四川平武銀廠(chǎng)金礦勘探復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)

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。

1　礦區(qū)地質(zhì)概況

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。

2　鉆探施工質(zhì)量要求

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。

3　鉆探工藝

3.1　鉆探設(shè)備和機(jī)具[2]

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)

3.2　鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序

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　護(hù)壁與堵漏

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

4　復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)

4.1　繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)

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　繩索取心液動(dòng)錘應(yīng)用效果

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。

4.3　高密度低失水泥漿體系的應(yīng)用

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　跟管鉆進(jìn)技術(shù)

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。

5　經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)

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。