哈達(dá)門溝金礦區(qū)100ZK13906孔復(fù)雜地層施工工藝及認(rèn)識(shí)

張純歌，李景東

（武警黃金第一總隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150086）

哈達(dá)門溝金礦區(qū)100ZK13906孔復(fù)雜地層施工工藝及認(rèn)識(shí)

張純歌*，李景東

（武警黃金第一總隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150086）

介紹了哈達(dá)門溝金礦區(qū)復(fù)雜地層的巖性結(jié)構(gòu)構(gòu)造情況，典型鉆孔的施工工藝和護(hù)壁堵漏措施，分析了發(fā)生孔內(nèi)坍塌的原因及處理方法，提出了對(duì)含多層破碎蝕變帶鉆孔的施工認(rèn)識(shí)。

復(fù)雜地層；護(hù)壁堵漏；鉆進(jìn)工藝；認(rèn)識(shí)；哈達(dá)門溝礦區(qū)

1 礦區(qū)概述

1.1 工程概況

哈達(dá)門溝金礦區(qū)巖金普查屬黃金專項(xiàng)業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目，工作區(qū)位于內(nèi)蒙古包頭市境內(nèi)，是全國首批優(yōu)選的47個(gè)重點(diǎn)整裝勘查區(qū)之一。我部自1986年在該區(qū)開展巖金普查以來，截止2013年已累計(jì)完成鉆探近60000m，探獲金資源量超百噸，現(xiàn)仍具有較大的找礦前景。100號(hào)脈是2014年重點(diǎn)勘查的主要礦體之一。

1.2 礦區(qū)地層及構(gòu)造

礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要為中太古界烏拉山(巖)群第一巖組及第二巖組的一部分，第一巖組2個(gè)巖性段分別為黑云角閃斜長變粒巖（Ar2wl1-1）、含榴石黑云斜長片麻巖（Ar2wl1-2）；第二巖組第一巖性段，巖性是黑云角閃斜長片麻巖（Ar2wl2-1），是一套原巖為火山—碎屑巖建造的中—高級(jí)變質(zhì)巖。其中第一巖組第二巖段、第二巖組第一巖性段是金礦體的主要賦存層位。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，構(gòu)造復(fù)雜，褶皺、斷裂發(fā)育。斷裂構(gòu)造從形成時(shí)間上可分為成礦前、成礦期和成礦后的斷裂。成礦前的斷裂多被早期花崗偉晶巖、輝綠玢巖脈、閃長巖脈充填。成礦期的斷裂構(gòu)造主要是礦區(qū)南部有一條鉀長石化破碎蝕變巖帶，走向北東65°，傾向北西，延長十余公里，破碎帶寬幾十米—百余米，構(gòu)造角礫到處可見，并發(fā)生強(qiáng)烈的鉀長石化、硅化、碳酸鹽化，交代完全時(shí)原巖成分不易辨認(rèn)。成礦后的斷裂分為北東向、北西向和北東東向3組。北東向斷層組均為平移逆（斜）斷層，壓扭性結(jié)構(gòu)面，該組斷層向南西方向散開，向北東方向收斂，呈帚狀展布，破碎帶成分主要為碎裂的片麻巖，泥質(zhì)占30%左右，結(jié)構(gòu)松散，用手揉擦有砂礫感覺。北西向斷層傾向南西，傾角70°左右，是正斷層。兩側(cè)巖層位移200m左右，斷層的斷距較大，將北東向斷層錯(cuò)斷。北東東向斷層走向70°左右，傾向北西，傾角在70°～80°之間，斜切礦體，并形成較大的斷空區(qū)，對(duì)礦體的破壞較大。

1.3 變質(zhì)作用

礦區(qū)長期受南北向的擠壓應(yīng)力影響，從南向北在工作范圍內(nèi)形成一個(gè)逐漸減弱的動(dòng)力變質(zhì)帶，不僅發(fā)育一系列斷裂破碎帶，而且形成了各種動(dòng)力變質(zhì)的巖石。按其破碎程度和巖石性質(zhì)，可分為斷層角礫巖、糜棱巖及碎裂質(zhì)巖石。

斷層角礫巖主要分布在斷裂破碎帶之內(nèi)，礦區(qū)南側(cè)的鉀長石化蝕變巖兩側(cè)，經(jīng)?？梢砸姷綆酌住獢?shù)十米的角礫巖帶，硅質(zhì)膠結(jié)，有時(shí)為碳酸鹽膠結(jié)。

碎裂巖在礦區(qū)內(nèi)非常普遍，特別是在礦體及其頂?shù)装鍑鷰r中非常發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，壓碎構(gòu)造，巖塊多呈尖棱角狀、不規(guī)則狀。

糜棱巖化巖石主要分布在構(gòu)造破碎帶附近，在礦區(qū)西部的大壩溝兩側(cè)發(fā)育，在礦體的局部地段有出露。由于受動(dòng)力變質(zhì)作用，多數(shù)長石、石英已成較細(xì)的碎粒，并沿一定方向分布，少數(shù)石英呈粒斑出現(xiàn)。

2 100號(hào)脈及ZK13906巖性情況

2.1 100號(hào)脈情況

100號(hào)脈位于大壩溝兩側(cè)，賦存于東西走向、傾向南、長度大于2800m、寬約50m的破碎蝕變帶中。破碎蝕變帶風(fēng)化面呈褐色、土黃色、灰綠色、新鮮面呈灰色、肉紅色、灰綠色，主要成分為碎塊65%±，膠結(jié)物35%±，局部膠結(jié)物可達(dá)到80%以上。碎塊成分主要為含榴石二長片麻巖，其次為鉀硅化蝕變巖，普遍具有綠泥石化、碳酸鹽巖化、褐鐵礦化、黃鐵礦化；膠結(jié)物主要為細(xì)?；蛭⒓?xì)粒的泥質(zhì)、粉砂質(zhì)物質(zhì)，具有較強(qiáng)烈的綠泥石化、碳酸鹽巖化，金礦（化）體主要為破碎帶中的鉀硅化蝕變巖和蝕變片麻巖。礦石類型為以鉀硅化蝕變巖型為主，其次為石英脈、蝕變片麻巖，具有碎裂結(jié)構(gòu)、糜棱結(jié)構(gòu)，浸染狀結(jié)構(gòu)，呈塊狀構(gòu)造、蜂窩狀構(gòu)造、條帶狀構(gòu)造。礦化多以褐鐵礦化、黃鐵礦化、鏡鐵礦化為主，少量為黃銅礦化、方鉛礦化，蝕變以鉀化、硅化為主，其次為碳酸鹽化、綠泥石化。

2.2 100ZK13906巖性情況

100ZK 13906，設(shè)計(jì)孔深610m，開孔方位角0°，傾角83°，終孔孔深610m。該鉆孔分別在12.5～20.3m、47.4～49.3m、273.4～296m、468～525.1m、553.9～559.5m、563.7～585.7m存在強(qiáng)烈的構(gòu)造破碎蝕變帶，灰白-灰綠色，土狀、碎裂結(jié)構(gòu)，松散狀構(gòu)造，泥砂質(zhì)60%～65%，巖石碎屑35%～40%，膠結(jié)物為綠泥石、碳酸鹽、高嶺土，巖石碎屑為黑云角閃斜長片麻巖、蝕變片麻巖、含榴石二長片麻巖，發(fā)育鉀化、硅化、碳酸鹽化（圖1）。并在143.1～145.9m含一層斷層泥，灰白色，土狀結(jié)構(gòu)，松散狀構(gòu)造，泥砂質(zhì)95%，其它5%，發(fā)育綠泥石化、碳酸鹽化、高嶺土化。其它相對(duì)蝕變不強(qiáng)地層巖性為花崗偉晶巖、黑云角閃斜長片麻巖、含榴石二長片麻巖、鉀硅化蝕變巖及石英脈等，但裂隙較發(fā)育。

圖1 礦區(qū)典型破碎蝕變帶巖

2.3 施工難點(diǎn)

通過以往在該區(qū)的施工，200m以淺多表現(xiàn)為破碎、漏失，嚴(yán)重時(shí)不返水，且整個(gè)礦區(qū)受地質(zhì)作用的影響，存在深度難以估測(cè)、多層位、厚度不等的蝕變破碎帶，主要由綠泥石、高嶺土等組成，內(nèi)含大量角礫，一旦鉆井液性能不良，不能有效保護(hù)孔壁穩(wěn)定，引發(fā)孔內(nèi)坍塌，鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大甚至蹩憋車，無法正常鉆進(jìn)。因此，必須使用優(yōu)質(zhì)鉆井液護(hù)壁。遇漏失時(shí)，則必須進(jìn)行堵漏，否則，鉆井液成本急劇升高。堵漏與護(hù)壁是該區(qū)的2個(gè)施工難題。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

采取金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝，使用抗拉、抗扭強(qiáng)度大的JS98、JS75繩索取芯鉆具及配套的鐓粗鉆桿，防止發(fā)生鉆桿脫扣、折斷等事故。鉆頭外徑加大到?98mm和?76.5mm，解決液流環(huán)狀間隙小、泵壓偏高的問題。

因該地區(qū)地表覆蓋層較薄，通常開孔即為基巖，且?guī)r石硬度較大，大徑開孔或頻繁擴(kuò)孔、下套管、換徑，施工效率低，故鉆孔結(jié)構(gòu)比較簡單。采用?122mm開孔鉆進(jìn)至10.1m，下?114mm孔口管10.26m，換用?98mm繩索取芯金剛石鉆進(jìn)至221.8m，隔離上部破碎、漏失孔段，直接將?91mm鉆桿作為套管下入222.2m，然后改用?76mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔610m。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)

廣泛收集礦區(qū)鉆探施工資料，根據(jù)地層情況、巖石性質(zhì)（礦區(qū)內(nèi)以片麻巖為主的變質(zhì)巖層，褶皺、斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，中等研磨性，可鉆性7～9級(jí)，個(gè)別地層達(dá)到10級(jí)）確定鉆進(jìn)參數(shù)。

3.2.1 鉆壓

礦區(qū)地層復(fù)雜，破碎帶極多并伴有綠泥石化地層，軟硬互層交替比較頻繁，可鉆性范圍大，對(duì)鉆壓的最優(yōu)值選擇不易控制。因此鉆進(jìn)過程中根據(jù)所遇地層和鉆速情況，對(duì)鉆壓進(jìn)行有效地調(diào)整，鉆壓調(diào)整范圍控制在?98mm繩索取心金剛石鉆進(jìn)8～18kN,?76mm繩索取芯金剛石鉆進(jìn)5～12kN。完整巖層可取大值，破碎蝕變巖層及漏失層鉆壓要小，防止鉆具彎曲發(fā)生孔斜、回轉(zhuǎn)阻力增大或進(jìn)尺過快。

3.2.2 轉(zhuǎn)速

因礦區(qū)巖層陡立且破碎，蝕變巖層較軟，不宜開高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速控制在187～597r/min之間，?98mm繩索可略低，在漏失嚴(yán)重及蝕變巖層地層中，轉(zhuǎn)速不得超過360r/min，保證冷卻鉆頭和排粉。

3.2.3 泵量

滿足清除巖粉、冷卻鉆頭和保護(hù)孔壁，為減少對(duì)孔壁的沖刷，沖洗液量不宜過大，采用50～70L/min。

3.3 堵漏措施

開孔即不返水，頂漏鉆至10.1m后，下套管堵漏。38～45m出現(xiàn)部分漏失，采用803堵漏劑配5%漿液從孔口倒入60kg，堵漏成功返水正常。136～142m，漏失嚴(yán)重、不返水，采用803堵漏劑+鋸末+羊糞+聚丙烯酰胺漿液配成糊狀，從鉆桿內(nèi)倒入，堵漏成功返水。187.3～191.5m，不返水，上述方法堵不住，采用膨潤土50%+803堵漏劑20%+鋸末10%+聚丙烯酰胺漿液(10%)，并摻入一定量的棉絮，做成泥球，用塑料紙包住，將鉆頭取下，從鉆桿內(nèi)投入孔底約7m，提鉆后將鉆桿下頭用變絲接手封堵后，下入孔底，連擰帶壓，將堵漏材料壓入裂隙，后循環(huán)掃孔，堵漏成功，返水正常。在將?91mm鉆桿作為套管下入前，鉆桿底部連接套管靴，便于有掉塊時(shí)掃孔。為防止套管底部漏失，使巖粉沉淀于套管外間隙，在下套管離孔底3～4m時(shí)，從套管內(nèi)投入泥球4m，反復(fù)碾壓后下入套管，便于起拔套管。

3.4 分層鉆進(jìn)的護(hù)壁措施

0～10.1m，開孔采用細(xì)分散泥漿。配方1：鈉質(zhì)膨潤土5%+0.05%堿（也可不加堿或正常加量的1/3左右）,沖洗液性能:密度1.04～1.05kg/L，粘度40～48s，失水量15mL/30min。

10.1 ～221.8m，地層斷續(xù)存在不同程度漏失，在做好堵漏的基礎(chǔ)上，采用加入隨鉆堵漏劑的低固相泥漿。配方2：鈉質(zhì)膨潤土2.5%～4%+Na-CMC0.1%+磺化瀝青0.5%+高粘堵漏劑0.3%。沖洗液性能:密度1.04～1.05kg/L，粘度35～40s,失水量14mL/30min。

221.8 ～490m，地層完整與破碎蝕變帶間雜，局部孔段蝕變破碎嚴(yán)重，泥砂伴有角礫。利用植物膠的成膜性和潤滑減振性，配制植物膠泥漿。配方3：鈉質(zhì)膨潤土2.5%～3.5%+SH-1植物膠1%+Na-CMC 0.1%+聚丙烯酰胺0.1%。密度1.03～1.04kg/L，粘度30～35s,失水量12mL/30min。

466.5 m—終孔，地層較為破碎，鉆孔局部發(fā)生垮塌，配方4：在上述配方的基礎(chǔ)上，加入磺化瀝青0.3%～0.5%，低熒光防塌護(hù)壁降失水劑0.3%～0.5%，包被劑水解聚丙烯酰胺0.1%，隨鉆堵漏劑0.2%。性能指標(biāo)為：密度1.03kg/L，粘度35～40s，pH值9，失水量10mL/30min。

4 孔內(nèi)事故處理及原因分析

4.1 事故經(jīng)過

該孔施工至466.5m處時(shí)，由于當(dāng)班膨潤土未充分預(yù)水化，按配方加量配制時(shí)，粘度達(dá)不到性能要求，為提高粘度盲目將膨潤土加量提高到5%，待循環(huán)兩回次后，泥漿粘度急劇升高到60s左右，未及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)泵壓升高，回轉(zhuǎn)阻力大，泥漿上返量少，無法正常鉆進(jìn)。決定上鉆，上鉆時(shí)也進(jìn)行了回灌，但因泥漿過稠效果不好。上鉆后發(fā)現(xiàn)，鉆頭底部被泥砂質(zhì)巖芯全部堵死。按原配方配好泥漿后重新下鉆，在280m處下不到底，上下竄動(dòng)掃孔時(shí)只要下到280m處則泵壓急劇，鉆井液返出量減少，提離后則泵壓隨即降低、返水量增大，掃近兩個(gè)小時(shí)仍沒有效果，重新上鉆后發(fā)現(xiàn)，下擴(kuò)孔器處有嚴(yán)重的磨損凹槽（如圖2）所示，幾近折斷，孔內(nèi)的不完整地層發(fā)生坍塌。

圖2 磨損的下部擴(kuò)孔器

4.2 事故處理

按配方4調(diào)配泥漿，加入抑制劑磺化瀝青，低熒光防塌護(hù)壁降失水劑控制失水量，加入包被劑水解聚丙烯酰胺以更好沉淀巖粉，加入隨鉆堵漏劑封閉孔壁毛細(xì)管道，配制好的泥漿粘度控制在35～40s，失水量10mL/30min。更換鉆具下鉆，自280m開始緩慢掃孔，邊掃邊將原有泥漿逐漸全部替換掉。掃孔時(shí)，要有耐心，不得追求進(jìn)尺盲目加壓和開高轉(zhuǎn)速，泵壓升高時(shí)馬上頂起，邊掃邊磨邊排，將孔內(nèi)坍塌物尤其是上返困難的粗顆粒物磨碎排上來，泥漿性能達(dá)不到要求要及時(shí)更換。每掃孔3～4h要提鉆檢查鉆具尤其是下擴(kuò)孔器情況，防止斷鉆。掃孔歷時(shí)124h到達(dá)孔底，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。

4.3 原因分析

盡管泥漿粘度大對(duì)孔壁沖刷小、攜粉能力強(qiáng)，但因流動(dòng)性差，造成泥漿返出孔口困難，循環(huán)壓力增大、泵壓高、失水量大，滲透性強(qiáng)地層會(huì)造成泥漿循環(huán)漏失，使不穩(wěn)定地層吸水后膨脹剝落，護(hù)壁效果不好。發(fā)生坍塌后，大量的粗顆粒物被沖頂在下擴(kuò)孔器處難以排除，進(jìn)一步造成泵壓升高。上鉆時(shí)回灌未及時(shí)壓住地層，形成“活塞”效應(yīng)，加劇孔內(nèi)構(gòu)造破碎帶內(nèi)泥砂和粗顆粒物崩落。

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

該孔共施工58d，鉆進(jìn)637回次，平均回次進(jìn)尺不足1m，處理事故和堵漏耗時(shí)較長，但成功終孔。通過對(duì)該孔多層破碎蝕變帶的施工，主要有以下認(rèn)識(shí)：

（1）復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工，必須在鉆前制定周密詳盡的鉆井液設(shè)計(jì)方案，不僅有針對(duì)地層的不同配方，還要有發(fā)生性能改變后的調(diào)整方法，施工中要隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液的性能，性能達(dá)不到要求不得盲目鉆進(jìn)。膨潤土必須充分預(yù)水化，化學(xué)處理劑要預(yù)溶成溶液后添加。鉆井液粘度應(yīng)控制在35～40s，否則會(huì)造成因循環(huán)壓力大壓裂地層，也不利于地表巖粉沉降。

（2）?95mm繩索取芯鉆進(jìn)工藝較適合含多層破碎蝕變帶地層施工。實(shí)踐證明，使用?95mm繩索取芯鉆進(jìn)效率較?75mm僅略有降低，復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工，?95mm繩索取芯鉆進(jìn)應(yīng)盡可能鉆進(jìn)深些，然后將?91mm繩索鉆桿連接套管鞋直接掃孔下作套管，因其強(qiáng)度大，可較長時(shí)間掃孔，以解決因地層破碎使常規(guī)套管無法下到底的問題，隔離上部漏失及破碎帶，為深部鉆進(jìn)消除隱患。

（3）發(fā)生巖芯堵塞時(shí)，要立即提鉆，防止打懶鉆造成巖芯（粉）將鉆頭及內(nèi)管堵死而不得不上大鉆，從而形成“活塞”效應(yīng)引發(fā)孔壁坍塌。

（4）復(fù)雜地層鉆進(jìn)要加強(qiáng)施工技術(shù)管理，監(jiān)督機(jī)班長嚴(yán)格遵守復(fù)雜地層鉆進(jìn)操作規(guī)程和注意事項(xiàng)，掌握好鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),控制鉆速，尤其要控制起下鉆和打撈內(nèi)管速度并堅(jiān)持回灌。

（5）鉆進(jìn)含綠泥石化等破碎蝕變帶發(fā)現(xiàn)泵壓升高較大有可能發(fā)生坍塌時(shí)，嚴(yán)禁強(qiáng)行鉆進(jìn)，防止壓漏地層，必須配制優(yōu)質(zhì)鉆井液，邊護(hù)壁邊排出巖粉，待孔壁穩(wěn)固，孔內(nèi)干凈后方可正常鉆進(jìn)。

[1]DZ/T 0227-2010地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程[S].

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1004-5716(2015)08-0093-04

2014-12-29

2014-12-31

張純歌（1966-），男（漢族），山東萊陽人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查技術(shù)、施工及管理工作。