柴家溝鉬礦復(fù)雜地層巖心鉆探技術(shù)

王洪濤

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

柴家溝鉬礦復(fù)雜地層巖心鉆探技術(shù)

王洪濤

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊，河北 承德 067000)

柴家溝鉬礦地層破碎、裂隙發(fā)育、蝕變多樣、涌水、完整巖石堅硬，而且地質(zhì)設(shè)計要求大部分為斜孔，鉆探施工中遇鉆孔漏水、坍塌掉塊、進尺緩慢、跑斜嚴重等技術(shù)難題。從鉆孔結(jié)構(gòu)、沖洗液配置、護壁堵漏、硬巖鉆進、涌水地層加重泥漿的使用、立軸式鉆機斜孔施工注意事項等方面總結(jié)了鉆探施工經(jīng)驗。

巖心鉆探；斜孔；護壁堵漏；復(fù)雜地層；加重泥漿；柴家溝鉬礦

1 礦區(qū)地質(zhì)簡介

河北省平泉縣柴家溝鉬礦巖心鉆探項目是我隊承攬市場項目中地質(zhì)詳查工作的一部分，累計鉆探工作量是最大的，已連續(xù)鉆探施工4年，2016年8月順利結(jié)束。完成詳細工作量見表1。詳查工作圈定了1個鉬礦體5個銅礦體，以鉬礦為主。

表1 詳細工作量

已探明資源/儲量估算結(jié)果：工業(yè)礦(Mo≥0.06%)鉬礦石資源量(332+333)6311萬t，金屬量36204 t，平均品位0.064%。

柴家溝鉬礦詳查區(qū)位于平泉縣北西325°方位，直距21 km，運距28 km，隸屬平泉縣沙坨子鄉(xiāng)王家營子村管轄，詳查區(qū)面積2.62 km2。礦區(qū)位于冀北燕山東段，區(qū)內(nèi)屬中低山區(qū)地貌，山勢陡峻挺拔，溝谷縱橫。地勢西高東低，海拔一般800～1100 m，相對高差210 m，區(qū)內(nèi)溝谷主要為柴家溝、鐵頭溝，溝谷多呈V字形，溝谷兩側(cè)山體呈不對稱分布，局部基巖裸露，山坡坡度30°～50°，植被覆蓋率較好。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造處于紅石砬—大廟—娘娘廟深斷裂東端、王土房穹窿北部，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，F(xiàn)1和F2兩條斷裂帶貫穿工作區(qū)，F(xiàn)1構(gòu)造破碎帶寬30～60 m，深部熱流體活動頻繁，多期次的構(gòu)造、巖漿活動致使構(gòu)造十分復(fù)雜。

區(qū)域內(nèi)出露地層簡單，主要有太古界遷西群、中生界白堊系和新生界第四系等。各地層從新至老如下。

(1)第四系(Q4)，在區(qū)域內(nèi)大致呈北西向展布，在河流溝谷中較發(fā)育，呈狹長帶狀，為灰黃、黃褐色亞砂土，亞粘土，礫石，沙礫石及互層混合堆積。厚度變化較大，一般厚度在1～50 m。

(2)中生界白堊系大北溝組(K1d)，零星分布于區(qū)域東南側(cè)，角度不整合于太古界遷西群上方。巖性以陸相碎屑巖、中酸性火山巖、火山碎屑巖為主，分布在外圍的火山盆地中。上部灰綠、灰紫、灰色致密塊狀、氣孔狀安山巖夾火山角礫巖；下部為灰綠、灰紫色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)砂巖夾砂質(zhì)頁巖。

(3)太古界遷西群上亞群(Arqn2)，主要出露在王土房雜巖體周邊部，區(qū)域上在東南和東北部出露，巖性為中深變質(zhì)角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖夾透輝巖、蛇紋大理巖、斜長變粒巖、淺粒巖，頂部夾麻粒巖。

總之，本礦區(qū)堅硬巖石主要有花崗巖、花崗斑巖和角礫巖，可鉆性級別4～10級，但巖石裂隙發(fā)育，局部破碎比較嚴重，蝕變主要為鉀化、黃鐵絹英巖化及高嶺土化為主，局部見有青盤巖化、硅化、碳酸鹽化等較弱蝕變。常出現(xiàn)裂隙地層漏水、破碎地層坍塌掉塊、完整硬巖地層打滑、蝕變地層出膛斷鉆、部分鉆孔深部開始涌水等情況。

2 鉆孔施工質(zhì)量要求

巖心采取率≥65%，礦心采取率≥80%；測斜要求50 m測量一次，頂角偏差要求為直孔≯2°/100 m，斜孔≯3°/100 m,且方位角偏差不超過勘探網(wǎng)的1/3～1/4；終孔口徑要求為探礦孔口徑≮75 mm，水文孔口徑≮95 mm。

3 鉆探施工難點

(1)詳查鉆探施工，勘探網(wǎng)間距只有50 m,對于斜孔、深孔施工，鉆孔方位角偏差要求不超過勘探網(wǎng)的1/3～1/4，要求非常高。

(2)該礦區(qū)山高，樹木密集，全液壓動力頭式鉆機鉆探施工所需要的修路成本高，只能采用修簡易路、人工搬運的方法使用立軸式巖心鉆機施工。對于立軸式巖心鉆機，開孔傾角76°的超過600 m深度的鉆孔施工難度大。

(3)上部地層破碎、裂隙發(fā)育(見圖1)，完整巖石局部巖心裂隙水銹明顯，漏失比較普遍。下部破碎地層、蝕變地層(見圖2)，坍塌掉塊，憋車嚴重。

圖1 上部破碎漏失層巖心

圖2 下部破碎坍塌掉塊層巖心

(4)礦區(qū)硬巖石主要為花崗巖、花崗斑巖和角礫巖，單軸飽和抗壓強度標準值分別為57.51、76.25、127.90 MPa，進尺速度慢，且對鉆頭和擴孔器外徑磨耗大。

4 鉆進工藝

4.1 設(shè)備及工具的選擇[1]

選用的鉆探設(shè)備及工具情況見表2。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進方法[2]

表2 鉆探設(shè)備及工具選用情況

根據(jù)以前鉬礦施工經(jīng)驗，地層都相對比較完整，起初采用鉆孔結(jié)構(gòu)為?110—91—75 mm， ?91 mm為預(yù)留口徑，但是開孔階段遇到破碎帶較厚和裂隙漏水時，巖心采取率難以保證，擴孔非常費力且容易跑斜，嚴重影響鉆進效率。針對這些不利情況，第二年將鉆孔結(jié)構(gòu)更改為?122—95—75 mm，?122 mm開孔鉆至基巖下入?114 mm套管，換?95 mm繩索取心鉆進至100 m左右，地層完整下入?89 mm套管，再換?75 mm繩索取心鉆進至終孔。經(jīng)過幾年的施工實踐，證明這種鉆孔結(jié)構(gòu)簡單適用，一次成井，事故率幾乎為零，鉆進效率明顯提高。水文孔根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求鉆孔結(jié)構(gòu)為?150—122—95 mm，?122 mm口徑至少鉆進100 m，終孔口徑≮95 mm。

4.3 鉆進參數(shù)的選擇[3]

在連續(xù)的鉆探施工過程中，對礦區(qū)地層有了充分的了解，在不同的鉆孔、地層、孔深、孔徑鉆進中繩索取心鉆進參數(shù)也會發(fā)生微量變化，在鉆進時，根據(jù)各種地層的進尺速度情況、設(shè)備工作狀態(tài)和完孔質(zhì)量效果逐步優(yōu)化組合各參數(shù)。最終確定適合該礦區(qū)各種巖石的鉆進參數(shù)(見表3)。

表3 鉆進參數(shù)及施工效率

4.4 鉆頭選型與使用 [4]

針對該礦區(qū)巖石對金剛石鉆頭、擴孔器磨損嚴重易縮徑的特點，通過增加鉆頭、擴孔器的外徑及胎體硬度的辦法解決，一般外徑比正常鉆頭、擴孔器增加1～2 mm,并且嚴格執(zhí)行排隊使用的原則。

鉆進可鉆性8級以下的巖石時采用底唇面形狀為鋸齒型、平底型，胎體硬度為HRC25～30，金剛石粒度60～80目的孕鑲鉆頭鉆進效果最好，鉆頭壽命平均能夠達到65 m。

在鉆進可鉆性8級以上硬巖石進尺緩慢時，選擇胎體硬度>HRC35的鉆頭，采用通過鉆桿向鉆孔內(nèi)投入現(xiàn)場選擇與巖心硬度相近或更高的巖石砸成1～2 cm的碎塊磨料的方法研磨鉆頭胎體，使鉆頭唇面上的金剛石快速出露。操作時使用低轉(zhuǎn)速、小泵量、高鉆壓進行研磨，間隔 1～2 min將鉆具上下往復(fù)竄動3～5次。也可以不給水進行研磨，但需要掌握好尺度。也可以采用在每回次開始時用污水泵攪拌泥漿池，使巖粉隨沖洗液進入孔內(nèi)循環(huán)工作，加速鉆頭胎體磨損使金剛石出刃。此方法不能整回次使用，鉆桿內(nèi)壁易結(jié)泥皮。該地層鉆頭平均壽命為28 m[5]。

4.5 沖洗液的配置[6]

開孔沖洗液配方：1 m3水+8%粘土+0.1%火堿+0.1%～0.3%中粘CMC+0.3%～1%腐植酸鉀。此配方?jīng)_洗液有利于提高巖石顆粒之間的膠結(jié)力和孔壁強度，粘度適度控制，流動度好，能夠避免沖刷孔壁，上下鉆時能夠避免抽吸孔壁。

完整巖石層沖洗液配方為：1 m3水+1% PAM+0.5%中粘CMC+1.5% 06型高效潤滑劑。即無固相沖洗液，只要滿足金剛石繩索取心鉆進對沖洗液的要求，主要考慮潤滑減阻性能即可。

破碎、漏失地層沖洗液配方為：1 m3水+1% PAM+0.5%中粘Na-CMC+1% 防塌劑(RH潤滑型)+0.25% GSP廣譜護壁劑+2.5%TM植物膠+2%～3% 803堵漏劑+1.5% 06型高效潤滑劑。主要考慮護壁堵漏和潤滑減阻效果。

涌水地層沖洗液配方為：1 m3水+1% PAM+0.5%中粘CMC+5%～10%重晶石粉+1.5% 06型高效潤滑劑[7]。根據(jù)涌水壓力的大小調(diào)節(jié)重晶石粉的用量，具體添加加重劑質(zhì)量W重計算公式為：

W重=Voρ3(ρ2-ρ1)/ (ρ3-ρ2)

式中：Vo——循環(huán)系統(tǒng)泥漿總體積；ρ1——原漿密度；ρ2——加重后泥漿密度；ρ3——加重劑密度。

此泥漿主要是提高泥漿密度，以平衡地下水水位與孔口高差的水頭壓力。

4.6 護壁堵漏措施[8]

根據(jù)該礦區(qū)地層情況和地質(zhì)設(shè)計要求，采用的護壁堵漏措施有套管護壁堵漏、泥漿護壁堵漏(包括加重泥漿)和灌注水泥漿護壁堵漏。上述3種護壁堵漏方法完全滿足該礦區(qū)鉆探施工護壁堵漏的需要，為工程的順利完成起到關(guān)鍵性作用。

詳細情況見表4。

4.7 立軸式鉆機斜孔施工技術(shù)[9]

使用立軸式鉆機施工大傾角鉆孔在設(shè)備安裝方面與直孔相近，但是為了減少鉆具高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力及游動滑車側(cè)向力對立軸的作用，應(yīng)盡量采用短立軸，一般4.5～5.0 m合適，同時改變提引環(huán)和立軸的連接方式，用自制的套環(huán)連接器套環(huán)端套住立軸，提引接手端與提引環(huán)相連，套環(huán)與提引接頭

表4 護壁堵漏措施及效果

之間用1 m左右長度鋼絲繩連接，使游動滑車和立軸之間的軟連接距離加大，從而實現(xiàn)減少側(cè)向力作用。為了減少套環(huán)與六方立軸的相互摩擦對立軸的損害應(yīng)改用圓立軸，就是用鉆桿當立軸。使用套環(huán)連接還可以省去加減鉆桿時需要上塔摘掛提引環(huán)的工作，在地面即可完成。

為了確保斜孔施工中內(nèi)管準確到位，應(yīng)盡量采用增加撈矛質(zhì)量(通常使用1～2 m長?50 mm鉆桿掛在撈矛下頭)，利用絞車吊著推送內(nèi)管總成的方式，根據(jù)到位時撞擊的聲音和絞車鋼絲繩所標記號的位置確定是否到位。

為了預(yù)防孔斜，在巖性變換不大時，交接班之間鉆進參數(shù)及操作應(yīng)盡量保持一致。做好泥漿配置及維護措施，盡量保持泥漿的性能優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定，斜孔施工泥漿的良好潤滑性能還有利于預(yù)防孔斜。大傾角斜孔施工大徑應(yīng)盡量多鉆進一些，一般鉆進全孔的1/3以上比較合適，大徑比小徑更易控制孔斜。

5 鉆探質(zhì)量及經(jīng)濟效果[10]

柴家溝鉬礦共施工鉆孔72個，累計完成鉆探進尺33540.3 m，巖心最低采取率90%，礦心最低采取率96%，孔斜測量結(jié)果均在地質(zhì)設(shè)計要求范圍之內(nèi)，優(yōu)質(zhì)孔率100%。在長期的施工中，通過鉆探工藝的不斷優(yōu)化組合和改進，逐步解決了礦區(qū)地層復(fù)雜、鉆孔傾角大、地質(zhì)設(shè)計技術(shù)指標要求嚴格所造成的施工技術(shù)難題。最明顯的數(shù)據(jù)體現(xiàn)是鉆進效率逐步提高，鉆進成本越來越低。鉆頭、擴孔器成本由30元/m降低到12元/m，臺月效率由第一年的620 m增至后來的860 m。

6 結(jié)語

在柴家溝鉬礦的4年鉆探施工中，針對該礦區(qū)地表自然環(huán)境山高、樹多和地層破碎、裂隙發(fā)育、漏失、涌水、坍塌掉塊、完整巖石堅硬等鉆進施工難點，采用合理的鉆孔結(jié)構(gòu)、多種優(yōu)質(zhì)沖洗液配置方案、套管護壁導(dǎo)正、水泥漿護壁堵漏、加重泥漿平衡水頭壓力等措施，使用立軸式巖心鉆機施工斜孔取得了很好的經(jīng)濟效益，積累了豐富的施工經(jīng)驗。但是使用立軸式巖心鉆機在施工斜孔時，存在鉆機轉(zhuǎn)場人工搬運時間長、鉆機工作時穩(wěn)定性差、上下大鉆輔助時間長、鉆進效率低的劣勢。為了保證鉆探質(zhì)量和提高鉆進效率，在以后類似的項目施工中，應(yīng)盡量使用全液壓動力頭式鉆機施工斜孔更理想。

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CoreDrillingTechnologyforComplexStratainChaijiagouMolybdenumDeposit/

WANGHong-tao

(514 Brigade of North China Geological Exploration Bureau, Chengde Hebei 067000, China )

Strata breaking, fracture development, alteration diversity, water gushing and hard intact rock co-exist in Chaijiagou molybdenum deposit, and most of the geological design requirements are inclined holes. The technical difficulties were countered in drilling construction, such as water leakage, collapse and block falling, slow footage and serious inclined drilling. This paper summarizes the experience of drilling construction in borehole structure, flushing fluid solution configuration, wall protection and plugging, hard rock drilling, the use of weighted mud in water gushing formation and the precautions of inclined hole construction with vertical shaft drilling rig.

core drilling; inclined hole; wall protection and plugging; complex strata; weighted mud; Chaijiagou molybdenum deposit

P634

：B

：1672-7428(2017)08-0037-04

2016-09-14；

： 2017-06-18

王洪濤，男，漢族，1968年生，總工程師，探礦工程專業(yè)，從事巖心鉆探、巖土工程等技術(shù)及施工管理工作，河北省承德市雙橋區(qū)山神廟溝1號，1240495740@qq.com。