河南省寺家溝銀多金屬礦區(qū)復雜地層繩索取心鉆進技術

時志興

(河南省有色金屬地質礦產局第一地質大隊，河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省陜縣寺家溝礦區(qū)是河南省有色金屬地質礦產局重點項目，布置鉆探工作量28000多米，多為斜孔，但對礦體的控制程度，未“探邊摸底”，沒有完全確定礦體的連續(xù)性，而且礦脈較多，對礦脈的深部驗證鉆孔較少，特別是可以兼顧施工多條礦脈的鉆孔。為綜合研究平行礦脈之間的成礦地質特征及其相互之間的關系，摸清其產狀，加強控制，為礦山儲備更多的優(yōu)質后備資源，加強深部探礦驗證，布置了孔深900 m的ZKS001鉆孔。該孔位于山溝與河溝交叉地帶，巖層破碎，地下水豐富，存在漏水、涌水、縮徑等復雜地層，且鉆探施工人員盲目追求進度，導致多次發(fā)生鉆探事故，延誤工期，造成重大損失。

1 礦區(qū)概況及地層情況

勘查區(qū)位于三門峽市南，直距約30 km，行政區(qū)劃隸屬于陜州區(qū)張村鎮(zhèn)及店子鄉(xiāng)管轄，屬秦嶺山系之崤山山脈，山勢陡峻，相對高差較大，海拔最高1265 m，最低825 m，一般在1000 m左右，比高400 m，屬中低山區(qū)?？傮w地勢南高北低，山系與溝谷總體為南北向走向。區(qū)內野喬河常年有水，水利資源比較豐富，可以滿足未來礦山生產、生活用水之需求。近礦區(qū)的張村鄉(xiāng)和店子鄉(xiāng)有20萬伏高壓輸電線通過，電力資源充足。

崤山地區(qū)屬典型的變質核雜巖構造體系，本區(qū)醒目的構造形跡為近東西向的崤山短軸隆起，四周構成向外傾伏的寬背斜。核部由太華群地層組成，翼部由熊耳群地層組成，地層傾角在30°～60°內變化。斷層構造發(fā)育，主要為沿不整合面的拆離斷層、近東西向、北西-北北西向及北北東-北東向的次級斷裂構造。

區(qū)內地層較單一， 第四系主要為黃土層、砂礫石、亞砂土、殘坡積物及腐殖質，分布在溝谷中，厚度不等。太華群地層大面積出露，僅溝谷兩側分布第四系腐殖質、沖洪積物。

太華群地層為一套中深變質程度的片麻雜巖，分布全區(qū)，巖性主要為黑云斜長片麻巖、混合花崗巖、斜長角閃巖、斜長角閃片麻巖、變粒巖及綠泥片巖等。

巖層可鉆性等級7～10級[1]，巖石具有較強研磨性；地層中上部堅硬破碎，下部較為完整，局部破碎。

2 鉆孔設計及質量要求

ZKS001孔設計孔深900 m，直孔，終孔口徑≥75 mm。巖心分層采取率≥70%。礦層及礦層頂底板5 m內的巖石采取率≥80%，連續(xù)5 m低于80%時，應查明原因，采取補救措施。每50 m和見礦位置及終孔進行彎曲度測量，準確記錄其方位角和天頂角，直孔≤2°/100 m，斜孔≤3°/100 m[1-2]。

3 主要施工難點

(1)巖層裂隙發(fā)育、多處孔段漏失、巖心堅硬破碎、取心困難，鉆具易磨損，特別是對金剛石鉆頭內口磨損最快，如圖1、圖2所示。

(2)在83.75～335.6 m多層涌水，194 m以淺涌水嚴重，水可以從孔口冒出，對沖洗液造成破壞，導致護壁困難，掉塊嚴重，引發(fā)事故，如圖3、圖4所示。

圖1 內口磨損的金剛石鉆頭Fig.1 Diamond bit with inside wear

圖2 磨損的鉆桿接手Fig.2 Wear of drill pipe adapter

圖3 斷裂的擴孔器Fig.3 Broken reaming shell

(3)200～500 m多處有多層構造帶，其中3處比較厚，最厚一層達22.02 m，中間含有綠泥石等水敏性成分，吸水膨脹，造成鉆孔縮徑嚴重。構造帶巖心如圖5所示。

4 鉆探工藝及技術處理措施

4.1 鉆探設備

HXY-44T型塔機一體鉆機：額定鉆進深度700～1400 m，立軸最大扭矩3200 N·m，立軸行程600 mm，立軸最大起拔力120 kN，立軸最大給進力90 kN，卷揚機最大提升力45 kN，柴油機功率50 kW，轉速81～958 r/min[1]。

圖4 斷裂的鉆桿接手Fig.4 Broken drill pipe adapter

圖5 構造帶巖心Fig.5 Cores from the tectonic belt

BW-250型水泵：缸套直徑65、80 mm兩種，泵量35～250 L/min，泵壓2.5～7.0 MPa。內加厚普通?50 mm鉆桿及配套?108 mm鉆具，地標S75、S95繩索取心鉆桿及其配套鉆具，木馬自重夾持器，KXP-D(S)數字羅盤測斜儀[1]。

4.2 鉆孔結構及鉆具級配

由于鉆場比較平坦，硬化后穩(wěn)定，上部覆蓋層很少，所以鉆孔結構采用?113 mm-?94 mm-?75 mm，鉆具級配為?50 mm-?108 mm-?113 mm[3-4]、?89 mm-?89 mm-?94、71 mm-?73 mm-?75 mm，沒有預留口徑。

4.3 鉆探方法及技術處理措施

上部巖層主要為斜長角閃巖，嚴重風化，裂隙發(fā)育，硬度不均，非常破碎，可鉆性等級為6～7[2]，取心困難。采用單管普通金剛石鉆進，孕鑲金剛石鉆頭HRC20～25，低轉速、低鉆壓、控制回次方法鉆進，以保證巖心采取率，2016年11月16日開鉆，主要采用清水鉆進，加入少量聚丙烯酰胺處理劑，11月19日鉆進孔深38.65 m，為防止孔口坍塌下入?108 mm套管38.80 m。

換用S95繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進，巖層主要為斜長角閃巖和混合花崗巖互層，堅硬破碎，可鉆性等級為7～9[1-2]，低轉速、適當加大鉆壓、主要用清水鉆進，加少量聚丙烯酰胺處理劑及0.1%[5-6]高粘度纖維素、控制回次進尺，提高巖心采取率。

鉆頭主要采用孕鑲金剛石鉆頭HRC20～25，但在使用過程中磨損嚴重，胎體太軟容易磨損，胎體硬度太大進尺緩慢，引起鉆頭掉塊，損壞鉆頭。由于巖層硬、脆、碎，鉆桿接手、鉆具、金剛石鉆頭磨損嚴重，鉆頭鉆進效率低，且多次引起鉆桿斷裂事故[7-8]。在鉆進過程中，巖層破碎、漏失水、多處涌水，嚴重破壞沖洗液，使沖洗液基本喪失護壁功能，巖層多處有夾層，吸水膨脹，鉆孔縮徑，最終鉆孔嚴重掉塊坍塌，造成埋鉆事故，經多次處理無效，鉆孔報廢。

經專家研究，一致同意鉆孔向山體方向移動15 m，地層應該相對更為完整穩(wěn)定。同時加強鉆進技術力量，采用穩(wěn)妥方法鉆進，謹慎慢打，在25.35 m處下入?108 mm套管，換徑繼續(xù)鉆進，鉆進參數見表1。

表1 單管普通金剛石鉆進參數[1-2]Table 1 Conventional diamond drilling parameterswith single-tube core barrels

但是由于沒有引起足夠重視，繼續(xù)采用清水加入聚丙烯酰胺處理劑及0.1%高粘度纖維素鉆進，在鉆進196.46 m時，同樣的問題又出現(xiàn)了，漏失、掉塊、涌水，鉆孔坍塌，導致埋鉆，后經多次處理，鉆桿用公錐打撈上來，采用磨孔鉆頭磨失鉆具。由于此方法存在很大安全隱患，因此下入?89 mm套管，換用?77 mm繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進，但是在遇到夾層鉆孔縮徑后，再也難以繼續(xù)鉆進。

根據地層情況，隨決定采用優(yōu)質沖洗液鉆進，優(yōu)化鉆進參數，主要鉆進參數參見表2。

表2 繩索取心金剛石鉆進參數[1-2，4]Table 2 Wire line diamond drilling parameters

在鉆孔中上段巖層主要為斜長角閃巖、混合花崗巖、蝕變帶以及構造破碎帶，間夾石英脈，含少量水敏礦物綠泥石，特別是在構造破碎帶，為塊狀、泥狀構造，巖心破碎，吸水膨脹，風化即碎，非常容易造成鉆孔縮徑、坍塌[9-10]，且厚度10～20 m，不易穿過。

構造帶地層主要表現(xiàn)為鉆孔縮徑、易分散、巖屑量大，要求沖洗液失水量小，抑制能力強，對孔壁毛細管道通道具有封堵作用，泥皮薄，韌性好，很好的流變性能，且有強的攜帶巖粉能力，繩索取心鉆進要求沖洗液具有高效潤滑作用，固相含量少或無固相含量，具體沖洗液配比為：1%鈉基膨潤土+1%～1.5%護壁劑+0.4%～0.6% 06型高效潤滑劑+0.4%～0.6%高粘CMC+0.5%防塌劑。

沖洗液性能：粘度22～26 s，密度1.02～1.04 g/cm3，失水量≯6 mL/30 min，pH值8～9，泥皮厚度<0.5 mm[6,11]。

使用優(yōu)質沖洗液后，鉆孔得以繼續(xù)施工，由于存在涌水，對沖洗液破壞很大，要不停的補充、更換沖洗液，并專人監(jiān)測沖洗液，保證沖洗液的性能。在順利施工到484 m后，巖心相對比較完整，對沖洗液監(jiān)測放松了警惕，沖洗液被稀釋，粘度明顯不足，根本達不到護壁要求。再次下鉆時，上部構造帶部位395 m處膨脹縮徑，鉆具下不去。重新更換沖洗液，進行掃孔，得以順利穿過，未造成更大事故。

在穿過最后一層構造帶后，鉆孔巖層相對比較完整，局部破碎，主要成分為斜長閃長巖、混合花崗巖互層，間夾蝕變帶。由于鉆孔加深，阻力變大，鉆進過程中要適當降低轉速，加大泵壓[11-12]。巖層穩(wěn)定單一，只要認真管理好沖洗液，維持沖洗液性能，保護好上部孔壁穩(wěn)定，就可以按正常鉆進順利施工，經過122 d施工，在900.49 m達到地質目的終孔。

5 本孔鉆探主要問題及鉆探技術措施

5.1 巖層裂隙發(fā)育、堅硬破碎、漏水、涌水

在裂隙發(fā)育、堅硬破碎巖層鉆進，容易發(fā)生卡鉆、掉塊事故，且不易取心或巖心采取率低。一般遇到這類地層慢速、輕壓穿過[13-14]?？ㄣ@、掉塊嚴重可用水泥封孔，根據地層情況鉆進到相對完整地層下入套管處理。適當降低鉆速，控制回次進尺，減小沖洗液量以提高巖心采取率，并且減少人為因素和機械因素，避免巖心不必要磨損。本礦區(qū)由于施工技術措施得當，大大提高了巖心采取率，巖心采取率平均90%以上。

礦區(qū)鉆孔主要是裂隙性漏水，由于水源充足，多采用頂漏鉆進，且漏失位置多在鉆孔上部，下入第一層套管就可以堵漏，或者使用水泥封堵。主要問題是該鉆孔涌水，涌水嚴重破壞沖洗液性能，使其失去護壁功能和攜帶巖粉能力，導致鉆孔內掉塊時有發(fā)生，重復鉆進，影響進尺，更為嚴重的是鉆孔巖層非常破碎，坍塌、卡鉆，引起多次鉆桿斷裂事故和卡埋鉆事故，最終導致了鉆孔報廢。而且沖洗液不能起到有效潤滑作用，加重鉆具磨損，甚至引起燒鉆事故[3,6]。

處理涌水事故一般用加重沖洗液鉆進，但加重沖洗液不適合繩索取心鉆進，繩索取心鉆進鉆孔與鉆具環(huán)狀間隙小，要求使用無固相或低固相沖洗液，而加重沖洗液固相含量高，鉆具內壁易結垢影響沖洗液循環(huán)，內管投放困難甚至不能投放到位[11-12]。

涌水地層，也可采用水泥漿封堵，普通水泥漿遇流動性水沖散，很難取得封堵效果。攪拌要在水泥漿中加入惰性材料，并且加入速凝劑，最好是投放含有惰性材料水泥球擠壓封堵[9,12]。

本鉆孔鉆探施工人員在多次用普通水泥注漿封堵無效之后，冒險頂涌鉆進，在鉆進到196.46 m時鉆孔掉塊、坍塌，無法繼續(xù)鉆進，不得已下入?89 mm套管堵住涌水，但也因此留下后患。

5.2 鉆孔結構

鉆孔結構的設計主要依據是鉆孔的用圖和目的、地層地質結構、巖石的物理性質、鉆孔的設計深度和傾角、鉆進方法、鉆探設備的性能、鉆孔的終孔直徑。根據鉆孔結構確定各個孔段的深度和孔徑，確定套管層次、下放深度和套管直徑。是否下套管，取決于地層的復雜情況和對地質情況的了解程度[1-2]。

由于本鉆孔是深孔，且對地層復雜情況估計不足，鉆孔結構設計簡單，鉆孔結構為?113 mm-?94 mm-?75 mm，?108 mm孔口套管36.80 m，?89 mm止涌防塌套管196.60 m，在遇到夾層泥時無法再使用套管隔離，只有優(yōu)質沖洗液護壁?？s徑地層對沖洗液破壞嚴重，維護沖洗液性能代價大。如果在預留一級孔徑，下入套管護壁，在崤山礦區(qū)就可以清水鉆進，取得更好的經濟效益。

5.3 構造帶地層，吸水膨脹，鉆孔縮徑

鉆孔縮徑有明顯征兆，如：鉆具回轉滯澀、阻力漸增、甚至回轉不動；上下鉆具困難，甚至下不去，需要掃孔；泵壓增加，產生憋泵；沖洗液中巖粉明顯增多，含砂量增加；鉆桿內壁結垢，提放內管困難。鉆孔縮徑擠壓鉆具，增大鉆具回轉阻力，容易造成鉆桿斷裂事故，甚至造成鉆孔坍塌埋鉆事故[9,12]。

遇到縮徑地層，不適合水泥封孔，水泥凝固需要時間，而且水泥漿含水量大，縮徑地層極易吸水膨脹，擠壓水泥漿，達不到封孔效果[7-8]。一般遇到縮徑地層應快速穿過，然后下入套管護壁，但該鉆孔已不能再下套管處理，而且下面地層不明，只有使用低密度、低固相、低失水優(yōu)質沖洗液，在該位置形成薄而致密的泥皮，有效阻止縮徑地層吸水膨脹，從而保證繩索取心鉆進繼續(xù)施工[9,15]。

6 結語

繩索取心鉆進復雜地層，應充分考慮地層情況，淺孔且?guī)r層穩(wěn)定鉆孔，鉆孔結構可以簡單不預留口徑，但是在復雜深孔鉆進時，一定要選擇合理的鉆孔結構，預留一級口徑，避免遇到特殊情況無法進一步處理報廢鉆孔，不僅延誤工期，而且浪費人力、物力，無謂增加施工成本。遇到復雜地層，要充分利用好套管護壁，有時用好套管護壁更能加快施工進度，提高效益。根據地層情況合理配制優(yōu)質沖洗液，不僅能提高施工效率，節(jié)約施工成本，而且有利于解決復雜施工問題，提高巖心采取率，保障鉆孔質量。復雜地層鉆進應充分引起重視，不要抱有僥幸心理，否則就會像該鉆孔施工一樣，造成不必要的鉆探事故，我們要引以為戒。