楊福全, 龍海濤
(云南冶金資源股份有限公司,云南 昆明 650000)
四川平武銀廠(chǎng)金礦區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,褶皺與斷裂發(fā)育,巖石十分破碎,鉆探施工中出現(xiàn)漏失嚴(yán)重、縮徑、垮孔、巖心采取率低等一系列難題,導(dǎo)致鉆探效率低、成本高、事故頻發(fā)、鉆孔質(zhì)量差。針對(duì)施工難題,通過(guò)在生產(chǎn)實(shí)踐中的不斷摸索,結(jié)合礦區(qū)地層條件,總結(jié)了在礦區(qū)施工行之有效的施工工藝方法,即使用繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)、高密度低失水泥漿體系、跟管鉆進(jìn)等工藝技術(shù)方法,在鉆探施工中取得了良好的效果。
四川銀廠(chǎng)金礦區(qū)位于后龍門(mén)山中段,大地構(gòu)造上處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西北緣,秦嶺褶皺系西段南緣和松潘-甘孜褶皺系東南端的3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元的交接地帶[1]。由于所處大地構(gòu)造位置比較復(fù)雜,礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂、揉皺、層理、破劈理、節(jié)理、斷層和斷層接觸帶十分發(fā)育。礦區(qū)圍巖蝕變十分強(qiáng)烈,且泥頁(yè)巖十分發(fā)育,覆蓋層巖層主要為強(qiáng)風(fēng)化的泥質(zhì)灰?guī)r和板巖,礦體圍巖主要有薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、頁(yè)巖、厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r、長(zhǎng)石石英雜砂巖、板巖、白云巖及薄、厚層灰?guī)r。
鉆孔設(shè)計(jì)深度200~500 m,傾角54°~71°。終孔口徑≮75 mm,方位和傾角每50 m測(cè)量一次,且允許彎曲度均為每100 m不大于1°,平均巖心采取率≥90%,近礦圍巖和礦心采取率≥95%。巖心采取率要求高。
根據(jù)設(shè)計(jì)鉆孔傾角小的特點(diǎn),采用適合施工小角度的阿特拉斯C6型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)和XY-44T塔機(jī)一體巖心鉆機(jī)(見(jiàn)圖1),BW-250型泥漿泵;主要使用無(wú)錫中鉆地質(zhì)裝備有限公司生產(chǎn)的Q系列鉆桿和鉆具,其主要規(guī)格參數(shù)如表1所示。根據(jù)技術(shù)要求,礦區(qū)統(tǒng)一采用BZM-R單點(diǎn)照像測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)斜,其主要技術(shù)參數(shù):(1)傾角測(cè)量范圍0°~90°,精度0°~0.25°;(2)方位測(cè)量范圍0°~360°,精度±0.5°;(3)外徑27~35 mm;(4)適用鉆孔深度≤4000 m。
圖1 施工鉆機(jī)
根據(jù)礦區(qū)地層條件和施工經(jīng)驗(yàn),鉆孔采用?139.7 mm單管開(kāi)孔,并下入?139.7 mm作為孔口管;接著換PQ繩索鉆穿覆蓋層至基巖后下?108 mm套管;換用HQ繩索鉆進(jìn)穿過(guò)復(fù)雜垮孔、縮徑、漏失地層,下入?89 mm套管;最后用NQ繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)至終孔。
3.3.1泥漿工藝
表1 Q系列鉆具主要規(guī)格參數(shù)
巖石完整孔段泥漿配方:采用低固相泥漿,0.5%鈉基膨潤(rùn)土+0.015%火堿+0.3%改性泥漿穩(wěn)定劑+0.4%硝基鐵鉀泥頁(yè)巖抑制劑+0.5%羧甲基纖維素+0.4%防卡護(hù)壁C型潤(rùn)滑劑+0.05%聚丙烯酰胺。泥漿性能:pH值保持9,密度1.03 g/cm3,漏斗粘度24~26 s。主要考慮泥漿的潤(rùn)滑和保護(hù)孔壁穩(wěn)定性的性能,低固相泥漿有利于繩索取心液動(dòng)錘的工作,且能夠保證鉆頭的使用壽命。
泥頁(yè)巖發(fā)育、地層不穩(wěn)定的復(fù)雜地層孔段的泥漿工藝在下文做詳細(xì)介紹。
3.3.2堵漏
由于礦區(qū)地層裂隙十分發(fā)育,所施工的鉆孔均存在不同程度的漏失,現(xiàn)場(chǎng)采用鋸末堵漏的方法,具體操作步驟:把鋸末和聚丙烯酰胺攪拌成稠糊狀,從孔口鉆桿投入孔內(nèi)(圖2),開(kāi)泵送沖洗液,使鋸末隨沖洗液的流動(dòng)充填于裂隙中,順利返漿液后鉆進(jìn)(圖3),達(dá)到堵漏的目的[4]。
圖2 現(xiàn)場(chǎng)投入鋸末堵漏
受地質(zhì)構(gòu)造影響,礦區(qū)地層巖石極其破碎,施工中巖心易堵塞,回次進(jìn)尺少,打撈頻繁,導(dǎo)致純鉆進(jìn)時(shí)間低,臺(tái)鉆效率低,地層各向異性強(qiáng),孔斜偏差大。對(duì)此,使用了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的SYZX75型繩索取心式液動(dòng)錘,在礦區(qū)施工中克服了破碎地層巖心堵塞嚴(yán)重、內(nèi)管打撈頻繁的現(xiàn)象,提高了回次進(jìn)尺和鉆進(jìn)效率,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了孔斜[5]。SYZX75型繩索取心式液動(dòng)錘性能參數(shù)[6]為:S75配套繩索鉆具,沖錘行程15~25 mm,自由行程5~8 mm,工作泵量60~90 L/min,工作泵壓0.5~2.0 MPa,沖擊頻率25~40 Hz,沖擊功10~50 J,長(zhǎng)度5200 mm。
圖3 堵漏后返漿
4.2.1提高回次進(jìn)尺
為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有對(duì)比性,在礦區(qū)同一鉆孔ZK1905孔進(jìn)行了普通繩索取心與繩索取心液動(dòng)錘取心鉆進(jìn)的對(duì)比試驗(yàn),其鉆進(jìn)效果見(jiàn)表2。通過(guò)表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出,繩索取心液動(dòng)錘取心鉆進(jìn)平均回次進(jìn)尺明顯高于普通繩索取心鉆進(jìn),其原因是液動(dòng)錘工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)產(chǎn)生解卡作用,防止了鉆進(jìn)破碎地層時(shí)巖心堵塞的現(xiàn)象,達(dá)到了提高回次進(jìn)尺的目的[7]。
表2 平武金礦區(qū)破碎地層鉆進(jìn)效果對(duì)比
4.2.2降低孔內(nèi)事故
高校作為高等教育基地,作為最高學(xué)術(shù)火花交流碰撞產(chǎn)生之地,每一個(gè)有價(jià)值的、具有創(chuàng)新意識(shí)的結(jié)果都應(yīng)該被認(rèn)可和尊重,在這一方面不應(yīng)分學(xué)術(shù)科研教師和行政工作者,每個(gè)人因崗位不同而創(chuàng)造的價(jià)值不同,但是每一個(gè)成果都該被尊重,只有這樣才能讓員工感覺(jué)到自身的價(jià)值,調(diào)動(dòng)工作的積極性,提高工作效率,從而消除職業(yè)倦怠[3]。
平武礦區(qū)ZK1905孔采用普通繩索取心鉆進(jìn)時(shí),因地層巖石非常破碎,鉆進(jìn)中鉆桿回轉(zhuǎn)阻力極大,出現(xiàn)“憋車(chē)”現(xiàn)象,卡鉆現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常發(fā)生,導(dǎo)致鉆桿折斷。使用繩索液動(dòng)錘后,此種現(xiàn)象得到了較好解決。繩索液動(dòng)錘采用小規(guī)程參數(shù)鉆進(jìn),避免了孔內(nèi)鉆具對(duì)不穩(wěn)定地層的擾動(dòng)和破壞。此外,繩索液動(dòng)錘工作產(chǎn)生的振動(dòng)起到了一定的解卡作用,卡鉆事故明顯減少。
礦區(qū)地層構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng),泥頁(yè)巖和斷層泥發(fā)育(圖4),泥頁(yè)巖水化膨脹造成鉆孔垮塌、縮徑,究其原因是地層失穩(wěn)壓力釋放,因此必須采用密度較高、低失水泥漿平衡地層壓力,實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)。
圖4 泥頁(yè)巖和斷層泥巖心照片
泥漿配方:2.5%鈉基膨潤(rùn)土+0.015%火堿+0.5%改性泥漿穩(wěn)定劑+0.8%硝基鐵鉀泥頁(yè)巖抑制劑+0.5%羧甲基纖維素+0.4%防卡C型潤(rùn)滑劑+0.02%聚丙烯酰胺(圖5)。
圖5 現(xiàn)場(chǎng)攪拌的泥漿
泥漿性能:pH值保持9,密度1.1~1.15 g/cm3,漏斗粘度35~50 s,濾失量<8 mL。該泥漿體系因密度高、失水量低的特點(diǎn),既能較好地抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹,又能很好地平衡地層壓力,實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)。施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)地層情況靈活調(diào)節(jié)改性泥漿穩(wěn)定劑的加量,調(diào)節(jié)密度。使用該泥漿體系后,減少了掃孔工作量,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了垮塌、縮徑導(dǎo)致的孔內(nèi)事故。
4.4.1跟管原理
針對(duì)礦區(qū)地層破碎、漏失、掉塊、鉆孔縮徑等施工難題,經(jīng)過(guò)反復(fù)研究,采用跟管鉆進(jìn)技術(shù)施工。其鉆進(jìn)原理實(shí)質(zhì)上是鉆進(jìn)→擴(kuò)孔→鉆進(jìn)→擴(kuò)孔的一個(gè)循環(huán)過(guò)程,在擴(kuò)孔過(guò)程中,不起出孔內(nèi)的鉆桿。能夠?qū)崿F(xiàn)跟管的原理主要如下[8]:(1)采用繩索取心與跟管結(jié)合,解決巖心采取問(wèn)題;(2)套管前端安裝跟管鉆頭,套管柱在鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔;(3)采用多層套管跟管,能夠解決跟管鉆頭壽命短的問(wèn)題。
4.4.2跟管工藝
選擇?110 mm跟管鉆具(?108 mm套管、?110 mm金剛石跟管鉆頭)和?91 mm跟管鉆具(?89 mm套管、?91 mm跟管鉆頭)各一套,配合HQ、NQ繩索取心鉆具使用,施工流程如下。
(1)使用?139.7 mm開(kāi)孔并作孔口管。
(2)使用PQ鉆進(jìn)施工結(jié)束后,下入?110 mm跟管鉆具。
(3)使用HQ繩索取心鉆具正常鉆進(jìn),當(dāng)孔內(nèi)垮塌、縮徑等復(fù)雜情況出現(xiàn)造成負(fù)荷增大時(shí),取出HQ繩索取心鉆具,用主動(dòng)鉆桿接上?108 mm套管擴(kuò)孔至HQ鉆具施工孔深,換用HQ繼續(xù)鉆進(jìn)取心,一直重復(fù)該過(guò)程,直到跟管鉆頭磨損不進(jìn)尺或套管擴(kuò)孔扭矩過(guò)大無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行時(shí)停止該過(guò)程。
(4)NQ繩索取心鉆具與?91 mm跟管鉆具配合使用鉆進(jìn),與(3)方法相同。
(5)進(jìn)入孔壁穩(wěn)定地層采用NQ繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。
針對(duì)平武銀廠(chǎng)金礦區(qū)復(fù)雜特殊的地質(zhì)條件,經(jīng)過(guò)在施工中的不斷實(shí)踐與探索,得到如下復(fù)雜地層施工的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)。
(1)采用繩索取心液動(dòng)錘,能夠有效解決破碎取心難、自然造斜強(qiáng)且為上漂的地層施工難題,但必須做好液動(dòng)錘的維護(hù)和泥漿的使用。
(2)對(duì)于泥頁(yè)巖發(fā)育、鉆孔縮徑地層,利用泥漿的高密度平衡地層壓力,實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)。低失水泥漿減輕泥頁(yè)巖遇水水化作用,保持地層的穩(wěn)定性,有利于鉆進(jìn)施工。
(3)針對(duì)垮塌、破碎、縮徑地層,采用跟管鉆進(jìn)使套管實(shí)時(shí)跟進(jìn)達(dá)到護(hù)壁作用。跟管鉆進(jìn)宜采用全液壓鉆機(jī),因全液壓鉆機(jī)行程長(zhǎng),擴(kuò)孔過(guò)程中相對(duì)于立軸鉆機(jī)倒桿次數(shù)少,能夠減少對(duì)地層的擾動(dòng),有助于保持孔壁的穩(wěn)定。
(4)漏失地層可采用惰性材料(鋸末、核桃殼等)堵漏、結(jié)合跟管鉆進(jìn)套管護(hù)壁,能夠達(dá)到較好的堵漏效果。