黑龍江嫩江縣銀多金屬礦45°斜孔鉆探施工技術(shù)

馬秀春

(黑龍江省第一地質(zhì)勘查院，黑龍江 牡丹江 157000)

1 工程概況及地質(zhì)地層

1.1 工程概況

2016年在嫩江縣二道坎村開展銀多金屬礦普查工作。普查區(qū)位于黑龍江省中北部小興安嶺北段，屬丘陵區(qū)。普查區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季溫?zé)?，年平均氣?.5 ℃，最高氣溫40 ℃，最低氣溫-47 ℃。年平均降水量55～600 mm，年蒸發(fā)量869～1050 mm。6-8月為雨季。雨季雷電較頻繁，降雨約占全年降水總量的60%～70%。區(qū)內(nèi)覆蓋較厚，植被發(fā)育，為森林沼澤地球化學(xué)景觀區(qū)。每年5-11月為最佳野外工作時(shí)間。區(qū)內(nèi)河流屬嫩江水系，夏季地表徑流發(fā)育，冬季冰封斷流。礦區(qū)東部有泥鰍河支流，流向南，流入泥鰍河后匯入嫩江。

在普查區(qū)共施工45°斜孔8個(gè)，孔深最深為150 m，鉆孔平均終孔直徑≮75 mm。以地質(zhì)鉆探鉆孔質(zhì)量六大指標(biāo)為指導(dǎo)進(jìn)行施工，另外根據(jù)要求，平均礦心采取率≮85%。在鉆遇目的層異常礦化時(shí)以及終孔時(shí)，都需要進(jìn)行測(cè)井。每鉆進(jìn)50 m測(cè)定一次鉆孔傾斜度。鉆孔偏斜不得超出《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227-2010)[1]規(guī)定的允許范圍，即頂角偏斜≯3°/100 m。

1.2 地質(zhì)概況

礦區(qū)位于大興安嶺弧盆系扎蘭屯-多寶山島弧帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，在大地構(gòu)造發(fā)展和演化過程中活動(dòng)性和階段性明顯。地層分布明顯受構(gòu)造控制。工作區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，侵入巖主要以花崗巖類為主。侵入巖在時(shí)間上具有明顯多期多階段性。

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要有：頂志留統(tǒng)-中泥盆統(tǒng)泥鰍河組(S4D2n)，在地表僅見頂志留統(tǒng)-中泥盆統(tǒng)泥鰍河組一段(S4D2n1)，在鉆孔中見上志留統(tǒng)-中泥盆統(tǒng)泥鰍河組二段(S4D2n2)，即罕達(dá)氣火山巖(hυ)、下白堊統(tǒng)龍江組(K1l)、下白堊統(tǒng)光華組(K1gh)。第四系全新統(tǒng)(Qh)。出露的侵入巖以脈巖為主，主要巖性有：花崗細(xì)晶巖脈、花崗閃長(zhǎng)斑巖脈、石英閃長(zhǎng)巖脈、閃長(zhǎng)巖脈、閃長(zhǎng)玢巖脈、輝綠巖脈等，地層劃分見表1，火山巖和侵入巖面積不大。

表1 礦區(qū)地層劃分

2 鉆探施工難點(diǎn)

(1)礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，鉆遇接觸帶時(shí)鉆孔漏失嚴(yán)重，有的孔甚至發(fā)生全孔漏失。鉆孔漏失導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)，鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)扭矩值異常偏大，無法正常施工。

(2)接觸帶極易坍塌掉塊。在45°斜孔施工時(shí)，孔內(nèi)掉塊嚴(yán)重，引起下鉆不到底和卡鉆事故。

(3)鉆孔為傾角45°的斜孔，由于礦區(qū)巖層產(chǎn)狀陡，巖漿的侵入構(gòu)造帶特別發(fā)育，巖層軟硬互層易引起鉆孔傾角和方位角變化造成孔斜。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 鉆探設(shè)備

礦區(qū)鉆孔全部設(shè)計(jì)為斜孔，單孔施工周期短，施工地點(diǎn)搬遷頻繁，并且施工孔位都位于農(nóng)田之中，因此，礦區(qū)內(nèi)施工不適宜采用大型鉆機(jī)、鉆塔。為滿足設(shè)計(jì)孔傾角與孔深的要求，選用加拿大MP-1000型便攜式鉆機(jī)進(jìn)行施工(如圖1所示)，主要性能參數(shù)見表2。該鉆機(jī)占地小，搬遷方便。頂置驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)不提動(dòng)鉆具加鉆桿，能夠有效減小由于加接鉆桿對(duì)孔壁造成的擾動(dòng)，減少孔內(nèi)掉塊，有效控制鉆孔坍塌。在礦區(qū)采用薄壁繩索取心鉆桿(壁厚5 mm)施工，鉆頭與孔底接觸面積小，可有效抑制孔斜。

圖1 MP-1000型便攜式鉆機(jī)

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔施工

該礦區(qū)施工的鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鉆孔一開直徑為91 mm，穿過第四系殘坡積層后下入?89 mm套管，隨后換?75 mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔。施工時(shí)采用?75 mm繩索取心鉆具進(jìn)行取心。

開孔鉆至完整地層后繼續(xù)鉆進(jìn)，當(dāng)擴(kuò)孔器位置低于套管位置之后，停止鉆進(jìn)，并卸開鉆桿，將鉆桿留在孔內(nèi)。為防止鉆進(jìn)時(shí)巖屑掉入鉆桿內(nèi)，在鉆桿上部用木塞封堵。隨后使用鉆機(jī)連接套管，并將套管靴套在NTW鉆桿上擴(kuò)孔鉆進(jìn)，直至鉆進(jìn)到預(yù)定的下套管位置，將套管及套管靴直接留在孔內(nèi)做套管。之后再連接NTW鉆桿，正常鉆進(jìn)成孔，設(shè)計(jì)孔深最深為150 m,鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

1.2.3 制作mRNA模型 剪下一長(zhǎng)條軟磁貼做成1條mRNA鏈的基本骨架(代表磷酸和核糖)，軟磁貼做的堿基直接吸附在長(zhǎng)條磁貼上，制作出多樣的mRNA。

表2 MP-1000型鉆機(jī)性能參數(shù)

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3.2.2 鉆進(jìn)用沖洗液

針對(duì)此次礦區(qū)施工難點(diǎn)，鉆進(jìn)沖洗液需要具有良好的護(hù)壁、防漏的性能。該礦區(qū)鉆孔使用低固相聚丙烯酰胺沖洗液，具體配比為:1 m3清水+10%～15%鈉基膨潤(rùn)土+0.2%氫氧化鈉+0.3%～0.6%聚丙烯酰胺+0.3%～0.6%的CMC。在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)攪拌容器的體積加入清水，再加入鈉基膨潤(rùn)土進(jìn)行攪拌，使膨潤(rùn)土充分水化，隨后加入氫氧化鈉、聚丙烯酰胺以及CMC，充分?jǐn)嚢?0 min。聚丙烯酰胺主要用作絮凝劑，能夠有效改善鉆井液流變性能，并且具有防塌與降低摩阻的性能。CMC能夠降低濾失量，提高沖洗液粘度。低固相聚丙烯酰胺沖洗液具有良好的懸浮能力，造漿性能良好，能滿足礦區(qū)大多數(shù)鉆孔鉆進(jìn)要求。

沖洗液性能指標(biāo)：密度1.02～1.05 g/cm3,粘度26～30 s，失水量7～10 mL/30 min，pH值8.5～9。

個(gè)別鉆孔在開孔階段由于地層不穩(wěn)，井內(nèi)坍塌掉塊嚴(yán)重，致使卡夾鉆具無法正常施工。針對(duì)這種情況，MP-1000型鉆機(jī)采用跟管鉆進(jìn)的方式將套管下放到指定位置隔阻不穩(wěn)定層，保障鉆孔施工工作順利進(jìn)行。

3.2.3 鉆探技術(shù)參數(shù)

為提高鉆進(jìn)效率、降低成本、保證質(zhì)量，需要根據(jù)具體施工情況，選擇合適的鉆進(jìn)參數(shù)。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中主要的鉆進(jìn)參數(shù)包括：鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等[2]。

該鉆機(jī)使用孔底壓力表、扭矩表、泵壓表顯示鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。操作人員要根據(jù)鉆進(jìn)情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，保證鉆機(jī)高效鉆進(jìn)。正常鉆進(jìn)時(shí)壓力表、扭矩表、泵壓表在不同孔深時(shí)的數(shù)值范圍見表3。該鉆機(jī)操作時(shí)控制孔底壓力數(shù)值在7 MPa左右，扭矩≯1500 N·m ，孔壁不穩(wěn)定段扭矩可達(dá)到2000 N·m，極限扭矩≯2500 N·m。當(dāng)孔內(nèi)扭矩長(zhǎng)時(shí)間>1800 N·m時(shí)需要格外注意鉆機(jī)進(jìn)尺情況，防止孔內(nèi)事故發(fā)生。鉆進(jìn)過程中需要沖洗液有效地排出巖粉并冷卻鉆頭?？紤]施工過程中部分鉆孔存在坍塌掉塊現(xiàn)象，施工時(shí)泵量≯20 L/min。在實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于接觸帶地層易失穩(wěn)，泵量過大使鉆孔坍塌掉塊現(xiàn)象更為嚴(yán)重，從而影響進(jìn)尺。

表3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

3.2.4 孔斜測(cè)量與校正

由于鉆孔彎曲，可能造成礦體打丟、打薄或打厚，將直接影響地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性和礦床儲(chǔ)量的計(jì)算。所以鉆孔彎曲程度是評(píng)價(jià)鉆探工程質(zhì)量的重要依據(jù)之一[2]。

4 遇到的問題及解決措施

4.1 鉆孔漏失

鉆進(jìn)至地層接觸帶時(shí)鉆孔漏失嚴(yán)重。在漏失嚴(yán)重的地層采用江西萍鄉(xiāng)產(chǎn)的“堵漏王”堵漏劑對(duì)孔壁進(jìn)行封堵?！岸侣┩酢笔且环N改性剛性水泥，能在有水的情況下迅速凝結(jié)，且膨脹性低于普通水泥，其中含有促凝劑硫酸鈉，能夠縮短凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度。施工時(shí)取堵漏劑15 kg，再添加20 kg鈉基膨潤(rùn)土，攪成低流動(dòng)狀態(tài)，隨后從鉆桿口倒入孔內(nèi)。開泵將堵漏劑送入漏失孔段進(jìn)行封堵。此方法能夠基本滿足礦區(qū)內(nèi)鉆孔堵漏要求[3-7]。

4.2 坍塌掉塊

在45°斜孔施工時(shí)，孔內(nèi)掉塊現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，引起下鉆不到底和卡鉆事故。為抑制孔內(nèi)掉塊問題，采用了以下技術(shù)措施[8-10]：

(1)選用優(yōu)質(zhì)沖洗液，控制濾失量從而抑制掉塊。在礦區(qū)施工采用加入護(hù)壁劑低固相聚丙烯酰胺配制的沖洗液施工，鉆孔掉塊問題得到了解決。

(2)通過加大孕鑲金剛石鉆頭胎體硬度，增加金剛石工作層厚度來延長(zhǎng)鉆頭使用壽命，提高鉆進(jìn)時(shí)間，減少起下鉆次數(shù)，并在起下鉆時(shí)控制上提與下放鉆具的速度，減少由于機(jī)械擾動(dòng)和孔內(nèi)壓力“激動(dòng)”引起的孔壁失穩(wěn)情況發(fā)生。

(3)采取提鉆回灌沖洗液措施保持孔內(nèi)液柱壓力，減少孔內(nèi)掉塊。

4.3 鉆孔防斜

為避免鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆孔偏斜，主要的防斜措施有[11-12]：

(1)鉆機(jī)穩(wěn)固。為確保鉆機(jī)施工時(shí)機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性，可以使用水泥底座固定鉆機(jī)，保證施工過程中鉆機(jī)不偏移。在秘魯Conymecar銅礦區(qū)采用全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)行45°斜孔施工，首先為確保機(jī)臺(tái)的穩(wěn)定性，在鉆機(jī)下鋪設(shè)了20 cm厚的枕木，具有一定的減震作用，枕木下澆筑20 cm厚的水泥平臺(tái)，以防止因頻繁起下鉆使枕木陷入地層[13]。

本次在礦區(qū)使用的MP-1000型鉆機(jī)體積小、質(zhì)量輕，機(jī)場(chǎng)占地面積小，無法使用配重穩(wěn)固。常用的水泥打底座固定方式需要提前布設(shè)孔位，而實(shí)際施工時(shí)孔位較少，無法提前布設(shè)孔位，因此MP-1000型鉆機(jī)也不適合使用水泥底座固定。鉆機(jī)施壓鉆進(jìn)時(shí)，不計(jì)鉆具浮力，鉆機(jī)受力分析如圖3所示。圖中，鉆機(jī)所受重力為G，地面作用于鉆機(jī)的支持力為G1。斜孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔傾角取α，鉆機(jī)施加的鉆壓為F，地層作用于鉆機(jī)的作用反力為F1。由于下放鉆具時(shí)鉆具與孔壁摩擦產(chǎn)生的摩擦力為F2。F3為地面作用于鉆機(jī)的摩擦力。根據(jù)受力分析可知，在x方向上，F(xiàn)3+Fcosα=F2cosα+F1cosα, 在y方向上,G+Fsinα=G1+F2sinα+F1sinα。由鉆機(jī)受力分析可知，在鉆進(jìn)過程中，施加鉆壓、起下鉆具都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿x軸方向的力。為防止孔斜，必須將鉆機(jī)穩(wěn)固[14]。結(jié)合實(shí)際鉆進(jìn)施工情況，在現(xiàn)場(chǎng)無合適的固定物體時(shí)，我們采用錨桿錨固方式穩(wěn)固鉆機(jī)。在鉆機(jī)左右兩側(cè)以及后方各設(shè)一個(gè)錨固點(diǎn)，用鋼絲繩將錨固點(diǎn)與鉆機(jī)連接，保證鉆機(jī)穩(wěn)固。在加壓鉆進(jìn)時(shí)錨桿可有效防止鉆機(jī)頂起移位。

圖3 鉆機(jī)受力分析圖

用于固定鉆機(jī)的錨桿施工分為兩步：一是鉆進(jìn)錨桿孔；二是將錨桿與地下巖石燒結(jié)在一起。鉆進(jìn)錨桿孔時(shí)采用?60 mm鉆頭鉆進(jìn)，錨固孔方位與鉆孔方位一致，傾角要大于45°，一般以75°為宜。錨桿孔施工時(shí)要注意不能影響正常斜孔施工。錨桿孔深度一般只需幾米，以鉆遇到硬巖時(shí)能夠通過干燒將錨桿熔化固結(jié)到地層上為準(zhǔn)。錨桿的燒結(jié)部分用廢舊鋼管加工而成，便于根據(jù)錨桿孔深度任意調(diào)配長(zhǎng)度，一般不短于500 mm。其底部加工成漸薄的喇叭口形，易于錨桿干燒固結(jié)。錨桿孔施工完成后，提出鉆柱，隨后用鉆桿把錨桿送入孔底。鉆機(jī)開高轉(zhuǎn)速同時(shí)加大壓力，扭矩迅速上升，鉆具柱下降。當(dāng)扭矩突然上升超過2000 N·m 時(shí)，鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，等待幾分鐘使錨桿固結(jié)。隨后可使用鉆機(jī)強(qiáng)力起拔錨桿以測(cè)試錨固結(jié)果。

(2)開孔鉆進(jìn)要小壓力，控制進(jìn)尺保證開孔質(zhì)量。開孔時(shí)輕壓慢轉(zhuǎn)，防止擾動(dòng)土坍塌和防止鉆孔傾角變化[15]。

(3)因?yàn)槭谴笮倍仁┕?，特別是在復(fù)雜地層、強(qiáng)研磨性地層和堅(jiān)硬地層中施工，繩索取心鉆桿和鉆具偏磨較嚴(yán)重，造成其使用壽命降低。在鉆進(jìn)時(shí)，要注意合理控制鉆壓，防止鉆桿彎曲導(dǎo)致鉆具偏磨。選擇合適的鉆具組合，選用高潤(rùn)滑性能的沖洗液以減輕鉆具的偏磨。選用高胎體鉆頭，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減少提下鉆次數(shù)，避免掉塊擠壓鉆具引起孔斜[15-16]。

(4)嚴(yán)格按地質(zhì)要求測(cè)斜，發(fā)現(xiàn)孔斜超差要及時(shí)查找原因并采取相應(yīng)措施。

5 鉆探技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果

結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，選用2臺(tái)MP-1000型便攜式鉆機(jī)進(jìn)行斜孔施工。通過選用合適的鉆進(jìn)工藝，初步克服了施工時(shí)鉆孔漏失、坍塌掉塊等一系列問題。在工期內(nèi)完成45°斜孔8個(gè)，鉆孔施工統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 鉆孔施工統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

該礦區(qū)鉆探施工結(jié)束后經(jīng)地質(zhì)驗(yàn)收，施工鉆孔全部為優(yōu)質(zhì)孔。經(jīng)過該礦區(qū)近2個(gè)月的施工，積累了斜孔施工經(jīng)驗(yàn)。特別是首次施工的45°孔，對(duì)其施工難度、技術(shù)措施有了更深的了解，也對(duì)MP-1000型便攜式鉆機(jī)的施工能力、機(jī)動(dòng)能力有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

(1)MP-1000型便攜式鉆機(jī)體積小，質(zhì)量輕，采用模塊化設(shè)計(jì)，適合用于無法使用大型鉆機(jī)、鉆塔的區(qū)域施工。根據(jù)鉆機(jī)能力，選擇合適的鉆具組合以及施工工藝，有利于提高施工質(zhì)量。

(2)礦區(qū)施工選用錨桿固定鉆機(jī)能夠有效穩(wěn)固MP-1000型鉆機(jī)，從而有效減少鉆進(jìn)過程中發(fā)生鉆孔偏斜。

(3)根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)情況，選擇合適的鉆孔沖洗液能夠有效解決鉆孔漏失以及坍塌掉塊的情況。