羅世尚洞獨(dú)立單元、背陰溝獨(dú)立單元，早白堊世祖師頂序列、角子山序列、張士英序列，晚白堊世吳溝獨(dú)立單元。

2．3 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域位于華北陸塊南緣，地層多被第四系覆蓋，出露地層多為中元界、新元古界、古生界地層，其走向以東西向?yàn)橹?，巖層傾角平緩，一般20°～30°之間，構(gòu)造變形較為簡(jiǎn)單，主要為淺表層次脆性斷裂。斷裂呈網(wǎng)格狀分布，斷層產(chǎn)狀大部分較陡，傾角一般大于60°。區(qū)域內(nèi)的斷裂構(gòu)造總體可分為北西南、近南北向和北東向三組。

3 主要鉆探設(shè)備及器具

根據(jù)孔深、地層及現(xiàn)場(chǎng)情況，采用XY－44型鉆機(jī)，BW250型泥漿泵，SGZ－23型四角加重鉆塔，JSJ－1000型繩索取心絞車，動(dòng)力裝置為75 kW電動(dòng)機(jī)等。

為適應(yīng)中深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)，選用強(qiáng)度高、抗扭能力強(qiáng)的唐山市金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的加厚接頭鐓粗的繩索取心鉆桿、S75鉆具及鉆頭，并配置泥漿攪拌機(jī)等。

4 鉆探施工中存在的主要問(wèn)題

(1)易發(fā)生孔壁坍塌、沖洗液漏失、縮徑、套管提不上來(lái)。

第四系覆蓋層厚度大，130 m左右。主要為礫石層及砂粘土互層、亞砂土、亞粘土、黃土等。底部存在一層冰磧物泥礫石層。鉆進(jìn)過(guò)程中，在礫石層中易發(fā)生坍塌及漏失，在砂土中易發(fā)生坍塌，在粘土中易發(fā)生縮徑套管提不上來(lái)等事故。

(2)中深部易發(fā)生孔壁坍塌，提大鉆后無(wú)法下鉆至原孔深。

中深部片麻巖、混合巖嚴(yán)重風(fēng)化易坍塌，鉆遇該層位起大鉆換鉆頭再下鉆鉆進(jìn)時(shí)下不到原孔深位置。

(3)易發(fā)生鉆孔偏斜。

地層軟硬互層，礦化層較厚且膠結(jié)較弱，沖洗液質(zhì)量或沖洗液量控制不好等都會(huì)造成鉆孔偏斜。

(4)易發(fā)生卡鉆、埋鉆及取心困難。

在蝕變帶、構(gòu)造破碎帶鉆進(jìn)，巖石軟硬不均，結(jié)構(gòu)松散，孔壁坍塌掉塊，易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故等，巖心采取困難。

5 主要鉆探技術(shù)措施及工藝

5．1 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)方面提供的地層巖石情況，為快速穿過(guò)第四系覆蓋層等復(fù)雜孔段，在終孔直徑≮75 mm的情況下，為提高成孔保險(xiǎn)系數(shù)，避免一旦發(fā)生孔內(nèi)事故無(wú)法挽救，在借鑒以往鉆探經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，鉆孔結(jié)構(gòu)采用三級(jí)口徑級(jí)配，具體鉆孔結(jié)構(gòu)如下:

5．2 預(yù)防鉆孔偏斜、坍塌等，保證成孔質(zhì)量的技術(shù)措施

根據(jù)實(shí)際地層情況，全面分析造成鉆孔偏斜、坍塌等現(xiàn)象的原因，找出解決問(wèn)題的切實(shí)有效的方法，加快施工進(jìn)度，保證工程順利完工。

5．2．1 施工工藝及鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)及實(shí)際地層情況，采用二級(jí)套管三級(jí)成孔工藝，并針對(duì)不同的孔徑和地層，采取與之相適應(yīng)的技術(shù)措施。

(2)130～200 m孔段鉆進(jìn)。采用普通金剛石鉆進(jìn)工藝，用114 mm普通金剛石鉆頭與108 mm單管鉆具相配套，采用中泵壓、中泵量、中等轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。在巖層由軟變硬時(shí)，壓力要適當(dāng)減小為正常鉆壓的2/3，轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低;當(dāng)巖層由軟變硬時(shí)，也要適當(dāng)減壓至正常鉆壓的1/3。鉆進(jìn)破碎帶、蝕變帶等松散巖層時(shí)，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)泥漿并控制好泵量泵壓，以保護(hù)孔壁。

(3)200 m以深孔段鉆進(jìn)。采用繩索取心金剛石鉆進(jìn)工藝。78 mm(外徑加大)金剛石鉆頭，75 mm接頭鐓粗繩索取心鉆桿。高轉(zhuǎn)速、中高鉆壓、中高泵量鉆進(jìn)。鉆遇片麻巖、混合巖等嚴(yán)重風(fēng)化地層時(shí)，調(diào)整好泥漿性能及轉(zhuǎn)速、鉆壓和泵量，以防偏斜、孔壁坍塌。

5．2．2 選擇與地層相匹配的金剛石鉆頭

根據(jù)地層情況，選擇相應(yīng)直徑和胎體硬度的金剛石鉆頭，以提高金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)效率。

對(duì)于第四系覆蓋層，可鉆性級(jí)別較低，可用胎體硬度HRC40～50、粒度50目左右的金剛石鉆頭，提高單個(gè)鉆頭的鉆探進(jìn)尺。

對(duì)較硬的石英砂巖等，巖石的可鉆性級(jí)別較高，可用胎體硬度HRC25～35、粒度80目的金剛石鉆頭。胎體硬度適中，底部胎體容易出刃，提高鉆進(jìn)效率。

5．2．3 按照規(guī)程施工，減少孔內(nèi)事故

嚴(yán)格按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)施工，加強(qiáng)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的各種觀測(cè)，特別是孔斜的觀測(cè)。

(1)及時(shí)了解掌握鉆孔偏斜情況，以便及時(shí)采取防偏措施，保證鉆孔質(zhì)量。避免觀測(cè)不及時(shí)，鉆孔偏斜超出規(guī)定，即使采取偏斜器等措施可以糾正，但也造成人工、材料等重大損失。有時(shí)候采取措施也糾正不過(guò)來(lái)而造成廢孔，造成極大的損失。

(2)控制好起下鉆速度，盡量減小對(duì)孔壁的抽吸破壞。起鉆速度過(guò)快，抽吸力增大，易造成孔壁坍塌、掉塊等;下鉆速度過(guò)快，沖擊壓力大，也易引起掉塊、造成鉆頭碰撞損壞和孔壁破壞從而影響正常鉆進(jìn)。特別是中深孔鉆進(jìn)更要控制起下鉆速度，越平穩(wěn)越好，不能忽快忽慢。否則造成孔內(nèi)事故處理起來(lái)會(huì)更為麻煩。

(3)經(jīng)常檢查鉆桿、接頭、鉆具、絲扣、鉆頭、鋼絲繩的磨損情況，不滿足安全及質(zhì)量要求時(shí)及時(shí)更換。

(4)經(jīng)常檢查設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性，并加強(qiáng)維修保養(yǎng)，以免人為造成孔內(nèi)事故和機(jī)械及人身安全事故。

5．2．4 控制套管的下入深度和下入工藝

選用材質(zhì)、壁厚及加工質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)套管，并按規(guī)范要求固定好套管，保證在正常鉆進(jìn)過(guò)程中不擺動(dòng)、不脫扣、不斷裂。套管底部一定要坐落在完整較硬基巖上，保證在正常鉆進(jìn)過(guò)程中不下滑，從而避免造成孔內(nèi)事故。在套管下入時(shí)，一是要做好套管外表面的潤(rùn)滑工作(表面抹黃油、潤(rùn)滑油等措施)，以減小終孔后起套管時(shí)的阻力。二是要控制套管下入速度，緩慢均勻，以防套管碰撞孔壁造成孔壁破壞套管下不到位。三是保證套管中心與鉆孔中心一致，套管起吊平衡直立狀態(tài)下，吊鉤中心、套管中心、鉆孔中心在同一直線上。四是檢查套管絲扣是否完好，套管本身是否有損傷或壁厚不足，套管連接是否可靠，套管起吊時(shí)固定裝置及起吊裝置要完好可靠，確保套管下入過(guò)程中不脫扣、不滑脫。

本次鉆探施工，第四系覆蓋層較厚，且存在坍塌軟弱層段，對(duì)套管的摩阻力很大，終孔后套管不一定能提出來(lái)。為了減少損失，第一層套管采用普通薄壁焊接管，同時(shí)保證了第二層地質(zhì)套管能提出來(lái)。

5．3 針對(duì)不同地層，合理配置沖洗液

5．3．1 第四系覆蓋層

第四系覆蓋層既有礫石坍塌層，又具有粘土縮徑層且具有造漿功能。選用粘度大、失水量小、攜帶巖粉能力強(qiáng)、護(hù)壁性能好的沖洗液。具體配方:10%優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土+0.5%～0.8%高粘度羧甲基纖維素鈉+0.25%GSP廣譜護(hù)壁劑。

沖洗液性能:密度1.05～1.08 g/cm3，膠體率96%以上，漏斗粘度25～30 s，失水量10～15 mL/30 min，泥皮厚度 ＜1 mm。

5．3．2 破碎帶、蝕變帶地層

選用低固相護(hù)壁性能好的沖洗液。具體配方:8%優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土+3%多效天然植物膠SD－1+0.6%高粘度羧甲基纖維素鈉+0.3%GSP廣譜護(hù)壁劑量。

沖洗液性能:密度1.04～1.06 g/cm3，膠體率98%以上，漏斗粘度25～30 s，失水量10～15 mL/30 min，泥皮厚度 ＜1 mm。

5．3．3 風(fēng)化漏失地層

選用低固相、低密度、低失水、抗水敏優(yōu)質(zhì)沖洗液。具體配方:25～30 kg護(hù)壁劑+2～3 kg CMC+1～2 kg NaOH+100 kg優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土+1 kg潤(rùn)化劑。

沖洗液性能:密度1.03～1.05 g/cm3，膠體率96%以上，漏斗粘度25～30 s，失水量3～5 mL/30 min，泥皮厚度＜0.5 mm，含砂量＜0.5%，pH值9～10。

5．3．4 沖洗液的配置和維護(hù)

沖洗液材料一定要準(zhǔn)確計(jì)量，依順序加入，先無(wú)機(jī)處理劑后有機(jī)處理劑，先分子量小的再分子量大的。有機(jī)處理劑要先浸泡，需要用熱水的一定要用熱水浸泡，要保證足夠的浸泡時(shí)間，使處理劑浸泡充分，再用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢琛_洗液使用過(guò)程，要勤測(cè)量并認(rèn)真記錄，防止其他液體混入。及時(shí)檢測(cè)沖洗液性能，發(fā)現(xiàn)性能不符合要求時(shí)要及時(shí)調(diào)整，確保沖洗液性能穩(wěn)定。處理劑存放要得當(dāng)，防止雨淋、受潮及暴曬，以免處理劑性能發(fā)生變化，從而影響泥漿性能和鉆進(jìn)效果。

6 鉆孔實(shí)例

7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

在王樓鐵礦鉆探施工中，由于工藝合理，措施得當(dāng)，從2014年4月—6月，2臺(tái)鉆機(jī)用不到3個(gè)月的時(shí)間完成鉆孔9個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺5400多米。直接經(jīng)濟(jì)效益100多萬(wàn)元，并掌握了一套深厚覆蓋層的鉆進(jìn)技術(shù)。

8 結(jié)語(yǔ)

在河南省舞鋼市王樓鐵礦詳查鉆探施工中，選用合適的施工工藝，采取合理的技術(shù)措施，提高了鉆進(jìn)效率，降低了施工成本和孔內(nèi)事故的發(fā)生。通過(guò)本次小口徑鉆探施工，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，以期對(duì)今后的小口徑鉆探施工有所指導(dǎo)。

(1)任何鉆探施工，都要充分了解礦區(qū)地層、構(gòu)造等地質(zhì)資料，采取正確處理措施，避免和減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。

(2)優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)，合理確定套管、鉆頭等級(jí)配及套管的下入深度，可以提高鉆進(jìn)效率。

(3)根據(jù)不同地層情況，合理配置沖洗液和選擇鉆頭并經(jīng)常檢查，充分利用好、維護(hù)好沖洗液。

(4)不斷實(shí)踐，善于總結(jié)，認(rèn)真負(fù)責(zé)，經(jīng)常檢查，不打懶鉆，避免負(fù)責(zé)事故的發(fā)生。

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