王家莊北溝多金屬礦區(qū)鉆探施工技術(shù)

于志堅(jiān)， 耿 印， 于保國(guó)， 邢運(yùn)濤， 王景章， 丁國(guó)東， 王 越， 劉 存

(河北省地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000)

1 礦區(qū)地層情況簡(jiǎn)介

河北省承德縣王家莊北溝鉬多金屬礦區(qū)內(nèi)出露的地層主要有中晚元古代薊縣系碳酸鹽巖、早古生代寒武系沉積巖、中生代侏羅系火山碎屑巖和新生代第四系松散沉積物。

薊縣系霧迷山組地層預(yù)查區(qū)內(nèi)出露地層厚度約1600 m，沉積厚度較大。主要巖性為厚層狀燧石條帶白云巖，夾薄層燧石巖、(含)炭質(zhì)白云巖及少量硅質(zhì)頁(yè)巖。燧石條帶白云巖，白云巖與燧石條帶互層，白云巖一般厚度0.5～2.5 m，燧石條帶一般厚度0.1～0.5 m，局部形成交錯(cuò)層理。白云巖主要為粉晶泥晶白云巖，粉晶泥晶結(jié)構(gòu)，含少量或不含灰質(zhì)，硬度相對(duì)較高。硅質(zhì)燧石巖層為霧迷山組典型燧石巖層，硬度極高，主要由隱晶髓質(zhì)石英組成。(含)炭質(zhì)白云巖呈中薄層狀、透鏡狀?yuàn)A雜在燧石條帶白云巖中，局部可見明顯的炭質(zhì)條帶，炭質(zhì)含量可達(dá)10%～15%。硅質(zhì)頁(yè)巖，含量較低，多呈半風(fēng)化，半氧化狀態(tài)，分布在硅質(zhì)燧石巖邊部，硬度較低，部分含少量細(xì)砂，形成含砂硅質(zhì)頁(yè)巖。礦化體主要產(chǎn)出于中上部燧石條帶白云巖、硅質(zhì)巖等交互出現(xiàn)的脆性構(gòu)造破碎帶內(nèi)。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)

在鉬多金屬礦區(qū)，由于鉆遇的巖石種類較多，破碎嚴(yán)重，地層相對(duì)復(fù)雜，因此，本礦區(qū)設(shè)計(jì)的5個(gè)鉆孔，均采取多級(jí)孔徑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。ZK05號(hào)鉆孔位于河床，開孔采用?130 mm硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，取出的巖心主要為成“粥”狀的黃土泥石混雜物，鉆進(jìn)至6.85 m后穿過覆蓋層下入?127 mm孔口管，水泥固定；然后換?110 mm硬質(zhì)合金單管鉆進(jìn)至25.35 m，下入?108 mm套管，因?yàn)闇\層巖石較為破碎，軟硬互層，裂隙也較發(fā)育，所以要求完全確認(rèn)地層較為穩(wěn)定后再換徑；然后采用?95 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至182.90 m，現(xiàn)場(chǎng)觀察巖心完整，鉆進(jìn)順利，故下入?89 mm套管；再使用?75 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔[1-3]。ZK05號(hào)鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZK05孔鉆孔結(jié)構(gòu)

3 根據(jù)巖心加工特制鉆頭

王家莊北溝礦區(qū)在施工中鉆遇“打滑”地層，使用胎體硬度HRC8～15鉆頭能正常鉆進(jìn)0.3 m，投石料磨鉆頭，導(dǎo)致鉆頭磨損過快，鉆頭壽命≯2 m。選用HRC20～30鉆頭鉆進(jìn)，基本上不進(jìn)尺。在鉆進(jìn)中采取調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)、投料磨刃等多種措施，每臺(tái)班鉆進(jìn)仍不超過1.2 m。根據(jù)巖心巖性分析，巖石可鉆性為9～11級(jí)。為此，經(jīng)專家咨詢，選取了代表性巖心進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果制作適應(yīng)性好的鉆頭，以提高鉆進(jìn)效率[4]。

通過光薄片鑒定(見圖2、圖3)可知，該“打滑”地層巖石組成以白云石、石英和玉髓為主，巖石可鉆性高達(dá)9～11級(jí)，石英含量50%左右，粒徑在0.01～0.03 mm ,是典型的“打滑”地層。為了解決這一難題，通過分析研究，制作了適合礦區(qū)地層的 “三低一高” 特殊金剛石鉆頭，即胎體硬度低(HRC10～20)，低濃度(40%～60%)，低目數(shù)(40～60目混合)，高品級(jí)金剛石。鉆頭胎體采用鐵基預(yù)合金粉末，配料為Fe、Cu、 Ni、Co、WC，鉆頭制造工藝采用熱壓燒結(jié)形成金剛石胎體塊，再采用低溫二次鑲焊成型技術(shù)制作。該鉆頭明顯提高了出刃性能和抗研磨能力，在實(shí)際使用中，每回次進(jìn)尺可以達(dá)到1.5 m，再配合有效的施工工藝明顯提高了鉆進(jìn)效率。鉆頭壽命可達(dá)48 m左右。

圖2 王家莊巖心

圖3 王家莊巖心顯微照片

4 提高“打滑”地層鉆進(jìn)效率的方法

4.1 采用輔助措施使鉆頭出刃

(1)酸蝕法。將濃鹽酸與濃硝酸按3∶1的比列配置成“王水”，把打滑金剛石鉆頭底唇面浸在“王水”中溶蝕20 min ，使鉆頭底唇面金剛石出露。

(2)干磨法。把打滑鉆頭裝在地表鉆床上，通過干磨石英砂或金剛砂10～20 min 使鉆頭底唇面金剛石出刃。

(3)地表噴砂法。將打滑鉆頭放在砂機(jī)上噴砂處理幫助鉆頭出刃，噴砂時(shí)間以金剛石出露為宜，不得過長(zhǎng)時(shí)間處理造成金剛石脫落，影響鉆頭壽命。

(4)孔底投石料。把石英巖砸成直徑3 cm 左右的石塊向孔內(nèi)投入15～30塊，先采用低轉(zhuǎn)速、小泵量(或不供水)磨3～5 min迫使金剛石鉆頭出刃后轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。

4.2 選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)

“打滑”地層鉆進(jìn)時(shí)采用高鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量即“一高、一低、一小”的鉆進(jìn)參數(shù)。高鉆壓：鉆進(jìn)“打滑”地層鉆壓一般高于同口徑正常鉆壓的1.5～2倍。低轉(zhuǎn)速：一般控制線速度在1 m/s左右，75 mm口徑250 r/min左右。小泵量：一般控制泵量在50 L/min以內(nèi)[5-6]。以75 mm口徑為例，普通地層與“打滑”地層鉆進(jìn)參數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)參考數(shù)值見表1。

表1 鉆進(jìn)參數(shù)

4.3 依據(jù)鉆進(jìn)破碎機(jī)理，采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

使用繩索取心液動(dòng)錘鉆具進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在縱向沖擊動(dòng)載和回轉(zhuǎn)剪切共同作用下破碎巖石。在“打滑”地層鉆進(jìn)使用此工藝能有效地提高鉆進(jìn)效率[4]。

5 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇及時(shí)效對(duì)比

5.1 鉆探工藝的選擇

繩索取心工藝技術(shù)在王家莊礦區(qū)作為主要應(yīng)用的鉆進(jìn)方法，在鉆進(jìn)中遇到堅(jiān)硬“打滑”地層，回次進(jìn)尺低，減少提下鉆時(shí)間，充分體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)。但是繩索取心工藝所用的鉆頭比常規(guī)鉆頭胎體厚，相對(duì)鉆進(jìn)時(shí)效較低[4，7-9]。

多金屬礦勘查規(guī)范中要求鉆孔終孔口徑≥75 mm。鉆具規(guī)格的選擇要根據(jù)鉆孔的設(shè)計(jì)深度選擇：設(shè)計(jì)孔深超過1000 m時(shí)選擇S77 mm口徑終孔；低于1000 m的鉆孔選擇S75 mm口徑終孔。采用S95 mm繩索取心鉆進(jìn)在淺孔施工中鉆進(jìn)深度一般在100 m以淺，進(jìn)入基巖后選擇S95鉆進(jìn)到一定深度，穿過預(yù)測(cè)破碎孔段后下套管。繩索取心鉆具分為重型繩索取心鉆桿和鐓粗型繩索取心鉆桿2種，鉆頭口徑相同，鉆桿的壁厚不同。一般情況下選擇鐓粗鉆桿施工，由于鉆桿質(zhì)量輕，在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)中相對(duì)更省力，對(duì)發(fā)電機(jī)組的耗油量及鉆機(jī)的磨損都要小[10]。 S95鐓粗型繩索取心鉆桿由于鉆桿上下內(nèi)徑相同，在鉆遇復(fù)雜地層時(shí)強(qiáng)行通過后，可以不提鉆把鉆桿做套管直接換S75繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)。繩索鉆桿內(nèi)外徑對(duì)比見表2。

表2 繩索取心鉆具內(nèi)外徑對(duì)比

5.2 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

王家莊北溝礦區(qū)共計(jì)施工5個(gè)鉆孔，其中ZK01、ZK02、ZK03、ZK04號(hào)鉆孔孔深較淺，使用的鉆進(jìn)參數(shù)不做具體介紹。現(xiàn)對(duì)ZK05號(hào)鉆孔實(shí)際施工中所選擇的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析。

5.2.1 鉆進(jìn)壓力

ZK05孔25.35 m以淺孔段為?130、110 mm鉆進(jìn)，鉆壓分別控制在6～12、10～20 kN。25～182.90 m孔段為?91 mm鉆進(jìn)，鉆壓2.5～3.5 kN。182.90 m到終孔孔深710 m孔段為?75 mm鉆進(jìn)，鉆壓16～25 kN。其中在鉆穿構(gòu)造破碎帶時(shí)鉆壓控制在13～17 kN；在鉆遇堅(jiān)硬“打滑”的硅質(zhì)巖時(shí)，保證安全的前提下適當(dāng)加大鉆壓，實(shí)際鉆進(jìn)中鉆進(jìn)壓力不超過30 kN[11-12]。

5.2.2 轉(zhuǎn)速

ZK05號(hào)孔施工使用XY-44型巖心鉆機(jī)，轉(zhuǎn)速控制在200～400 r/min，根據(jù)該機(jī)型擋位參數(shù)，具體選用轉(zhuǎn)速為217、254、316 r/min。開孔時(shí)地層為砂巖，選擇高轉(zhuǎn)速(316 r/min)進(jìn)尺快，機(jī)械鉆速平均為3.4 m/h；鉆遇硅質(zhì)白云巖時(shí)，更換定做鉆頭，選擇轉(zhuǎn)速為254 r/min，進(jìn)尺雖然慢但也相差不多，機(jī)械鉆速在2.7 m/h；穿過硅化層鉆遇硬巖繼續(xù)用254 r/min，機(jī)械鉆速比硅化層中稍快，在2.9 m/h左右。通過分析對(duì)比可得知在普通硬巖中不一定高轉(zhuǎn)速就提高綜合效率，轉(zhuǎn)速高可能開始時(shí)進(jìn)尺很快，磨鈍之后效率就會(huì)驟降。施工中鉆遇燧石條帶硅質(zhì)巖石是典型的“打滑”地層，特殊情況采取特殊手段直至鉆穿“打滑”地層，正常鉆進(jìn)[11-14]。

根據(jù)ZK05孔的實(shí)際鉆進(jìn)參數(shù)記錄資料，繪制了該孔在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械鉆速(見圖4)。

圖4 ZK05孔機(jī)械鉆速與轉(zhuǎn)速關(guān)系

5.3 時(shí)效對(duì)比

王家莊北溝礦區(qū)同時(shí)開動(dòng)鉆機(jī)2臺(tái)套，施工中ZK04號(hào)鉆孔使用了S75 mm口徑鉆具施工、ZK05號(hào)鉆孔使用S77 mm口徑鉆具施工。兩孔使用不同規(guī)格鉆具綜合情況對(duì)比見表3。

表3 使用不同規(guī)格的鉆具綜合情況對(duì)比

理論上在完整巖石中鉆進(jìn)，使用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，通過提高轉(zhuǎn)速來提高效率。但是在超硬巖石中鉆進(jìn)，選擇的鉆進(jìn)參數(shù)的原則是：高鉆壓，低轉(zhuǎn)速。超硬巖石中進(jìn)尺慢，鉆頭破碎產(chǎn)生的巖粉少，鉆頭的線速度越高越容易導(dǎo)致鉆頭提前磨鈍，不出刃，導(dǎo)致提鉆次數(shù)過多，輔助時(shí)間增長(zhǎng)。另外，S75 mm的鉆頭比S77 mm鉆頭內(nèi)徑大，底唇面薄，克取巖石的面積小。在鉆探取樣時(shí)取得的巖心直徑越大越有利于準(zhǔn)確計(jì)算礦品位。在施工中選擇標(biāo)準(zhǔn)口徑鉆頭在單桿進(jìn)尺時(shí)間和巖心采取率上優(yōu)于非標(biāo)準(zhǔn)口徑鉆頭。

6 鉆井液的配制與現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)

6.1 破碎地層護(hù)壁

繩索取心鉆進(jìn)工藝，鉆柱與孔壁的環(huán)狀間隙小，可一定程度上防止孔內(nèi)坍塌、掉塊，一般只需用水解聚丙烯酰胺(PHP)配制無固相鉆井液即可，這樣既可以達(dá)到護(hù)壁潤(rùn)滑效果，又安全環(huán)保，還能降低鉆探成本，同時(shí)PHP鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)使用過程中也便于維護(hù)[15-16]。

配制方法：1 m3清水+0.05%～0.1%PHP充分?jǐn)嚢柘♂屓芙夂笫褂谩?/p>

鉆遇破碎地層，鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)過程中有輕微掉塊，致使回轉(zhuǎn)阻力增大、電流表不穩(wěn)，采用低粘增效粉(LBM)配制的低固相鉆井液可獲得良好的護(hù)壁效果。配制方法：1 m3清水+2%～4%LBM干粉+0.5%～1%的皂化油。若孔內(nèi)回轉(zhuǎn)阻力不大可用鈉基膨潤(rùn)土配制低固相鉆井液使用。

地層破碎非常嚴(yán)重，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)松散，非泥質(zhì)膠結(jié)等破碎的斷層中鉆進(jìn)，下鉆遇阻反復(fù)掃孔也無法通過時(shí)，要根據(jù)孔深等綜合情況來確定是否采用套管護(hù)壁(一般下入深度為500 m以淺)，若鉆孔設(shè)計(jì)較深，繼續(xù)施工后下部地層情況不明的情況下，采用灌注水泥漿的方法護(hù)壁更合理[17-18]。例如，ZK05孔鉆進(jìn)至206～209 m孔段時(shí)遇破碎帶，漏失嚴(yán)重，地層破碎，現(xiàn)場(chǎng)巖心見圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)巖心照片

項(xiàng)目組現(xiàn)場(chǎng)采取灌注水泥漿封堵漏失層，經(jīng)過2次灌水泥操作，封堵效果較好，順利終孔。

6.2 輕微縮徑地層采取的措施

輕微縮徑地層鉆進(jìn)，往往會(huì)引起鉆具回轉(zhuǎn)阻力大，為降低回轉(zhuǎn)阻力，開足轉(zhuǎn)速，提高鉆進(jìn)效率[17,19-21]，一般可選用潤(rùn)滑效果好的油酸鈉陰離子型乳狀液減阻，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。配制油酸鈉陰離子型減阻液的方法如下：

首先在溫度60～90 ℃的熱水中加入50%～60%的油酸鈉，待其全部溶化后，再加入10%～20%的柴油或廢機(jī)油混合均勻，配成油酸鈉乳狀液。

如果鉆孔返水將沖冼液配成濃度0.5%～1%的油酸鈉乳狀液溶液。如個(gè)別孔段不返水，則將油酸鈉乳狀液體稀釋成濃度5%左右的溶液，沿鉆桿倒入孔內(nèi)直接潤(rùn)滑鉆具。

王家莊北溝礦區(qū)使用油酸鈉乳狀液潤(rùn)滑鉆具，潤(rùn)滑效果很好。實(shí)際鉆進(jìn)中，鉆孔漏失，鉆進(jìn)液失返，鉆具回轉(zhuǎn)吃力，電流表電流急劇上升，最多高出正常鉆進(jìn)時(shí)電流的70%，加入油酸鈉乳狀液后，電流明顯下降，可迅速使電流恢復(fù)正常。

6.3 用于水敏性地層的鉆井液

水敏性地層主要指遇水膨脹和分散地層。該類地層應(yīng)采用高抑制性鉆井液體系，要求鉆井液API濾失量≤10 mL，抑制性強(qiáng)[19,22]。

在泥質(zhì)膠結(jié)、糜棱巖化等水敏性地層中鉆進(jìn)，地層造漿、吸水膨脹、縮徑是造成孔壁坍塌、下鉆不到底、憋泵的主要原因。通常使用失水量較低的無固相鉆井液或低固相鉆井液護(hù)壁，用化學(xué)聚合物、護(hù)壁劑、膨潤(rùn)土配制鉆井液效果明顯。鉆井液配方：1 m3清水+4%膨潤(rùn)土+8%火堿+0.3%～0.5%CMC+1%～2%廣譜護(hù)壁劑+1%～2%KHM。鉆井液性能參數(shù)：密度1.02～1.04 g/cm3，粘度20～27 s，失水量8～15 mL/30 min，泥皮厚0.3～1 mm，pH值8.5。

該鉆井液體系成功解決了我隊(duì)在多個(gè)深孔施工中鉆孔縮徑的難題。鉆探施工中，如果發(fā)現(xiàn)超過0.5 m的水敏性地層巖心，一定要立即停止鉆進(jìn)，調(diào)換鉆井液體系，配制抑制地層吸水膨脹的鉆井液，充分循環(huán)，多次測(cè)試鉆井液性能參數(shù)都達(dá)標(biāo)的情況下方可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆遇水敏地層時(shí)一般情況泵壓會(huì)有所增高，電流表指數(shù)增大，循環(huán)液中的巖粉增多，撈取巖粉仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)有軟質(zhì)的巖石顆粒等等。遇到上述情況，應(yīng)該立即撈取巖心，根據(jù)巖層對(duì)原用的鉆井液性能作出調(diào)整[22]。

鉆進(jìn)中一旦遇到水敏性地層，通過調(diào)整鉆井液性能抑制住了鉆孔縮徑，在后續(xù)鉆進(jìn)中必須保證鉆井液的性能參數(shù)不能有大的變化，隨時(shí)測(cè)試，及時(shí)加入所需的鉆井液處理劑。做好鉆井液的凈化處理，及時(shí)清理鉆井液槽，保證鉆井液的固相含量不超標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，維護(hù)好鉆井液的性能是所施工的鉆孔能否順利終孔的關(guān)鍵[14,19,22]。

7 結(jié)語

多金屬礦地層中鉆探施工，地層較為復(fù)雜，巖石硬、脆、碎。在施工中要采取多種措施強(qiáng)制鉆頭出刃，選擇合理的施工工藝和鉆進(jìn)參數(shù)，合理選擇鉆井液確?？妆诎踩Ｔ谕跫仪f北溝礦區(qū)施工中主要采取了以下措施。

(1)根據(jù)所鉆巖石物理性質(zhì)，加工與地層相適應(yīng)的金剛石鉆頭。采取多種方法促使金剛石出刃，以提高鉆進(jìn)效率。

(2)選擇繩索取心工藝技術(shù)，除特殊情況不使用非標(biāo)鉆頭。盡可能地減小鉆頭底唇面，這樣既可以提高鉆進(jìn)效率又可以提高巖礦心采取率。

(3)在堅(jiān)硬“打滑”地層中鉆進(jìn)，選擇鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)盡可能使用小泵量、低轉(zhuǎn)速、大鉆壓更能提高鉆進(jìn)效率。

(4)根據(jù)地層及時(shí)調(diào)整鉆井液性能。完整地層選擇PHP等成本較低的鉆井液，水敏地層鉆進(jìn)配制抑制性較強(qiáng)的低固相鉆井液護(hù)壁效果更好。

(5)根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整施工方法。