廣東京村金礦大角度斜孔鉆進(jìn)工藝實(shí)踐

石 磊

(廣東省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，廣東 肇慶 526020)

1 概述

1.1 鉆探施工目的

根據(jù)前期地質(zhì)勘查成果，利用地質(zhì)鉆探這一工作手段對(duì)已發(fā)現(xiàn)的含金礦化體進(jìn)行系統(tǒng)的工程控制，基本查明其規(guī)模形態(tài)、產(chǎn)狀、品位及空間分布，估算資源量，為地質(zhì)和礦產(chǎn)資源參數(shù)做出可靠的評(píng)價(jià)。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)概況

廣東省德慶縣京村金礦位于華南加里東褶皺系云開(kāi)大山后加里東隆起帶東北部，羅定-廣寧斷裂變質(zhì)帶東北段與吳川-四會(huì)斷裂變質(zhì)帶交匯部位[1]。礦區(qū)主要鉆遇巖層為混合花崗巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖、粉砂巖、糜棱巖等。受區(qū)域變質(zhì)及多期構(gòu)造影響，原巖變質(zhì)較深，巖性復(fù)雜，普遍具混合巖化、糜棱巖化。礦區(qū)位于粵桂隆起區(qū)廣寧-羅定褶斷帶內(nèi)，屬?gòu)?qiáng)烈褶皺變形和斷裂發(fā)育位置，其經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用[1]。

1.3 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

(1)地層產(chǎn)狀陡，軟硬互層頻繁，為強(qiáng)造斜地層，容易發(fā)生鉆孔彎曲度超差。

(2)各礦體均呈陡傾斜的薄脈產(chǎn)出[2]，為了達(dá)到較好的地質(zhì)勘探效果，鉆孔大部分設(shè)計(jì)為大角度斜孔(開(kāi)孔傾角<75°)，對(duì)鉆探技術(shù)水平要求較高。

(3)詳查階段要求鉆孔見(jiàn)礦點(diǎn)與地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦點(diǎn)沿預(yù)計(jì)礦層產(chǎn)狀上下偏距≤10 m[3]，質(zhì)量要求更高，施工難度更大。

(4)本區(qū)礦體嚴(yán)格受韌性剪切帶控制，礦體均產(chǎn)于云樓崗巖體的混合花崗巖的1號(hào)糜棱巖帶與后期脆性斷裂的疊合部，礦層巖石破碎，采取礦心難度大。

1.4 鉆孔施工情況

前期施工的鉆孔發(fā)現(xiàn)存在鉆孔彎曲度超差問(wèn)題，我單位通過(guò)匯總分析前期鉆孔數(shù)據(jù)，總結(jié)了礦區(qū)鉆孔孔斜變化規(guī)律及特點(diǎn)，決定后續(xù)鉆孔施工采用初級(jí)定向鉆進(jìn)技術(shù)，精心組織施工，在機(jī)場(chǎng)修建、設(shè)備安裝、開(kāi)孔、換徑及下套管、鉆進(jìn)等各個(gè)施工工序均按制定的技術(shù)要求嚴(yán)格執(zhí)行。結(jié)合采用“一基多孔(指一個(gè)孔位布置多個(gè)鉆孔，以不同傾角鉆進(jìn)施工)”施工方案，占用場(chǎng)地少，節(jié)省了大量的設(shè)備搬遷安裝時(shí)間。

本礦區(qū)2012-2016年間累計(jì)完成鉆探進(jìn)尺約4.24萬(wàn)m，鉆孔質(zhì)量?jī)?yōu)良，其中最斜孔開(kāi)孔傾角40°，終孔孔深360.80 m；最深鉆孔701.28 m，開(kāi)孔傾角50°。不同傾角鉆孔數(shù)量及比例詳見(jiàn)表1。

表1 京村礦區(qū)不同傾角鉆孔數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of the proportion of drill-holes with different inclinations in Jingcun mining area

2 鉆探技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選擇

為滿足大角度斜孔施工要求，綜合考慮地層情況、鉆孔深度、擬采用鉆進(jìn)方法及工藝等，選用XY-42T(圖1)、XY-44T型塔機(jī)一體式鉆機(jī)，采用柴油機(jī)動(dòng)力，配BW-150型泥漿泵。

圖1 XY-42T型鉆機(jī)施工斜孔狀態(tài)Fig.1 Position of XY-42T drilling rig for drilling inclined holes

2.2 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

第四系覆蓋層采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，下部基巖地層采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)。為提高鉆進(jìn)效率，在滿足鉆孔護(hù)壁要求的前提下，盡量減少換徑次數(shù)，簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)[4]：開(kāi)孔用?130 mm硬質(zhì)合金鉆具鉆進(jìn)，下入 ?127 mm孔口管；然后用?110 mm硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)穿過(guò)風(fēng)化覆蓋層后下入 ?108 mm套管；再用S95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖后，下入 ?89 mm套管；最后改換S75 mm金剛石繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔。

2.3 沖洗液與護(hù)壁堵漏

第四系覆蓋層段及跟管鉆進(jìn)時(shí)采用固相沖洗液護(hù)壁，其它孔段采用無(wú)固相高聚物沖洗液，強(qiáng)化沖洗液的護(hù)壁防塌、潤(rùn)滑減阻能力。各種處理劑要嚴(yán)格計(jì)量、分別溶解，并充分?jǐn)噭?、水化[5]，然后按先無(wú)機(jī)后有機(jī)及分散、增粘、潤(rùn)滑、絮凝的順序加入攪拌使用，視礦區(qū)地層情況隨時(shí)調(diào)整沖洗液性能參數(shù)。擬采用的無(wú)固相沖洗液配方如下：(1)完整、孔壁穩(wěn)定地層：清水+0.4%無(wú)熒光潤(rùn)滑劑+0.03%聚丙烯酰胺；(2)較為破碎地層：清水+0.03%聚丙烯酰胺+0.4%無(wú)熒光潤(rùn)滑劑+0.4%植物膠；如果巖層破碎嚴(yán)重，按5～6 kg/m3的比例加入水玻璃。

漏失地層處理方法：漏失量在1/3以內(nèi)，可采用加入0.4%～0.5%的801隨鉆堵漏劑進(jìn)行隨鉆堵漏；漏失嚴(yán)重時(shí)采用粘土+水泥+PAM+隋性材料堵漏；必要時(shí)采用水泥固結(jié)堵漏。

2.4 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

為保證鉆頭磨損正常，平穩(wěn)鉆進(jìn)，全孔鉆速應(yīng)控制在1.5～4 m/h；鉆壓控制在15 kN以內(nèi)；轉(zhuǎn)速≯1200 r/min；沖洗液量50～100 L/min[6-9]。鉆進(jìn)節(jié)理發(fā)育巖石和產(chǎn)狀陡立、松散破碎、軟硬互層、強(qiáng)研磨性等地層及鉆孔超徑的情況下應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓；鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層、裂隙破碎地層、軟硬互層及產(chǎn)狀陡立易斜地層時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速；鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換徑多、環(huán)狀間隙大時(shí)，鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性差，不宜開(kāi)高轉(zhuǎn)速；鉆進(jìn)堅(jiān)硬、顆粒細(xì)的巖層，鉆速低，巖粉少，泵量可小些；鉆進(jìn)軟及中硬巖層，鉆速高，巖粉多，泵量應(yīng)大些；鉆進(jìn)裂隙，有輕微漏失的地層，泵量應(yīng)稍大于正常情況；鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)的巖層，泵量可增大[10]。

3 初級(jí)定向鉆進(jìn)技術(shù)

前期預(yù)(普)查階段施工發(fā)現(xiàn)本礦區(qū)地層造斜，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出本礦區(qū)鉆孔彎曲趨勢(shì)是鉆孔軌跡上漂，偏線距較小，即地層造斜規(guī)律是鉆孔頂角增大，方位角變化不大。為能準(zhǔn)確打穿地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦靶區(qū)，后續(xù)鉆孔施工全部采用初級(jí)定向鉆進(jìn)技術(shù)。

3.1 初級(jí)定向設(shè)計(jì)

本礦區(qū)初級(jí)定向設(shè)計(jì)流程如圖2所示。初級(jí)定向設(shè)計(jì)采用的方法有“移位”法(調(diào)整鉆孔孔位)及“變角”法(改變開(kāi)孔角度)兩種[11]，本礦區(qū)為能結(jié)合運(yùn)用 “一基多孔”施工方法，多采用“變角”法。

以本礦區(qū)ZK6202′鉆孔為例(設(shè)計(jì)孔深450 m，開(kāi)孔頂角30°)，該孔為“一基多孔”施工的第二個(gè)鉆孔，原孔位前期已施工完成ZK6202鉆孔(終孔孔深382.16 m)，ZK6202孔未進(jìn)行初級(jí)定向，方位角僅偏差1°，但頂角累計(jì)上漂11.1°，實(shí)際見(jiàn)礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦位置相差31.89 m。利用“變角”法對(duì)ZK6202′鉆孔進(jìn)行初級(jí)定向設(shè)計(jì)，結(jié)合礦區(qū)其它鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，總結(jié)得出本礦區(qū)在頂角25°～30°斜孔中一般造斜規(guī)律為每100 m頂角上漂2.0°～3.0°，選取如下預(yù)測(cè)軌跡進(jìn)行對(duì)比：(1)按設(shè)計(jì)開(kāi)孔頂角30°，頂角上漂2.5°/100 m；(2)調(diào)整開(kāi)孔頂角為25°，頂角上漂2.5°/100 m；(3)調(diào)整開(kāi)孔頂角為24°，頂角上漂2.5°/100 m。建立excel鉆孔軌跡空間坐標(biāo)計(jì)算表，設(shè)開(kāi)孔坐標(biāo)為(0,0,0)，將鉆孔軌跡以均角全距法進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算(如圖3所示)，并運(yùn)用AutoCAD繪制出鉆孔軌跡圖并標(biāo)注預(yù)計(jì)見(jiàn)礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦位置偏距[12](見(jiàn)圖4)。從圖4中可看出ZK6202′按25°頂角開(kāi)孔、頂角上漂2.5°/100m的鉆孔軌跡見(jiàn)礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦位置偏距4.93 m，為較優(yōu)設(shè)計(jì)。實(shí)踐施工證明選擇的開(kāi)孔角度及預(yù)判的頂角上漂值合理，ZK6202′鉆孔實(shí)際頂角上漂2.47°/100 m，實(shí)際見(jiàn)礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦位置偏距5.08 m。

圖2 初級(jí)定向設(shè)計(jì)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the primary directional drilling design process

圖3鉆孔軌跡坐標(biāo)計(jì)算
Fig.3Calculation of the drilling path coordinates

圖4 預(yù)測(cè)鉆孔軌跡成圖及見(jiàn)礦位置偏距對(duì)比Fig.4 Predicted borehole trajectory vs offset of ore occurrence

3.2 鉆孔彎曲度控制方法

在實(shí)際施工中，技術(shù)人員要加強(qiáng)監(jiān)控測(cè)斜，當(dāng)鉆孔彎曲變化大于設(shè)定值時(shí)，適當(dāng)加密測(cè)斜間距，視具體情況可將間距縮短至15～25 m，并根據(jù)測(cè)斜結(jié)果及時(shí)計(jì)算和作圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔施工軌跡[3]。若實(shí)際鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡有較大差異，則需要進(jìn)行保直鉆進(jìn) 或增斜鉆進(jìn)以確保能鉆穿地質(zhì)設(shè)計(jì)見(jiàn)礦靶區(qū)。保直鉆進(jìn)措施有：控制鉆壓(建議10 kN以下)，在條件許可的前提下提高轉(zhuǎn)速保證鉆進(jìn)效率；采用階梯式鉆頭增強(qiáng)導(dǎo)向性；采用齒輪狀鉆頭減輕鉆頭壓力；采用外徑一致的擴(kuò)孔器加強(qiáng)鉆具的導(dǎo)正性。本礦區(qū)增斜鉆進(jìn)是增加鉆孔上漂值，措施有：加大鉆壓，降低轉(zhuǎn)速；采用下擴(kuò)孔直徑大于上擴(kuò)孔器0.5 mm以上；縮短鉆具長(zhǎng)度至1.20～1.50 m，增加自造斜能力[3]。

4 施工中遇到的其它問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

4.1 礦心采取率難以保證

地質(zhì)要求礦體及其頂板5 m圍巖的采取率≮95%，為達(dá)到技術(shù)要求，鉆進(jìn)礦層時(shí)采取了以下工藝技術(shù)方法：(1)控制回次進(jìn)尺長(zhǎng)度和時(shí)間，多回次少進(jìn)尺，不打懶鉆，注意泵壓，憋泵即刻取心；(2)大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量，減輕沖洗液對(duì)巖心的沖刷；(3)在沖洗液中加入羧甲基纖維素，其分子親水性弱而與巖心表面的吸附性強(qiáng)，能在巖心表面很快形成吸附網(wǎng)和膜，達(dá)到保護(hù)巖心的目的[5]；(4)采用底噴鉆頭；(5)采用半合管取心鉆具。

4.2 加接立根難以對(duì)正絲扣

原廠鉆塔為3截四棱塔架及天車組裝而成，實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)由于大角度斜孔施工使塔身傾斜角度加大，加接立根時(shí)受其自重影響下垂，鋼絲繩難以拉直扶正，鉆桿絲扣難以對(duì)正入扣，擰卸鉆桿費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)這一問(wèn)題，我們采取了降低塔身高度，加接3或4.5 m單根的方法，將原廠最靠近天車一截塔架卸掉，加工一個(gè)連接件直接將中間一截塔架與天車連接起來(lái)，這樣既使擰卸鉆桿變得簡(jiǎn)單，又因?yàn)樗砜s短，減小了鉆塔安裝所需的場(chǎng)地面積，降低了場(chǎng)地臨時(shí)征用費(fèi)及機(jī)場(chǎng)開(kāi)挖平整的費(fèi)用。

4.3 鉆桿柱磨損快

大角度斜孔施工，容易導(dǎo)致鉆桿柱偏磨，鉆桿接頭易受損導(dǎo)致鉆桿折斷事故，不易處理[13]，在鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化沖洗液潤(rùn)滑減阻能力，盡量減小鉆具震動(dòng)，采用高強(qiáng)度耐磨的繩索取心鉆桿接頭，要經(jīng)常檢查鉆桿，磨損程度超標(biāo)的鉆桿嚴(yán)禁使用[14]。

5 幾點(diǎn)體會(huì)和認(rèn)識(shí)

(1)大角度斜孔鉆探施工是一項(xiàng)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)的系統(tǒng)工程[15]，需要考慮設(shè)備能力、鉆桿鉆具可靠性，鉆探規(guī)程參數(shù)、沖洗液配方等多方面因素，在大角度斜孔中進(jìn)行初級(jí)定向鉆進(jìn)需要考慮的影響因素更多，更復(fù)雜，且各因素間相互影響，必須做好施工技術(shù)方案及過(guò)程監(jiān)控。

(2)施工大角度斜孔容易發(fā)生鉆孔彎曲度超差，造成鉆孔進(jìn)尺報(bào)廢。初級(jí)定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)設(shè)備、機(jī)具沒(méi)有特殊要求，工藝技術(shù)容易掌握，能有效提質(zhì)增效、降低成本、縮短工期。

(3)“一基多孔”施工方法減少了施工場(chǎng)地，能節(jié)省臨時(shí)占地征用費(fèi)和設(shè)備搬遷費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得推廣。