組合雙管繩索取心鉆具在羊石山金礦勘查中的應用

李洪鶴， 毛益林

(江西省核工業(yè)地質局二六七大隊，江西 九江 332000)

1　礦區(qū)概況

1.1　地理交通條件

云南省芒市上芒羊石山金礦位于西南三江地區(qū)中南段，北起潞西市三臺鄉(xiāng)，南止瑞麗市畹町鎮(zhèn)?？辈閰^(qū)地處云南的怒江以西地區(qū)，屬典型高原地貌，屬中等切割的中山區(qū)。最大高程1501.60 m、最低高程793.10 m，相對高差708.50 m。區(qū)內周邊有國道和高速公路，交通方便，用水、用電較為方便。

1.2　礦區(qū)地層

1.2.1勘查區(qū)地層

勘查區(qū)地層由二疊系下統(tǒng)沙子坡組及侏羅系中統(tǒng)勐戛組、柳灣組，上統(tǒng)弄坎組組成。

沙子坡組(P1s)：該組呈北東向長條狀分布，縱貫全區(qū)。主要巖性為白云巖，次為白云巖夾灰?guī)r及泥砂質灰?guī)r—白云巖。

勐戛組(J2m)：分布范圍與沙子坡組相同(北東向縱貫全區(qū))，與下伏沙子坡組為平行不整合至微角度不整合，接觸面為凸凹不平的古巖溶面。主要巖性為砂質頁巖、鈣質—泥質粉砂巖夾少量泥灰?guī)r透鏡體，白云質灰?guī)r、泥砂質灰?guī)r夾粉砂巖，頁巖、細砂巖，泥巖、粉砂巖、細砂巖夾泥質灰?guī)r透鏡體。

柳灣組(J2l)：上部為薄—中厚層狀含泥質生物介殼灰?guī)r；下部為頁巖、砂質夾泥質灰?guī)r，底部偶見礫巖。

弄壩組(J2n)：巖性為頁巖、砂巖及砂礫巖。

1.2.2勘查區(qū)地質構造

勘查區(qū)斷裂構造十分發(fā)育。龍陵—瑞麗大斷裂往東南7 km距離內發(fā)育6條北東向次級斷層，這些斷層均呈北東—南西走向，延伸都達20 km以上。除上芒崗斷層上部較緩，其余斷層傾角都較陡，微向西傾。斷裂破碎帶寬度都在十幾米以上，由壓扁透鏡體、石香腸、碎裂巖、構造角礫巖、糜棱片巖帶組成。這些斷裂主要微壓扭性右旋平移走滑性質。

2　鉆孔設計和施工計劃

鉆孔開孔前需對照地質組提供的鉆孔柱狀圖的巖層、深度等信息來設計鉆孔結構施工圖，為鉆探施工提供依據(jù)。施工單位應根據(jù)鉆孔結構施工圖預估復雜地層下套管深度和各層位的泥漿護壁處理辦法，并編制事故的應急處理方案，確保鉆探施工的順利進行。鉆孔設計如下。

(1)鉆孔深度500～700 m，鉆孔26個，工作量14000 m，方位角135°，頂角0°和15°，視鉆孔地層層位變化和見礦情況適當調整加深孔深。

(2)鉆孔結構設計開孔孔徑≮130 mm，上部覆蓋層和破碎巖層孔徑110 mm，孔深350 m之內口徑≮95 mm，終孔口徑≮75 mm。鉆孔結構設計見(圖1)。

圖1　鉆孔結構設計

(3)鉆探六項指標符合地質要求，強調覆蓋層采取率≮85%，礦層和礦化帶地段采取率≮90%。

(4)施工計劃要求安排鉆機4臺(XY-4型鉆機2臺、XY-44型鉆機2臺)，2014年4月開始鉆探工作，2014年10月28日結束野外作業(yè)。

3　施工中存在的問題

在承接任務的起初，我們采用的是常規(guī)硬質合金及金剛石單管鉆進施工工藝，用?130 mm開孔，鉆穿覆蓋層后，下入?127 mm孔口管，再用?110 mm普通金剛石鉆進等工藝，由于巖層傾斜，地層破碎，沖洗液漏失嚴重，致使我們在該礦區(qū)施工中遇到諸多問題，主要有以下幾個方面。

(1)勘查區(qū)斷裂構造十分發(fā)育，巖體陡斜，軟硬互層變化頻繁，鉆孔在0～200 m容易偏斜。

(2)上部覆蓋層和風化巖層及礦層，?110 mm單管鉆進巖心采取率低，不能滿足地質要求，用HQ95繩索取心鉆具鉆進，又需要擴孔至?110 mm口徑，鉆孔及擴孔重復交替施工，工人勞動強度大，鉆進效率低，且?108 mm護壁套管較難下入理想的位置。

(3)巖石破碎，裂隙發(fā)育，鉆孔沖洗液漏失嚴重，采用水泥漿封堵待凝時間長，而且封一段鉆一段，效率還是不高，不能滿足施工進度要求。

(4)巖石破碎，掉塊卡鉆，鉆孔坍塌、埋鉆事故頻發(fā)。

4　組合雙管繩索取心鉆具的制作及應用

4.1　組合雙管變徑接手的制作及應用

如何突破這一施工難題，解決0～200 m這一“瓶頸”地層，成了該工程能否成功的關鍵?，F(xiàn)場鉆探技術人員在困難面前及時總結經驗，對原有鉆探工藝進行調整，對鉆具進行大膽構思和創(chuàng)新改進，經反復摸索實踐，通過不斷嘗試，我們設計制作出一個組合雙管變徑接手，即將3個聯(lián)結在一起的?95 mm繩索取心鉆桿接手與切割改造的?108 mm套管接箍組合在一起，通過焊接方式連接，組成一個雙管變徑接手(見圖2)。

圖2　組合雙管變徑接手

這個組合雙管變徑接手是組成組合雙管繩索取心鉆具的關鍵部件，其作用是把?110 mm單管鉆具和HQ95繩索取心鉆具組合在一起，外層為?110 mm單管鉆具，里層為HQ95繩索取心鉆具，使鉆孔和擴孔通過組合得以同時進行，里層HQ95繩索取心鉆具稍超前于?110 mm單管鉆具，其主要功能是鉆進取心，提高巖心采取率，而外層?110 mm單管鉆具所使用的是薄壁金剛石鉆頭，能較好地切削巖體，控制進度，其主要功能是擴孔和護孔，這樣一是避免了單純使用繩索取心鉆進時，由于鉆孔坍塌、掉塊，安裝?108 mm套管時不斷重復掃孔、擴孔的過程，有效地縮短了工作時間；二是HQ95繩索取心鉆具在?108 mm外管的保護下能更好地進行鉆進取心作業(yè)，提高了上部地層的巖心采取率；三是能有效地保護繩索取心鉆具的安全，提高成孔機率，降低廢孔風險，即使出現(xiàn)卡鉆事故，也可以留置?108 mm管在孔內作護壁套管，繩索取心鉆具照樣能安全提升，繼續(xù)鉆進；四是由于組合雙管繩索取心鉆具的剛度、質量大幅增加，有效地控制了鉆孔偏斜，提高了鉆孔質量。

4.2　鉆具制作注意事項

(1)在采用焊接法加工組合雙管變徑接手時要求保證內孔和外絲有較高的同心度，即?108 mm套管接箍內孔與鉆桿接手之間有較小的間隙配合，焊接時不能產生變形和扭曲，以保證?110 mm單管鉆具和HQ95繩索取心鉆具的同心度。

(2)要保證焊接部位牢固。在現(xiàn)場要求具有較好焊接水平的人員進行焊接，焊接時應做好各部位的冷卻處理工作，保證各部件不因焊接高溫產生脆變，影響使用效果或產生脫焊、扭斷等事故發(fā)生。

(3)?110 mm單管鉆頭與HQ95繩索取心鉆頭配合間隙不宜過大或過小，一般控制在超前9～10 mm，這樣能保證鉆進過程中邊打邊擴，鉆孔和擴孔同時進行既有利于保證鉆孔的同心度，又利于鉆頭的冷卻和排除巖屑。

(4)?110 mm單管鉆頭具有鉆孔和擴孔作用，但主要作用是擴孔，所以?110 mm單管鉆頭選用胎體硬度HRC35～40，金剛石濃度65%～80%的薄壁鉆頭。?110 mm單管鉆具選用厚壁鋼管，保證其材質的剛度。

(5)設計加工組合雙管繩索取心鉆具務必保持精準的同心度，保證主動鉆桿、HQ95繩索鉆桿、組合雙管鉆具三者在一條軸心線上。

4.3　鉆探操作技術要求

(1)上部覆蓋層和不穩(wěn)定地層，?130 mm開孔，采用干鉆或控制泵量保濕狀態(tài)鉆進，保證巖心采取率85%以上。

(2)安裝好第一級?127 mm套管后，做好孔口封閉工作，然后直接采用?110 mm—HQ95組合雙管繩索鉆具鉆進，要求開孔時一律采用全新?110 mm鉆頭、?95 mm鉆頭和擴孔器，避免后期更換鉆頭掃孔現(xiàn)象，鉆具入孔前應認真仔細檢查各部件的連接、鉆桿和內管彎曲和磨損量、鉆頭配合間隙及牢固程度。

(3)組合雙管繩索取心鉆具入孔前，應配制好鉆孔沖洗液，首先進行鉆孔沖冼，待孔內干凈后再觸底輕掃，不可一桿到底加壓鉆進，避免鉆頭損壞。

(4)掃孔接觸新層面后，開始應輕壓慢速鉆進，保證鉆孔的方位和頂角不偏斜。

(5)隨著鉆孔深度不斷增加，可適當調整鉆進壓力和鉆進速度。考慮該礦區(qū)淺部地層較破碎，沖洗液漏失嚴重，鉆進速度不宜過高。

(6)鉆進過程中應隨時觀察鉆進進尺變化，熟悉掌握各巖層分布規(guī)律，把控好巖心采取率，當鉆進速度過快時應立即提內管取心觀察，若巖心采取率偏低，應減少泵量，縮短鉆進進尺，避免盲目快速而漏失地層。當鉆進緩慢或不進尺時也應立即提內管取心觀察，分析清楚原因后再下鉆施工，避免巖心堵塞而造成巖心磨損，禁止鉆進緩慢時上下倒桿行為。

(7)當鉆進至穩(wěn)定地層后，安裝?108 mm套管，做好孔口和孔底的封閉工作，改用HQ95繩索鉆具鉆進，鉆進過程盡量保證三級口徑終孔。

4.4　沖洗液的選擇和使用

(1)前期沖洗液采用粘土粉、燒堿、水混合配制，在前期施工護壁堵漏效果不佳。

(2)后期沖洗液改進為腐植酸鉀、聚丙烯酰胺、鈉羧基纖維素和低熒光防塌劑等混合性泥漿，泥漿配方為：1 m3基漿+2.4 kg腐植酸鉀+0.8 kg聚丙烯酰胺+4 kg鈉羧基纖維素+3 kg防塌劑。泥漿性能參數(shù)為：密度1.08 g/cm3、粘度38 s、pH值9.0、失水量4 mL/30 min。保證鉆孔內液柱壓力和孔外壓力平衡或大致相當。其比例根據(jù)孔深、地層、地段變化而變化。

(3)做好泥漿循環(huán)系統(tǒng)布置、凈化工作，根據(jù)沖洗液漏失情況，及時補充新鮮泥漿，始終保持泥漿含砂率較小，具有一定的粘度、稠度。規(guī)定孔深到達一定深度時，每鉆進100 m，必須徹底更新泥漿。

(4)鉆孔提下鉆要勻速提升，嚴格控制提鉆下鉆速度和加速度，防止產生“激動”和抽吸現(xiàn)象，造成孔壁破壞。提鉆同時及時增補沖洗液，保持孔內壓力。

(5)對于漏失嚴重地段，每鉆進一個回次，選用聚丙烯酰胺、低熒光防塌劑、谷殼、木屑高濃度混合，采用沿鉆桿傾倒一定量后靜置1 h左右，開始鉆進。縮短了封孔等待和掃孔時間。這個階段一定要注意泥漿泵的維護保養(yǎng)工作。

5　鉆具改進后效益分析及對比

5.1　時間參數(shù)對比

前期施工ZK1126、ZK1127孔，設計孔深分別為580 m和620 m，其中15～160 m，采用?110 mm單管鉆具鉆進，耗費時間為19 d和22 d，終孔施工累計時間分別52 d和56 d，且?guī)r心采取率低，為補取巖心，這2個孔還分別補鉆80 m和100 m。ZK1231、ZK1208設計孔深分別為630 m和650 m，其中15～200 m，采用組合雙管繩索取心鉆進，施工時間為8 d，終孔施工累計時間分別39 d和40 d。鉆進效率對照詳見表1。

表1　鉆進效率對照

5.2　經濟指標對比

使用組合雙管繩索取心鉆進鉆孔在孔深0～200 m區(qū)段每米節(jié)約成本為:鉆孔沖洗液32元/m,動力(柴油電)16元/m，人工費5元/m，材料損耗及機械事故處理費15元/m，合計節(jié)約68元/m，單孔可節(jié)省成本13000多元。

5.3　地質參數(shù)對比

(1)使用組合雙管繩索取心鉆進的鉆孔頂角和方位角全部符合地質找礦要求。

(2)采用?110 mm單管鉆具鉆進巖心采取率只有70%～80%，有的甚至不達標，使用組合雙管繩索取心鉆進巖心采取率93%以上，該礦區(qū)找礦成果顯著，鉆探工藝得到了業(yè)主認可，探礦工程得到了良好的延續(xù)。

6　結語

(1)組合雙管繩索取心鉆具是在不斷總結過去失敗經驗的基礎上研制而成的，在該項目復雜破碎地層的鉆進中起到了很好的效果，具有較強的實用性。

(2)組合雙管繩索取心鉆具加工的關鍵是組合變徑接手。但由于該接手的加工工藝相對簡單，在野外也能自主加工，具有較強的操作性。

(3)組合雙管變徑接手取材容易，用現(xiàn)成的?95 mm繩索取心鉆桿接手和?108 mm套管接箍加工即可，成本相對低廉，成效顯著，具有一定的推廣示范作用。

(4)組合雙管繩索取心鉆具的應用，增大了鉆孔與鉆桿之間環(huán)狀間隙，減少了鉆進時鉆桿對孔壁的破壞，同時有利于沖洗液流動，排除巖粉巖渣干凈，從而減少了掉塊卡鉆，鉆孔坍塌、埋鉆事故。

(5)組合雙管繩索取心鉆具的應用，降低了材料成本，鉆機臺效得到明顯提高，提高了巖心采取率，找礦成果明顯提高，孔斜也得到較好的控制，既滿足了地質技術要求，又產生了較好的經濟效益和社會效益。