小秦嶺金礦田2000 m深孔鉆探技術(shù)

曾石友, 楊寬才, 蔡記華, 孔二偉

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001； 2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

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小秦嶺金礦田2000 m深孔鉆探技術(shù)

曾石友1, 楊寬才1, 蔡記華2, 孔二偉1

(1.河南省地礦局第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州 450001； 2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北武漢 430074)

本文以小秦嶺金礦田深部探礦項目ZK8302為背景，從鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆探設(shè)備(鉆機、泥漿泵、鉆具組合及鉆頭等)優(yōu)選、深孔鉆進規(guī)程參數(shù)、沖洗液和新技術(shù)新機具等方面對鉆探技術(shù)進行了介紹。該鉆孔積極探索了繩索取心液動潛孔錘技術(shù)，同時采用繩索取心鉆桿液壓鉗、塔上塔下視頻監(jiān)控和多個起鉆接頭等新技術(shù)，大大降低工人的勞動強度，提高了鉆探效率。該鉆孔實現(xiàn)了河南省小口徑巖心鉆探金礦勘查孔深2000 m的突破，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

小秦嶺金礦田 深部鉆探 繩索取心液動潛孔錘 視頻監(jiān)控 液壓鉗

Zeng Shi-you, Yang Kuan-cai, Cai Ji-hua, Kong Er-wei.Drilling technologies at the 2000m-deep hole in the Xiaoqinling gold field [J].Geology and Exploration, 2015, 51(1):0175-0180.

1 前言

深部鉆探可以為巖石學研究提供來自地球深部的巖石樣品(張曉西等，2013)，以滿足地學研究或礦業(yè)公司可持續(xù)發(fā)展的需求。近幾年國內(nèi)深孔數(shù)量不斷增加，巖心鉆探深度記錄也在不斷被打破(胡郁樂等，2014)。云南騰沖火山地熱構(gòu)造帶科學鉆探孔(吳燁等，2013)、汶川地震斷裂帶科學鉆探WFSD-3孔(朱恒銀等，2012)、西藏羅布莎科學鉆探孔(陳師遜等，2012)、贛州科學鉆探NLSD-1孔(朱恒銀等, 2014)和山東萊州“中國巖金第一鉆”ZK96-5(陳師遜，2013；孫建華等，2013)的終孔深度分別為1222.24 m、1502.3 m、1883.79 m、2967.83 m和4006.17 m。

小秦嶺金礦田是我國主要的產(chǎn)金地區(qū)，橫跨豫陜兩省，東部位于河南省靈寶市境內(nèi)。大地構(gòu)造位置屬華北地臺西南緣的華山臺穹。石英脈型金礦是小秦嶺地區(qū)最主要的金礦類型，共有1000余條含金石英脈，礦床嚴格受構(gòu)造控制，具有厚度小、品位高，易采、易選、易冶等特點，是我國三大原生成礦帶之一，金儲量和產(chǎn)量僅次于膠東，占第二位(張進江等，2003)。國務(wù)院辦公廳頒布的《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要》(國辦發(fā)[2011]57號)中明確提出了“在膠東、小秦嶺等金資源富集區(qū)加強深部找礦”的要求，為小秦嶺深部找礦提供了政策指引和有利保障。小秦嶺金礦田深部探礦項目是河南地礦局整合勘查重點項目，該項目設(shè)計鉆探工作量約25000 m，平均設(shè)計孔深超1000m。ZK8302設(shè)計孔深1750m，設(shè)計傾角90°。該孔于2012年3月28日開鉆，于2012年10月3日終孔(期間由于設(shè)備調(diào)試及干旱缺水耽誤46天)，終孔深度為2018.86 m，終孔口徑77 mm，創(chuàng)造了河南省小口徑巖心鉆探金礦勘查新紀錄。

2 地質(zhì)概況

小秦嶺地區(qū)經(jīng)歷了長期的構(gòu)造變形變質(zhì)作用，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，晚期沿韌性剪切帶活動的壓扭性斷裂內(nèi)有含金石英脈充填，并有熱液交代構(gòu)造巖或圍巖成蝕變巖型金礦石。0～1.80 m為第四系浮土層及風化破碎層；1.80～2018.86 m地層巖性主要有：角閃斜長片麻巖、混合片麻巖、綠簾石化黑云角閃斜長片麻巖、蛭石層、黑云角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、角礫及條帶混合巖、石英巖，其中386.5～468.6 m孔段有3層蛭石，易出現(xiàn)坍塌、掉塊、膨脹等孔內(nèi)復(fù)雜情況。

3 鉆探設(shè)備

在國內(nèi)，山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院設(shè)計出塔式復(fù)合鉆桿和同徑復(fù)合鉆桿，在山東萊州三山島礦區(qū)4000 m 深孔中，取得了良好的應(yīng)用效果(陳師遜等，2014)。結(jié)合ZK8302的實際情況，本次選擇的鉆進設(shè)備和機具為：張家口探礦機械廠生產(chǎn)的XY-6B型巖心鉆機(鉆機能力為1500～2000 m，Ф75 mm口徑)、SGZ-23型鉆塔、衡陽探礦機械廠生產(chǎn)的BW-250型泥漿泵、蘇州市蘇新探礦工具廠有限公司生產(chǎn)的SJ96mm、SJ75mm繩索取心鉆具及中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的SYZX96mm、SYZX75mm液動潛孔錘繩索取心鉆具及總成(孫建華等，2011)。另配BW300/16型泥漿泵、自制0.5 m3泥漿攪拌機。

在施工前期(554 m以淺)選用HXY-6鉆機，由于設(shè)備老化等原因，后改為XY-6B鉆機，工期主體使用XY-6B鉆進；孔深超過1650 m后因泵壓過高(超過9.2 MPa，導致BW250型泥漿泵曲軸連續(xù)斷3次)，后改用BW300/16型泥漿泵。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求、地層特點、鉆孔深度、終孔直徑、鉆進方法、沖洗液、護壁堵漏措施和設(shè)備能力等因素情況，確定該孔的鉆孔結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 ZK8302鉆孔結(jié)構(gòu)

5 鉆進技術(shù)

5.1 鉆進工藝及管材選擇

根據(jù)地質(zhì)情況和設(shè)備工藝等條件，ZK8302孔選擇SYZX液動潛孔錘繩索取心及SJ系列繩索取心鉆進工藝(朱金鳳等，2008；蔣光旭等，2010；盧予北等，2012；盧予北，2014)。SYZX96液動潛孔錘繩索取心使用范圍是7.5～882.09 m；SYZX75液動潛孔錘繩索取心使用深度范圍為974.66～984.13 m、1105.39～1640.37 m和1779.07～1818.89 m。繩索取心鉆桿選用蘇新探礦工具廠生產(chǎn)的SJ系列鉆桿，材質(zhì)為XJY850(艾春娟，2005)。

5.2 鉆進工藝

開孔采用Ф130 mm金剛石單管鉆進，鉆至15.16 m處遇較完整巖石，因孔內(nèi)漏水嚴重且上部坍塌，下入第一層Ф127套管護壁；后采用Ф110 mm金剛石單管鉆進至19.16 m處遇完整巖石，下入第二層Ф108套管；再換SYZX96液動潛孔錘繩索取心鉆進至882.09 m。這一孔段地層較完整，但沖洗液全部漏失，采用頂漏方法鉆進。為了提高鉆進效率，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員對巖心的分析，決定換用SYZX75mm繩索取心鉆進，選用塔式鉆柱結(jié)構(gòu)(主動鉆桿+SJ89繩索取心鉆桿+SJ71繩索取心鉆桿+ SJ75鉆具)，鉆進至1327.68 m時考慮到鉆柱重量問題，將塔式鉆柱結(jié)構(gòu)更換為同徑式(主動鉆桿+SJ71繩索取心鉆桿+ SJ75鉆具)?？咨?818.89 m時因泵壓過高(超過9.2 MPa)，導致液動潛孔錘鉆具的沖擊閥連續(xù)變形不能正常工作，換普通SJ75繩索取心鉆具鉆進至2018.86 m。

5.3 鉆進規(guī)程參數(shù)

金剛石鉆進參數(shù)的選擇應(yīng)主要考慮設(shè)備機具能力和實際需要。在設(shè)備性能允許的情況下，盡量采用高參數(shù)。實際施工中采用的鉆進參數(shù)見表2。

表2 ZK8302各孔段鉆進規(guī)程參數(shù)

5.4 沖洗液

在山東萊州地區(qū)蝕變巖型金礦鉆探中，套管和部分水解聚丙烯酰胺無固相沖洗液組合護壁技術(shù)取得了較好的應(yīng)用效果(孫丙倫等，2008)。根據(jù)ZK8302的地質(zhì)資料，我們預(yù)先優(yōu)選出了18種鉆井液配方，以滿足可能鉆遇不同地層時的需求，然后根據(jù)實際施工地層靈活選用和調(diào)整。

ZK8302鉆孔鉆進過程中，因開孔地層較為完整，從經(jīng)濟成本和使用方便方面來考慮沖洗液的類型，嘗試使用無固相鉆井液體系，即“清水+聚丙烯酰胺+06型熒光高效潤滑劑”。聚丙烯酰胺起攜帶巖屑，防止巖屑淤積于孔底導致重復(fù)碎巖；潤滑劑主要成份為軟脂酸、硬脂酸等脂肪酸鹽類陰離子表面活性劑，潤滑效果良好，按水:潤滑劑=1000∶12的比例混合，通過攪拌罐加入水和潤滑劑，直至攪拌均勻，送入循環(huán)池。

無固相鉆井液的使用，有利于繩索取心液動潛孔錘的工作和繩索取心工藝優(yōu)勢的發(fā)揮，并保證了孔底鉆具的壽命。

5.5 金剛石鉆頭和擴孔器

ZK8302采用SJ96mm、SJ75mm和SYZX75mm繩索取心金剛石鉆頭和擴孔器。為提高鉆進效率，我們適當加大了選用鉆頭和擴孔器的外徑，增大環(huán)狀間隙，以減少循環(huán)阻力；同時選擇適合本礦區(qū)地層的鉆頭參數(shù)，取得了很好的效果。

SJ96mm繩索取心鉆具選用的金剛石鉆頭外徑96mm，擴孔器外徑97mm。鉆頭參數(shù)：金剛石品級JR6，粒度46～80目，濃度100%；胎體硬度HRC35～40，水口10個，唇面為梯齒式；SJ75mm和SYZX75mm繩索取心鉆具選用的金剛石鉆頭外徑77 mm，擴孔器外徑78 mm。鉆頭參數(shù)：金剛石品級JR6，粒度46～80目，濃度100%；胎體硬度HRC30～40，水口10個，唇面為同心圓尖齒形(譚剛，2010)。

該孔累計使用金剛石鉆頭34個(Ф130 mm鉆頭1個，Ф110 mm鉆頭1個，Ф96 mm鉆頭15個，Ф77 mm鉆頭17個)，Ф96 mm鉆頭平均壽命58.47 m，最長壽命120.49 m；Ф77 mm鉆頭平均壽命64.90 m，最長壽命138.7 m。孔深1400 m后鉆頭壽命和時效對應(yīng)關(guān)系見圖1。

圖1 鉆頭壽命和鉆速與孔深對應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 Drill bits’ life and drilling speed versus borehole depth

5.6 提高鉆進效率的技術(shù)措施

(1) 孔底磨鉆頭。選用直徑10 mm左右的石英砂20～25粒投入孔內(nèi)，轉(zhuǎn)速為95～249 r/min，鉆壓比正常鉆進略大，時間在30 s左右，然后不停車把鉆具提離孔底，如此反復(fù)4～5次即可。通過“磨?！睂︺@頭胎體的磨損，可以提高和加快金剛石出刃率，從而提高鉆頭切削孔底巖石的能力，提高鉆進效率。

(2) 合理選擇金剛石鉆頭，提高鉆進時效。根據(jù)施工礦區(qū)巖石物理力學性質(zhì)，開展高胎體長壽命金剛石鉆頭的試驗，在提高鉆頭壽命方面取得明顯效果，鉆頭最長壽命超過138 m，平均鉆頭壽命達63 m。

(3) SYZX系列液動潛孔錘繩索取心技術(shù)應(yīng)用。在孔深7.5～882.09 m、974.66～984.13 m、1105.39～1640.37 m和1779.07～1818.89 m的孔段，使用SYZX系列液動潛孔錘繩索取心技術(shù)。將SYZX系列液動潛孔錘繩索取心鉆具略作改動，與SJ系列繩取鉆桿相匹配。使用SYZX系列液動潛孔錘繩索取心鉆進技術(shù)，施工效率明顯提高。根據(jù)現(xiàn)場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析：不使用液動潛孔錘時，各鉆頭的平均時效為1.30～1.35 m/h之間；使用液動潛孔錘時，各鉆頭的平均時效為1.50～1.55 m/h之間(見圖2)，其中1779.07～1818.89 m孔段鉆頭的平均時效為2.26 m/h，個別回次達到4.48 m/h(圖3)，平均提高時效15%～20%。

圖2 孔深-鉆頭平均鉆速對應(yīng)柱狀圖Fig.2 Histogram of average drilling speed vs borehole depth

圖3 孔深-鉆頭平均鉆速對比圖 (1779.07 m～1818.89 m孔段)Fig.3 Comparison of average drilling speed and borehole depth (section 1779.07～1818.89 m)

(4) 新技術(shù)與新機具的應(yīng)用。ZK8302全程采用SQ114/8型繩索取心鉆桿液壓鉗，不僅能降低工人的勞動強度，還能改善鉆桿接頭部分的受力情況，對鉆桿保護作用增加，有效提高鉆桿的使用壽命。與人工擰卸鉆桿相比效率能提高30%以上。

在國內(nèi)，智能化多功能鉆參儀系統(tǒng)已在山東萊州、甘肅金川、云南騰沖和安徽銅陵等多處科學鉆探現(xiàn)場得到了成功的應(yīng)用(羅光強等，2014)，這也是科學(深部)鉆探發(fā)展的趨勢之一。為此，我們在ZK8302鉆孔安裝了BS-863A型閉路監(jiān)控攝像機，其夜視有效距離達25～35 m，其優(yōu)良的防水設(shè)計，適用于礦區(qū)及較潮濕的環(huán)境；使用該監(jiān)視設(shè)備，可實時監(jiān)控泥漿池、蓄水池的水量、鉆進機場以及塔上的情況，該系統(tǒng)還配備存儲裝置，以便在后期對鉆進過程進行分析。塔上塔下視頻可視化操作及專用起鉆接頭的引進應(yīng)用，降低工人的勞動強度和保證起下鉆的安全，起下鉆效率能提高25%以上(圖4給出該鉆孔的計劃月進尺與實際月進尺對比情況)。

圖4 ZK8302月進尺對比圖Fig.4 Comparison of monthly footage of the borehole ZK8302

(5) 嚴格控制鉆進規(guī)程參數(shù)。繩索取心金剛石鉆進時鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙小，沖洗液循環(huán)阻力大、泵壓高，起上下鉆容易使孔內(nèi)產(chǎn)生“激動”和抽吸作用，引起孔壁造失穩(wěn)，造成孔內(nèi)事故。因此，嚴格遵守鉆探操作規(guī)程，也是提高鉆探效率的重要措施之一。

6 鉆孔質(zhì)量

ZK8302終孔孔深2018.86 m，巖礦心采取率97.23%，礦心采取率98.94%，鉆月效率244.7 m/鉆月，臺月效率423.51 m/臺月，平均小時效率1.37 m/h。巖礦心采取率97.23%，滿足地質(zhì)要求。

圖5 ZK8302三維軌跡圖Fig.5 3D borehole trajectory of the borehole ZK8302

采用STL-1GW無線存儲式數(shù)字陀螺測斜儀，按《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》及地質(zhì)設(shè)計要求進行孔斜測量。終孔測量數(shù)據(jù)為測深2015m，頂角3.6°，方位角87°。鉆孔彎曲度符合地質(zhì)設(shè)計及規(guī)程要求。根據(jù)ZK8302的頂角和方位角測試數(shù)據(jù)繪制的鉆孔三維軌跡圖(見圖5所示)。其他質(zhì)量指標均符合要求。ZK8302孔經(jīng)綜合驗收為一級孔。

7 結(jié)論

(1) ZK8302實現(xiàn)了河南省小口徑巖心鉆探金礦勘查2000m的首次突破，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益；

(2) 積極探索“液動潛孔錘+繩索取心”二合一工藝技術(shù)，保證了鉆孔質(zhì)量，同時試驗了深孔鉆進中液動潛孔錘的工作狀態(tài)，積累了豐富的施工經(jīng)驗；

(3) 積極引進應(yīng)用新技術(shù)與新機具。在ZK8302鉆孔施工過程中采用塔上塔下視頻可視化操作、多個起鉆接頭和繩索取心鉆桿液壓鉗等新技術(shù)，不僅降低工人的勞動強度，提高了鉆桿壽命，還大大提高了鉆探效率。

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Drilling Technologies at the 2000 m-Deep Hole in the Xiaoqinling Gold Field

ZENG Shi-you1, YANG Guan-cai1, CAI Ji-hua2, KONG Er-wei1

(1FourthGeologicalExplorationInstituteofHenan,Zhengzhou,Henan450001; 2SchoolofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074)

Based on the deep drilling project in the Xiaoqinling gold field, this paper introduced the drilling technologies of the deep hole ZK8302 (over than 2000 m) covering borehole structure, drilling equipment (including drilling rig, mud pump, downhole assembly and drilling bits), drilling parameters of the deep hole, drilling mud and other new techniques and drilling tools. At this deep hole, the project explored the new technologies including the hydraulic DTH hammer plus wire line coring, hydraulic clamp for wireline coring, and the video supervisory control system covering the whole of the derrick and drilling joints. These technologies reduced the labor intensity and improved the drilling efficiency to a great extent. Furthermore, for the first time, the depth of small diameter core drilling exceeded 2000 m in the gold fields of Henan Province. As a whole, this project achieved great economic and social benefits.

Xiaoqinling gold field, deep drilling, hydraulic DTH hammer plus wire line coring, video supervisory control, hydraulic clamp

2014-07-17；

2014-11-24；[責任編輯]郝情情。

國家自然科學基金項目(編號：41072111)、中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費項目(編號：CUG120112、CUG130612)。

曾石友(1973年- )，男，1994年畢業(yè)于昆明地質(zhì)學校，高級工程師，從事巖心鉆探、水文水井鉆探等技術(shù)與管理工作。E-mail: 13839881018@163.com。

TE24

A

0495-5331(2015)01-0175-06