新疆富蘊縣烏吐布拉克鐵礦ZK20-3鉆孔施工技術(shù)總結(jié)

董昌波，陳 磊

（新疆地礦局第七地質(zhì)大隊，新疆烏蘇833000）

新疆富蘊縣烏吐布拉克鐵礦ZK20-3鉆孔施工技術(shù)總結(jié)

董昌波*，陳 磊

（新疆地礦局第七地質(zhì)大隊，新疆烏蘇833000）

烏吐布拉克鐵礦處于阿爾泰山脈中部西南邊緣山前地帶，礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺產(chǎn)生的層間滑動為主，構(gòu)造裂隙以節(jié)理為主，局部形成破碎帶，深部完整程度高，施工難度大，盡量施工至設(shè)計孔深，隔離不穩(wěn)定地層，隔離易斜地層，隔離漏失地層，加強新設(shè)備、新技術(shù)、新方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，提高我隊深孔鉆探施工水平。

鉆孔漏失；易斜；防斜；控斜

1 工區(qū)與鉆孔簡介

烏吐布拉克鐵礦處于阿爾泰山脈中部西南邊緣山前地帶，為中低山地形，海拔1000～1400m，相對高差50～400m，切割深度50～100m，多發(fā)育“V”型谷，屬構(gòu)造剝蝕侵蝕型中、低山地貌，總的趨勢北高南低。本次工作的目的是通過鉆探手段加速富蘊縣烏吐布拉克一帶鐵礦的整體勘查。

ZK20-3鉆孔設(shè)計1350m，傾角77°。2013年由于處理事故和施工進度慢等原因施工至800m水泥封孔后停工，計劃來年繼續(xù)施工。2014年6月，經(jīng)過充分的設(shè)計準(zhǔn)備工作，克服鉆孔深、易斜、鉆井液漏失大等困難，順利的完成了鉆孔。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

烏吐布拉克鐵礦礦區(qū)出露巖體走向210°～230°，傾角75°～85°。礦區(qū)上部地層（0～700m）由淺粒巖和片麻巖構(gòu)成，為片理和層理結(jié)構(gòu)，取出片麻巖巖芯的中夾角為20°～35°。區(qū)內(nèi)大部分巖石均屬于堅硬巖石，包括淺粒巖、斜長角閃巖、角閃變粒巖和磁鐵礦體等。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺產(chǎn)生的層間滑動為主，構(gòu)造裂隙以節(jié)理為主，局部形成破碎帶，深部完整程度高；蝕變帶為石榴子石化和綠簾石化裂隙不發(fā)育，力學(xué)性質(zhì)強；強風(fēng)化帶薄，弱風(fēng)化帶發(fā)育較深，局部破碎。礦體及圍巖抗壓強度高，穩(wěn)定性好。礦區(qū)地層概況見表1，地層及巖芯見圖1。

表1 礦區(qū)地層概況一覽表

圖1 礦區(qū)地層及巖芯

3 鉆孔施工難點

烏吐布拉克鐵礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。對施工的影響主要有以下幾個方面：一是地層傾角大，互層多，促斜嚴(yán)重，控斜十分困難；二是礦區(qū)有多條大的斷裂帶，鉆孔施工過程中鉆井液大量漏失，甚至不返漿，因漏失部位較深，給鉆井液的維護和堵漏帶來了非常大的困難；三是堅硬巖組巖石堅硬，弱研磨性，鉆進效率低；四是鉆孔深，傾角大。增加了施工難度和勞動強度。

4 鉆孔施工技術(shù)總結(jié)

4.1 鉆探設(shè)備（表2）

表2 主要鉆探設(shè)備一覽表

4.2 鉆探工具

ZK20-3的鉆孔施工中，采用專門用于深孔施工的各類金剛石繩索取芯鉆桿、鉆具和鉆頭。?95mm和?75mm繩索取芯鉆具為無錫鉆探工具廠生產(chǎn)，?75mm繩索取芯鉆桿為唐山金石生產(chǎn)。主要鉆探工具見表3。

表3 主要鉆探工具一覽表

4.3 鉆孔ZK20-3施工技術(shù)

4.3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

ZK20-3鉆孔于2013年8月12日開孔，于11月25日施工至800m，因天氣原因暫停施工，水泥封孔。2014年4月5日開孔，至6月3日終孔，終孔口徑?78mm，終孔深度1261m。各口徑施工孔深見圖2。

圖2 鉆孔ZK20—3結(jié)構(gòu)示意圖

4.3.2 鉆探工藝方法

4.3.2.1 鉆進方法及鉆頭的選擇

（1）ZK20-3鉆孔采用4個級配的鉆孔口徑施工。該孔設(shè)計頂角77°，考慮到鉆孔易斜，鉆進阻力和護壁堵漏等方面因素，采用?130mm、?110mm、?95mm、?78mm 4個級配的鉆具進行施工。各個級配的鉆孔施工要求：盡量施工至設(shè)計孔深，隔離不穩(wěn)定地層，隔離易斜地層，隔離漏失地層。

（2）根據(jù)地層選擇不同的鉆頭，并做好統(tǒng)計工作。在ZK20-3鉆孔的施工中，上部地層巖石較軟，傾角大，鉆進中易斜；而下部角閃巖和磁鐵礦體地層巖石堅硬，致密，石英含量大，研磨性弱。因此鉆頭的合理選擇是該孔順利完工的必要條件。在鉆頭的選擇中，我們選用了吉林鉆石、武漢萬邦、唐山金石、石家莊航華等廠家的鉆頭進行試驗，根據(jù)鉆頭齒形、水槽類型、硬度、濃度、金剛石品級等參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，擇優(yōu)選擇鉆頭。并且鉆頭參數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)對我們今后鉆孔施工的意義重大。

在鉆進打滑地層時，我們采用了人工出刃，降低鉆頭胎體硬度和采用高低刃齒形鉆頭提高金剛石鉆頭唇面對巖石的單位面積壓力等方法，但是沒有取得好的效果。人工出刃處理的方法雖然有效果,但往往在鉆進幾厘米或十幾厘米后又會出現(xiàn)打滑，回次進尺短，鉆頭壽命短。金剛石鉆頭人工出刃方法只是解決打滑問題的一種應(yīng)急輔助手段，不是根本的解決方法。而采用軟胎體鉆頭，在深孔鉆進中，如果沒有控制好鉆壓，會造成金剛石鉆頭整個胎體強度不夠，壽命變短，甚至鉆頭變形而無法使用。因此胎體的耐磨性要選適中，不能過大或過小，過大則金剛石無法出刃，導(dǎo)致時效過低；過小則鉆頭壽命大為降低，增加成本，降低了經(jīng)濟效益。采用高低刃金剛石鉆頭的使用效果也并不理想，因為開始是高刃破碎巖石，鉆進時效能得到提高；隨著高刃磨損低刃參加工作，鉆頭唇面與巖石接觸面積逐漸增大，鉆頭的比壓下降，整個鉆頭的大部分鉆進時間同普通鉆頭沒有多少區(qū)別。

因此在考慮現(xiàn)有的鉆進方法的前提下，只有采用高胎體，高品質(zhì)金剛石，合適硬度和齒形的鉆頭才是根本的解決辦法。實踐也證明，ZK20-3鉆孔采用了不同廠家多種參數(shù)的普通鉆頭在鉆進時都不是很理想。針對該孔的特點，我們從廠家定制了進口金剛石同心圓尖齒鉆頭，鉆進小時效率由0.5m/h提高至1.2m/h，鉆頭壽命從20m/個提高到70m/個，在效率和經(jīng)濟效益上取得了良好的效果。圖3為在800m后的堅硬巖層中我們使用的鉆頭和專門定制的斜孔專用擴孔器。

圖3 ZK20-3孔使用的鉆頭及擴孔器

4.3.2.2 防斜和控斜

在ZK20-3鉆孔施工中采用了以下防斜和控斜手段。

（1）采用合理的鉆孔級配，該孔采用了4級鉆孔級配。

（2）常規(guī)防斜措施：①開孔預(yù)防。檢修機械設(shè)備，防止立軸在鉆進過程中角度發(fā)生變化；機場地地基一定要修筑牢固；鉆機立軸嚴(yán)格按設(shè)計角度安裝；開孔前檢查機上鉆桿、孔口管、鉆桿和巖芯管，杜絕使用彎曲的管材。上、下卡盤同時卡緊。②控制鉆進參數(shù)。采用高轉(zhuǎn)速，低鉆壓，降低鉆速的方法施工。要求單班進尺控制在15m以內(nèi)。③防斜鉆具。我們繩索取芯鉆具進行了改裝：對鉆具進行了適當(dāng)?shù)募娱L，增加了一個擴孔器，以提高鉆具的扶正和抗彎曲能力。

4.3.2.3 鉆井液

（1）ZK20-3鉆孔循環(huán)系統(tǒng)情況介紹。因斷裂帶的影響，ZK20-3孔自開孔至終孔的施工中，一直存在著滲漏的現(xiàn)象。多個漏失部位，隨鉆和定點堵漏成功后，在后續(xù)鉆進工作中又發(fā)生了滲漏，嚴(yán)重時甚至不返漿。對施工造成了極大的影響：鉆井液供應(yīng)不及，鉆井液攪拌時間不夠，水化溶解差，返出地面時已成清水；鉆孔阻力大，效率低下；巖粉沉淀，嚴(yán)重影響孔內(nèi)安全。

（2）采用的技術(shù)措施：

①鉆井液配方。

a開孔鉆井液：

配方：水800kg+膨潤土7%～10%+Na2CO35%～7%（土重比）；

性能：比重1.10～1.20g/cm3,粘度25～23s，失水量20～25mL/30min,膠體率95%以上，pH值9。

b?95mm、?78mm金剛石繩索取芯鉆進孔段采用優(yōu)質(zhì)低固相鉆井液，配方如下：

配方：水800kg+膨潤土3%+Na2CO35%（土重比）+高效潤滑劑5%（土重比）+無熒光潤滑防塌劑5%（土重比）；

性能：比重1.03g/cm3，粘度20～25s，失水量8mL/30min，膠體率95%以上，pH值8。

該鉆井液體系具有良好的攜帶、懸浮巖屑的能力，并且具有很好的潤滑性。因鉆孔漏失，該鉆井液配合鉆桿涂抹黃油使用效果更好。

②鉆井液配制和使用維護。

a由于天氣寒冷，鉆孔漏失等原因?qū)е裸@井液不能充分?jǐn)嚢枞芙夂凸?yīng)不及的情況，在機臺上增加一個攪拌罐。同時對所有難溶于水的鉆井液添加劑進行預(yù)處理，對預(yù)制桶進行加溫處理。

b機臺每班專人負(fù)責(zé)鉆井液的配制和維護工作。

c鉆井液槽長大于15m，沉淀池不少于2個，坡度3°～5°。

d每班測量鉆井液性能1～2次。

e每回次應(yīng)清除鉆井液槽內(nèi)沉淀的巖粉；鉆進100m左右應(yīng)徹底清除沉淀池內(nèi)的巖粉。

f深孔鉆井液在使用過程中應(yīng)注意保持性能穩(wěn)定，并根據(jù)使用情況及時補充或更換鉆井液；也可根據(jù)地層情況在技術(shù)人員指導(dǎo)下對鉆井液配方進行必要的調(diào)整。

4.3.2.4 堵漏措施

本次施工由于鉆遇地層變化較為明顯，地層較硬，加上斷烈?guī)У拇嬖?，堵漏工作特別重要。ZK20-3采用了如下措施：

（1）在采用優(yōu)質(zhì)鉆井液護孔困難時，及時下入套管；

（2）對漏失地層，采用粘土球、惰性材料、水泥等方法進行了堵漏；

（3）隨鉆過程中加入801單向封閉劑、鋸末等隨鉆堵漏材料。

5 施工經(jīng)驗教訓(xùn)與總結(jié)

5.1 經(jīng)驗教訓(xùn)

（1）由于沒有做好充分的準(zhǔn)備工作，盲目進行施工，導(dǎo)致鉆孔數(shù)次因糾斜、處理事故等原因停鉆，并拖至第二年施工，浪費了大量人力、物力和財力。

（2）深部鉆探工程的核心在于施工組織管理。2013年鉆孔施工失敗，機臺管理中就暴露出很多問題，如：違反操作規(guī)程，抱僥幸心理施工，隊伍軍心渙散等。

（3）方法單一，技術(shù)落后，思想保守也是導(dǎo)致該鉆孔施工周期長，效率低下的重要原因之一。

（4）不總結(jié)、不找原因、不改正使得鉆孔在施工中多次發(fā)生相同問題和事故。

5.2 總結(jié)及努力方向

（1）加強新設(shè)備、新技術(shù)、新方法的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，提高我隊深孔鉆探施工水平。

（2）在今后的施工中，要更加全面、詳細(xì)地收集礦區(qū)地質(zhì)資料，重視深孔施工設(shè)計的編寫和執(zhí)行工作。

（3）深孔、難孔的鉆孔施工是今后鉆探發(fā)展的方向，打造人員素質(zhì)高、責(zé)任心強、技術(shù)水平過硬、組織管理水平高的隊伍，我們還需不斷努力。

（4）隨著市場鉆探成本的增加，對于施工“三高”孔，采用配套的設(shè)備、先進的工具，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本勢在必行。

（5）在深孔鉆探施工中，如何簡化繁瑣的施工程序，提高管理者的管理水平，是我們亟待解決的問題之一。

（6）我們在鉆井液的配制、維護方面存在著“配制照貓畫虎，維護費時費力”的問題，并且鉆井液使用浪費嚴(yán)重，因此我們需要加強理論知識的學(xué)習(xí)，加強與外界的交流，采用新設(shè)備、新方法來提高鉆井液的使用效率。

P634

B

1004-5716(2015)09-0035-04

2015-07-29

2015-07-30

董昌波（1979-），男（布依族），云南羅平人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)工作。