新疆贊坎磁鐵礦凍土層鉆探施工方法

張春江（新疆地礦局第二地質(zhì)大隊　喀什　844000）

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新疆贊坎磁鐵礦凍土層鉆探施工方法

張春江
（新疆地礦局第二地質(zhì)大隊喀什844000）

摘要我隊2010年～2011年在海拔4 600 m以上的贊坎磁鐵礦礦區(qū)進行鉆探施工。由于礦區(qū)海拔高，施工中所遇問題是在永凍地層孔段施工，由于受巖層冰點以下低溫影響，沖洗液循環(huán)過程中逐漸結(jié)冰渣，并從孔壁結(jié)冰直至將鉆孔凍實，泥漿沖洗液無法循環(huán)，鉆具即被凍結(jié)在孔內(nèi)，出現(xiàn)孔內(nèi)凍結(jié)事故，掃冰芯非常困難等。施工初期由于缺乏經(jīng)驗，經(jīng)常出現(xiàn)凍結(jié)事故，致使施工不能正常進行。經(jīng)不斷總結(jié)摸索經(jīng)驗，目前已基本掌握了凍土層鉆進規(guī)律，并總結(jié)出相應的一套施工方法，因而后期施工的鉆孔，無論在鉆探質(zhì)量和效率等方面都得到提高。

關(guān)鍵詞永凍地層孔段施工沖洗液施工方法

1　礦區(qū)概況

礦區(qū)位于西昆侖山系、帕米爾高原東部，塔什庫爾干塔吉克自治縣東南約80 km，礦區(qū)平均海拔4 700 m，贊坎河由東向西穿過礦區(qū)，礦區(qū)及區(qū)內(nèi)交通便利。由于受高山氣候影響，每年7～8月大雪天氣為5～8天/月，給野外鉆探施工帶來了相當大的施工難度。

2　礦區(qū)地質(zhì)概況

2.1地層

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為古元古界布倫闊勒群（Pt1B）及下志留統(tǒng)溫泉溝群（S1W），地層總體呈單斜產(chǎn)出，總體走向為北西300°左右，傾向北東，傾角一般在43°～56°之間，局部地段傾角較陡，可達60°以上。礦區(qū)西部分布大面積第四系下更新統(tǒng)砂礫石層，沿河谷分布全新統(tǒng)砂礫石。

2.2構(gòu)造

工區(qū)內(nèi)大斷層主要為古元古界布倫闊勒群（Pt1B）與下志留統(tǒng)溫泉溝群（S1W）之間的達布達爾東斷裂（F4），該斷裂為一逆斷層，呈北西-南東向延伸，工區(qū)內(nèi)出露長約3 km。斷層北東側(cè)為古元古界布倫闊勒群（Pt1B），南西側(cè)為下志留統(tǒng)溫泉溝群（S1W）。受斷層影響，地層多被擠壓，小褶曲構(gòu)造發(fā)育，局部地段可見小的層間錯動。

2.3工程地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)巖石主體為石英片巖和鐵礦層，圍巖（頂、底板）較為堅硬，巖石裂隙一般不太發(fā)育，不易掉塊、垮塌，工程地質(zhì)類型屬于較穩(wěn)固型。但是在近地表處巖石發(fā)生強烈物理風化作用，在施工過程中會發(fā)生局部塌方。因此，在工程施工時要重視對穩(wěn)定坡度角的探索，防止塌方和山體滑坡的發(fā)生。

3　施工中的難點

2010年我隊在該礦區(qū)總共完成8 000余米鉆探任務(wù)，施工效率低，并出現(xiàn)了大量的報廢孔。該礦區(qū)主要施工難度有以下幾點：

⑴上部5～20 m為覆蓋層，取心困難，易垮孔、坍塌。

⑵進入礦層頂板時有大斷層，漏失嚴重，漏失量大于2 m3/h。

⑶海拔4 500 m以上為高山凍土層，在凍土層內(nèi)停鉆半小時以上，孔內(nèi)出現(xiàn)凍結(jié)，易造成孔內(nèi)事故。較長時間停鉆，下鉆時必須花費大量時間掃孔。凍土層造成鉆孔報廢有以下3個方面的原因：

①孔內(nèi)出現(xiàn)斷鉆事故、設(shè)備出現(xiàn)故障等原因造成停鉆，1 h以上的停鉆即會使鉆桿在孔內(nèi)凍死。2010年因為上述原因共有6個鉆孔因鉆桿凍死，造成1 400余米的報廢進尺，直接經(jīng)濟損失約140余萬元。

②9月底礦區(qū)內(nèi)一鉆孔鉆進至孔深90余米時，夜班因下大雪，氣溫下降，在鉆進過成中孔內(nèi)泥漿邊鉆邊凍，因現(xiàn)場處理不及時，最終造成該孔報廢。

③出現(xiàn)全孔漏失后，因上部為凍土層，未解決泥漿防凍問題，又造成2個鉆孔無法鉆進至設(shè)計深度。

綜合以上原因，我隊組織技術(shù)力量，現(xiàn)場進行多次試驗，最后提出使用鹽水泥漿防凍方案，頂漏鉆進等適合該地層的鉆探工藝。并在2011年的施工中采用，大大的提高了效率，臺月效率由以前的不到250 m提高近1倍達到480 m，最高達到700 m，并成功避免了因孔內(nèi)鉆桿凍結(jié)造成的報廢。

4　設(shè)備及鉆機工藝的選擇

4.1設(shè)備

選用XY-44型鉆機，BW250型泥漿泵。

4.2鉆進工藝

上部覆土層采用Φ130合金鉆頭開孔，干燒取心，穿過覆土層后下入Φ127套管，再用Φ110單管金剛石鉆頭鉆進至穩(wěn)定層，下入Φ108套管，改用Φ77金剛石繩索取心鉆進至終孔。

導管下入時，有可能進入凍土層，要求在套管外壁涂抹融化后的瀝青，并做好底部止水。防止導管在孔內(nèi)凍結(jié)。

5　施工工藝

5.1泥漿方案

在海拔4 500 m以上的鉆孔都會穿過凍土層，一般需要穿過厚度在100～300 m之間，泥漿主要性能必須滿足三個方面的要求：低凝固點（防凍）、增粘、降失水。我隊根據(jù)現(xiàn)場的多次試驗，選擇以下兩種泥漿配方方案：

方案A:1 000 mL（H2O）+8‰（SW）+5‰（PAC-141）+ 0.5‰（NaOH）+5%（NaCl）+1%（TRH）。

方案B:1 000 mL（H2O）+8‰（SW）+5‰（PAC-141）+ 0.5‰（NaOH）+10%（NaCl）+1%（TRH）。

表1　泥漿性能一覽表

以上兩種泥漿配方根據(jù)不同的時間段使用。7～8月份地表氣溫較高，選擇A配方；6月、9月地表氣溫較低選擇B配方。根據(jù)不同的地表氣溫適當?shù)恼{(diào)整NaCl含量。鉆進時觀察孔內(nèi)返回泥漿，有無冰渣出現(xiàn)，測量泥漿溫度，根據(jù)以上結(jié)果適當?shù)恼{(diào)整NaCl含量。

5.2鉆進技術(shù)參數(shù)

Φ130合金鉆頭干燒取心：鉆壓1～3 kN，轉(zhuǎn)速50～150 r/min；Φ110單管金剛石鉆頭鉆進:鉆壓2～8 kN，轉(zhuǎn)速150～350 r/min，泵量30～60 L/min，工作泵壓0.2～0.6 MPa；Φ77金剛石繩索取心鉆進：鉆壓9～15 kN，轉(zhuǎn)速280～700 r/min，泵量40～70 L/min。

5.3堵漏與頂漏鉆進

穿過凍土層鉆進至礦層頂板時，出現(xiàn)斷層。一般厚度為5～20 m，該層漏失嚴重，漏失量大于2 m3/ h。根據(jù)實際情況采用了以下兩種方式：

5.3.1堵 漏

漏失量小于3 m3/h的鉆孔采用堵漏鉆進。根據(jù)以往在該礦區(qū)的鉆探經(jīng)驗，整個鉆孔只存在這樣一個大漏失層。堵漏采用803大裂隙隨鉆堵漏劑。因上部有凍土層，堵漏泥漿必須按配方要求配置。如果長時間泥漿返不出空口，必須提出大鉆，防止孔內(nèi)鉆桿凍結(jié)。再從孔口倒入一定量堵漏材料，堵漏材料由803、植物膠、棉籽殼、膨潤土、鋸末、麻繩、NaCl加水攪拌成稠糊狀，并用鹽水泥漿壓入孔底，靜置3～5 h，下入鉆桿用小泵量掃孔，當泵壓上升時開正常泵量低速鉆進，直至孔口返回泥漿。

5.3.2頂漏鉆進

漏失量過大，漏失量大于3 m3/h，根據(jù)以往的經(jīng)驗，堵漏效果不好，一是時間長，需反復按堵漏鉆進方式處理，而且泥漿漏失仍然嚴重；二是成本高，工人勞動強度增加。分析以上原因，我們采取頂漏鉆進方式。頂漏鉆進時上部鉆桿外部涂抹黃油、廢機油做潤滑劑，減小鉆桿與孔壁之間的摩擦。因頂漏鉆進容易出現(xiàn)糊鉆、燒鉆等事故，在實際施工過程中特別強調(diào)以下幾點：⑴確定漏失層位置，計算泥漿到達孔底需求量。必須保證泥漿到達鉆頭底部才能開鉆；⑵上部鉆桿的潤滑必須做到位；⑶當孔內(nèi)負荷增大時，必須提鉆進行檢查，是上部潤滑問題，還是孔底鹽粉過重等造成孔內(nèi)負荷加大，并分別解決，保證孔內(nèi)穩(wěn)定的負荷。

6　施工中的注意事項

⑴因為礦區(qū)的特殊性，7～8月的大雪，凍土層的影響等原因，要求連續(xù)施工，不得停鉆。必須保證機場的防雪性較好，夜班和大雪天的取暖。

⑵在頂漏鉆進時不得使用清水鉆進，必須保持上述泥漿配方。

⑶隨時觀察孔口泥漿的返回情況，并測定泥漿溫度，確?？變?nèi)不出現(xiàn)冰凍情況。

7　結(jié)束語

通過技術(shù)方案的改進和機場認真執(zhí)行施工中的注意事項，在2011年的鉆探施工過程中再未出現(xiàn)孔內(nèi)鉆桿凍死因而報廢的鉆孔，整個礦區(qū)完成了18 000余米的鉆探任務(wù)，較好的完成了鉆探施工任務(wù)。

參考文獻

［1］李世忠.鉆探工藝學［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989.

［2］常士驃.工程地質(zhì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992.

［3］曾祥熹，陳志超.鉆孔護壁堵漏原理［M］.北京:地質(zhì)出版社，1986.

［4］鄧曉春，胡海軍.復雜地層成因分析與鉆探工藝研究. ［J］.西部探礦工程，2008，（12）：106～107.

［5］徐小兵.提高高海拔地區(qū)鉆探效率的幾點體會［J］.地質(zhì)與勘探（中文），2006，（3）:103～106.

［6］魏振，關(guān)玉臣.達連河區(qū)鉆探用泥漿的配制與應用［J］.煤炭技術(shù)，2000，（6）46～52.

收稿：2016-03-10

DOI:10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.03.018