寧夏正義關石英巖狀砂巖鉆探工藝探討

巫建彰，高金平，劉 雷

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊，寧夏 銀川 750021）

寧夏硅石礦資源分布廣泛，資源量豐富，是寧夏的優(yōu)勢礦種之一。寧夏區(qū)內(nèi)尚有大量的硅石礦資源可進一步勘查開發(fā)利用。

寧夏石嘴山市正義關鄂博梁硅石礦詳查項目①“寧夏石嘴山市正義關鄂博梁硅石礦詳查項目”(文件編號：寧國土字發(fā)[2010]209號)。是由中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊于2010～2011年承擔并實施的寧夏第二批地質(zhì)勘查基金項目，礦區(qū)位于賀蘭山北段正義關溝南側，行政區(qū)劃隸屬寧夏石嘴山市惠農(nóng)區(qū)管轄。該項目設計鉆探工作量為1 296m/6孔，工作量雖然不大，但是寧夏地區(qū)首次在硅石礦區(qū)實施鉆探工作，礦區(qū)礦石中的主要化學成分為SiO2，最高含量為99.66%，最低含量為95.79%，屬典型的石英巖狀砂巖礦床。

1 礦區(qū)地質(zhì)概述

礦區(qū)地層呈單斜層狀產(chǎn)出，總體走向為北東—南西向，傾向北西，傾角15～38°。礦區(qū)構造簡單，次一級褶皺構造不發(fā)育，屬褶皺構造簡單類型；斷裂構造較發(fā)育，主要有北東向和南北向兩組斷裂構造構成礦區(qū)斷裂構造體系，這些斷裂構造對礦體產(chǎn)生了程度不同的破壞作用。硅石礦層賦存于元古界長城系黃旗口組上巖性段(Pth2)，巖性以白、淺灰白色中細粒石英巖狀砂巖為主，礦石質(zhì)量穩(wěn)定，礦層連續(xù)性較好，礦石類型簡單。

礦區(qū)內(nèi)石英巖狀砂巖屬沉積性礦床，受區(qū)域地質(zhì)構造作用，裂隙較為發(fā)育，應屬裂隙性巖石。從巖石力學基本性質(zhì)來看，石英巖狀砂巖屬高強度、堅硬、彈脆性巖石，具中等研磨性，在回轉鉆進條件下可鉆性分級為Ⅺ-Ⅻ級。

2 鉆探設備、泥漿及堵漏材料

本礦區(qū)內(nèi)所使用的鉆機為XY-4型和XY-44型兩種，泥漿泵型號為BW150和BW250。

泥漿及堵漏材料為鈉土粉、植物膠CT、火堿、腐植酸鉀(KHA)、803大裂隙堵漏劑、鋸末、石膏粉、黃油等。

3 鉆探工程完成情況

本礦區(qū)施工條件較差，鉆孔所在位置與大型車輛可達位置地形高差100～250m，供水管線長1～2km，鉆探用水使用附近煤礦礦坑水。礦區(qū)巖層裂隙較發(fā)育，所有孔位地層均漏水嚴重，鉆探巖心采取和護壁較為困難，施工和地層條件的惡劣導致本礦區(qū)的鉆探工程施工進展緩慢。

3.1 前期施工難點和施工情況

礦區(qū)內(nèi)石英巖狀砂巖具有堅硬、打滑、破碎三大特點，這些鉆探難題給鉆探工作造成了極大的困擾。2010年完成鉆孔3個，總進尺約490m，平均鉆探工作日效率僅為5.35m/d。

針對堅硬、打滑這兩個礦區(qū)基巖本身力學性質(zhì)所具鉆探難點，鉆探隊伍最初按照常識簡單選用低胎體硬度、粗顆粒金剛石鉆頭，使用中發(fā)現(xiàn)易損壞、易磨損、壽命短。后期使用鉆頭生產(chǎn)廠家根據(jù)礦區(qū)巖石選配的鉆頭，鉆進效率和使用壽命有了較大的提高。

本礦區(qū)鉆探難解決的是因地層破碎產(chǎn)生的相關問題，幾乎全部鉆孔在使用清水及低固相泥漿鉆進時均不返漿，巖心采取率不易保證，鉆孔護壁的難度較大。鉆孔內(nèi)掉塊和探頭石頻頻出現(xiàn)，由于巖石本身非常堅硬，這些掉塊和探頭石極難處理。小的掉塊掉落在鉆桿與孔壁之間，常造成別車或卡鉆事故；大的掉塊常卡在鉆孔半空，致使下鉆困難，往往需要用鉆具低壓慢轉進行掃孔，一旦被推至孔底，鉆頭在上面壓不住時掉塊會跟隨鉆頭一起轉動，難以進尺。探頭石多呈活石狀態(tài)，在鉆探施工過程中經(jīng)常造成下鉆困難上鉆也困難的情況，下鉆時遇阻，鉆頭將其切掉一部分，提鉆時它可能從另一個角度又探出，造成提鉆困難或卡鉆事故。掉塊和探頭石反復出現(xiàn)，造成鉆探效率很低，嚴重影響了鉆探進度。針對硬巖地層只能用金剛石鉆頭反復掃孔，造成了大量的人力、時間、鉆頭和泥漿材料的消耗。據(jù)統(tǒng)計，ZK-02號鉆孔完成孔深161.14m，僅鉆頭消耗就達55只。

3.2 后期鉆探完成情況

根據(jù)前期施工情況，本礦區(qū)鉆探需解決的問題：一是礦區(qū)地層堅硬、打滑，鉆頭易損；二是鉆進鉆孔護壁。第一個問題已經(jīng)有了比較好的解決方案，即：選用適應礦區(qū)堅硬、打滑地層的鉆頭，保證鉆進效率；第二個問題的解決就是針對本礦區(qū)石英巖狀砂巖地層的破碎情況，因其屬裂隙較為發(fā)育，巖石保持了大巖塊狀的特點，因此護壁的核心在于防止鉆孔漏水和巖塊掉落，而不是防止孔壁塌落，基于這樣的認識，鉆探隊伍綜合運用套管、泥漿和泥球護壁這幾個手段對鉆孔進行時時維護，達到了鉆探施工順利有序進行的目的。2011年完成鉆孔3個，總進尺約667m，平均鉆探工作日效率為11.38m/d；雖然效率仍較低，但基本順利完成了工作任務。

4 后期鉆探工藝及鉆探方法

4.1 鉆孔結構

優(yōu)化鉆孔結構，避免復雜的鉆孔結構帶來復雜的孔內(nèi)事故。鉆孔結構基本上是以φ110mm或φ91mm鉆頭開孔，鉆穿第四系或風化層，進入完整基巖2～5m下入孔口套管，用水泥固封；再換φ75mm鉆頭鉆進至終孔。

4.2 鉆具

礦區(qū)內(nèi)各鉆孔主要使用φ75～φ110繩索取心金剛石單動雙管鉆具。在本礦區(qū)的鉆進中，平均巖心采取率在85%以上。

4.3 鉆頭

在施工過程中，根據(jù)本礦區(qū)硅石的物理力學特征，參考2010年度的施工經(jīng)驗，主要選用了與該礦區(qū)巖性相適配的人造孕鑲金剛石鉆頭，其特點如下：

(1) 金剛石鉆頭唇面形式：根據(jù)巖石堅硬、打滑的特性，主要采用掏槽式、同心圓尖齒形，可以在適當鉆壓下保證較高的壓入力，增加鉆頭底部與基巖的摩擦阻力，減少打滑造成的切削力損失。

(2) 金剛石品級、粒度、濃度：依據(jù)本礦區(qū)硅石的硬度和研磨性，選用金剛石品級為D70和D80、粒度30～40目、濃度75%～100%。

(3) 胎體硬度：經(jīng)過礦區(qū)鉆探隊伍在實踐中多次使用比較，在硅石地層使用的金剛石鉆頭胎體硬度在15～25之間是比較合適的。

4.4 鉆進技術參數(shù)

繩索取心金剛石鉆進：鉆壓9～12kN，轉速400～800r/min，泵量40～90L/min。

鉆壓過低，金剛石出刃不易切入巖石，會產(chǎn)生打滑；鉆壓過高，金剛石出刃容易被壓碎，使鉆頭過早報廢；孕鑲金剛石鉆頭切削巖石，以磨削為主，在設備能力允許的情況下，盡可能用較高轉速，轉速太低進尺緩慢，若轉速過高容易對孔壁造成破壞；泵量太小排巖粉不利，泵量太大沖刷孔壁，易造成孔壁失穩(wěn)，選擇適當?shù)你@進參數(shù)對鉆探施工效率至關重要。

4.5 鉆孔護壁

鑒于本礦區(qū)基巖的特殊性，為防止經(jīng)常出現(xiàn)的掉塊和探頭石對鉆進工作的影響，必須邊鉆邊護。在后期的鉆探施工中，將堵漏及護壁當作鉆探的一個工序來做，有效地防止了孔壁掉塊和探頭石，保障了鉆探工作的順利進行。主要用投泥球法，其具體做法是：每鉆進一個回次(一般進尺3m左右)，在停鉆取心時，從孔口向鉆桿內(nèi)投入已經(jīng)制備好的泥球(由優(yōu)質(zhì)膨潤土+鋸末+堵漏劑+聚丙烯酰氨組成，用熬過的黃油與前述干粉材料進行充分攪拌后摶成，直徑＜30mm)，投入孔內(nèi)后合車，不送水，讓鉆機帶動鉆具慢速回轉并上下反復攢動，每次攪動大約10min，然后開始正常鉆進。這種做法能達到兩個目的，一是將稠泥擠入孔壁裂隙，堵漏、防止掉塊和探頭石產(chǎn)出；另一個是將稠泥“糊”在孔壁上起到護壁的作用。加了黃油的泥球具有良好的潤滑性，能有效降低鉆桿與孔壁的摩擦力。

在鉆進中使用了優(yōu)質(zhì)膨潤土及其他泥漿材料配制的優(yōu)質(zhì)較低固相泥漿，有效的維護了孔壁穩(wěn)定性，這也是本礦區(qū)后期鉆孔護壁的關鍵措施。

本礦區(qū)后期鉆進的另外一項行之有效的措施就是在鉆桿外壁涂抹黃油，以減小鉆桿和孔壁的摩擦阻力，有效減小孔壁巖石對鉆具的磨損，減少了鉆具回轉對孔壁碎塊的擾動，降低了鉆機動力損耗，提高了生產(chǎn)效率。

4.6 前后期鉆探施工效果比較

針對本礦區(qū)地層堅硬、打滑、漏水的特點，前期的鉆探施工沒有采取有效的鉆探工藝和方法，浪費了大量的時間和人力物力，輔助時間占比太高，鉆進效率較低。后期，鉆探隊伍根據(jù)地層特點，制定了比較系統(tǒng)的施工方案，從鉆探材料準備、鉆探工藝、鉆孔堵漏護壁幾個方面做了比較充分的準備，有效地減少了輔助時間，工作時間得到合理的利用，取得了較高的鉆進效率和良好的施工效果。現(xiàn)選擇本礦區(qū)前、后期施工的各2個鉆孔進行鉆探效率統(tǒng)計，比較前、后期鉆探施工效果(見下表)。

前、后期鉆探施工效果比較

5 結語

(1) 選擇合理的鉆進參數(shù)。在巖心鉆探施工過程中，應該根據(jù)轉速調(diào)整鉆壓、泵量等鉆進參數(shù)。中—堅硬巖石地層主要以磨削為主，在地層條件容許和機械動力足夠的情況下，盡可能開比較高的轉速，配合適當?shù)你@壓、泵量，可以產(chǎn)生較高的生產(chǎn)效率。

(2) 根據(jù)地層的物理力學特性選擇合適的鉆頭。因為礦區(qū)地層的物理力學特性在深度和鉆孔所處位置上會有一定的變化，因此，盡量與地質(zhì)技術人員溝通，向廠家提供幾件比較有代表性的巖石樣品，鉆頭生產(chǎn)廠家會根據(jù)客戶提供的巖石樣品設計生產(chǎn)出適宜礦區(qū)地層的鉆頭，以便能適時調(diào)換鉆頭，這也是保證生產(chǎn)進度的關鍵因素。

(3) 采取有效的手段解決鉆孔護壁的問題。鉆孔的穩(wěn)定性是鉆探施工能否正常有序進行的重要因素，選用優(yōu)質(zhì)的泥漿材料、配制高性能的泥漿、采用合理的綜合堵漏護壁措施，是實現(xiàn)地質(zhì)勘查巖心鉆探安全高效的必要條件。

(4) 據(jù)資料及業(yè)內(nèi)人士實踐經(jīng)驗，對于堅硬打滑地層，使用液動沖擊錘技術可以大幅提高鉆進效率，建議試用。