鄧 鵬,黃明勇,方 青,陳 濤
(1.貴州省地礦局一〇二地質(zhì)大隊(duì),貴州遵義563000;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì),貴州清鎮(zhèn)551400;3.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一二地質(zhì)大隊(duì),貴州安順561000;4.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114 地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義563000)
貴州省礦產(chǎn)資源豐富,近年來通過實(shí)施貴州省“246”、國家“358”找礦突破戰(zhàn)略行動計劃及整裝勘查項(xiàng)目,錳、鋁、磷、金、重晶石和鉛鋅等重點(diǎn)礦產(chǎn)資源均實(shí)現(xiàn)重大突破,其中富磷礦和重晶石資源量居全國第一,鋁土礦、金礦分別居全國第三和第六,但資源產(chǎn)業(yè)不強(qiáng),資源優(yōu)勢未完全轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隨著我省交通等基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸完善,礦產(chǎn)資源開發(fā)利用和優(yōu)勢轉(zhuǎn)化具備了良好條件,迎來了發(fā)展的有利時期。盡快把豐富的礦產(chǎn)資源轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y產(chǎn),資產(chǎn)變?yōu)楫a(chǎn)業(yè),助推經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展已成為我省迫在眉睫的戰(zhàn)略任務(wù)。為此省委、省政府批示組織開展礦產(chǎn)資源大精查,目的是找準(zhǔn)重點(diǎn)、摸清家底、實(shí)施保護(hù)性開發(fā),為推動我省經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。根據(jù)諶貽琴省委書記、陶長海副省長對《省發(fā)展改革委、省地礦局關(guān)于開展全省重點(diǎn)礦產(chǎn)資源大精查工作建議》的批示,貴州省正安縣旦坪鋁土礦勘探項(xiàng)目列入了全省10 個重點(diǎn)項(xiàng)目之一,于2020 年至2021 年實(shí)施大精查。
貴州省正安縣旦坪鋁土礦精查(勘探)鉆探工程項(xiàng)目位于正安縣城以東,直距16 km,屬正安縣班竹鎮(zhèn)、格林鎮(zhèn)和芙蓉江鎮(zhèn),道真縣棕坪鄉(xiāng),務(wù)川縣涪洋鎮(zhèn)管轄。距務(wù)川氧化鋁廠運(yùn)距80 km。
貴州省正安縣旦坪鋁土礦精查(勘探)項(xiàng)目7 個礦體,本次精查鉆探工程主要為Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ號礦體(見圖1),設(shè)計工作量30950 m/65 個鉆孔。通過貴州省地礦局大精查專班部署,施工單位精心組織,于2020 年5 月15 日正 式 開鉆,開鉆13 臺,目前已完成45 個鉆孔,正在施工6 個鉆孔,共計24093.57 m。累計完成全部工作量的77%以上,鉆孔驗(yàn)收質(zhì)量合格。
區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造為新模向斜,有6 條規(guī)模較小,對礦層破壞較小的斷層發(fā)育。礦區(qū)內(nèi)出露與本次工作關(guān)系較大的地層由老至新依次有志留系下統(tǒng)韓家店組,石炭系上統(tǒng)黃龍組,二疊系下統(tǒng)大竹園組、二疊系中統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組,二疊系上統(tǒng)長興組、吳家坪組及第四系。其間缺失志留系中、上統(tǒng),泥盆系和石炭系大部,現(xiàn)由新至老分述如下:
(1)第四系(Q4),主要分為2 類,一類是分布在礦區(qū)緩坡及地形低洼地帶的黃灰色粘土、亞粘土、砂、巖塊等殘、坡積堆積物;另一類是中二疊統(tǒng)灰?guī)r在懸崖陡坡邊緣崩塌堆積而成的墜積堆積物,巖塊大小不等,雜亂分布于懸崖及陡坡之下。一般厚度0~10 m。
圖1 旦坪鋁土礦工程平面示意Fig.1 Plan of the Danping Bauxite Mine project
(2)二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P3w),主要分布在北部的Ⅱ、Ⅴ號礦體,該地層由一套濱海沼澤相沉積的灰、深灰、灰黑色粘土巖、炭質(zhì)粘土巖、細(xì)晶灰?guī)r、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、鋁土質(zhì)粘土巖、煤層等組成。地層厚108.50~133.46 m,平均124.19 m。
(3)二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m),分布于整個礦區(qū),由深灰色中厚層狀團(tuán)塊灰?guī)r、厚層狀細(xì)晶灰?guī)r夾燧石團(tuán)塊和條帶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾燧石團(tuán)塊灰?guī)r組成。分布面積廣,地表多被溶蝕呈巖溶漏斗及懸崖。從下到上分為3 個段。厚度224.17~421.82 m,平均厚度305.97 m。
(4)二疊系中統(tǒng)棲霞組(P2q),分布于礦區(qū)新模向斜北部轉(zhuǎn)折端兩翼及向斜西翼,地貌上多形成懸崖和陡坎。下部為灰-深灰色中厚層含燧石結(jié)核細(xì)晶灰?guī)r。中部為灰-深灰色中厚-厚層細(xì)晶灰?guī)r夾深灰色中厚層泥質(zhì)灰?guī)r。上部為淺灰-灰色厚層-塊狀細(xì)晶灰?guī)r。厚72.04~129.72 m,平均93.16 m。
(5)二疊系中統(tǒng)梁山組(P2l),為一套黑色炭質(zhì)頁巖、炭質(zhì)粘土巖,含少量星點(diǎn)狀、結(jié)核狀、團(tuán)塊狀黃鐵礦。與下伏地層二疊系下統(tǒng)大竹園組(P1d)呈假整合接觸。厚0~0.70 m。
(6)二疊系下統(tǒng)大竹園組(P1d)系礦區(qū)內(nèi)鋁土礦賦存層位,習(xí)稱鋁土礦含礦巖系。下部為(淺)灰綠、黃綠、灰白色綠泥石粘土巖、鐵綠泥石巖、水云母粘土巖、含鐵質(zhì)或鐵質(zhì)粘土巖、含豆鮞或碎屑狀粘土巖,偶見黃鐵礦(層)赤鐵礦層;中上部為灰白色、淺灰色、灰色、深灰-黑灰色碎屑狀、豆鮞狀、致密狀、半土狀鋁土礦或鋁土巖,常見黃鐵礦呈團(tuán)塊狀、結(jié)核狀、星點(diǎn)狀、細(xì)脈狀和葉片狀產(chǎn)出;頂部為灰白、淺灰色、灰色粘土巖,含豆鮞(復(fù)豆鮞)狀及碎(礫)屑狀粘土巖。與下伏地層石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)或志留系下統(tǒng)韓家店組(S1hj)呈假整合接觸。厚1.89~11.84 m,平均5.88 m。
(7)石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h),僅在少量鉆孔及地表見零星分布,為一套灰、灰白和肉紅色中厚層至塊狀細(xì)-粗晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。該組大部剝蝕,多呈孤立的古溶丘零星分布。與下伏地層志留系下統(tǒng)韓家店組呈假整合接觸。厚0~3.90 m。
(8)志留系下統(tǒng)韓家店組(S1hj),分布于礦區(qū)新模向斜北部轉(zhuǎn)折端兩翼及向斜西翼,為一套紫紅、灰綠色頁巖、泥巖、粉砂質(zhì)頁巖,局部夾薄層粉砂巖及灰?guī)r。厚度>200 m。
總之整個礦區(qū)堅硬巖石主要是石灰?guī)r、細(xì)晶灰?guī)r,可鉆性級別4~10 級,巖溶裂隙發(fā)育,溶洞規(guī)模不一,整個礦區(qū)幾乎全為頂漏鉆進(jìn),破碎地層出現(xiàn)掉塊卡鉆情況。
巖心采取率≥65%,礦心采取率≥80%;測斜要求直孔每100 m 測量一次,斜孔每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≮130 mm。
(1)上部地層破碎(見圖2)、多為溶蝕塌積堆積層,易坍塌掉塊卡鉆,鉆進(jìn)效益低,終孔后丟套管風(fēng)險高。
圖2 上部破碎巖心照片F(xiàn)ig.2 Broken cores from the upper borehole
(2)中部地層破碎(見圖3)、巖溶發(fā)育,溶洞高度達(dá)5~19 m 不等,造成大量工作報廢,同時影響工期進(jìn)度。
圖3 中部破碎巖心照片F(xiàn)ig.3 Broken cores from the mid-section
選用的鉆探設(shè)備及工具見表1。
根據(jù)該礦區(qū)以往的施工經(jīng)驗(yàn),地層相對較完整,以往條件有限,采用鉆孔結(jié)構(gòu)為?110-91-75 mm,?91 mm 作預(yù)留口徑。但考慮到上覆地層比較破碎,并且?guī)r溶裂隙較發(fā)育,會影響鉆進(jìn)效率,乃至影響該項(xiàng)目整體進(jìn)度,將鉆孔結(jié)構(gòu)更改為?150-122-95-75 mm 或 者?130-110-91-75 mm 四級成孔。?150 mm 開孔鉆至基巖下入?146 mm 套管,換?122 mm 繩索取心鉆進(jìn)至120 m 左右,地層相對較完整下入?114 mm 套管,換?95 mm 繩索取心鉆進(jìn)至300~400 m,地層完整后下入?89 mm 套管,再換?75 mm 繩索取心鉆進(jìn)至終孔。通過將近1 年的施工實(shí)踐證明,這種鉆孔結(jié)構(gòu)合理并適用,成孔率高,遇一般溶洞均能解決,鉆進(jìn)效率也隨之提高。水文孔根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求鉆孔結(jié)構(gòu)?175-150-130 mm,?150 mm 至少鉆進(jìn)120 m,終孔口徑≮130 mm。
表1 鉆探設(shè)備及工具選用情況Table 1 Drilling equipment and tools
針對該礦區(qū)中硬巖石破碎對金剛石、擴(kuò)孔器磨損嚴(yán)重的情況,通過增加鉆頭、擴(kuò)孔器外徑及胎體硬度辦法加以解決。該礦區(qū)選擇外徑比普通鉆頭增加2 mm,嚴(yán)格按照排隊(duì)使用的原則。
可鉆性在8級以下地層選用底唇面平底形或鋸齒形,胎體硬度為HRC25~30,金剛石粒度60~80 目的孕鑲鉆頭鉆進(jìn)效果極好,鉆頭平均壽命達(dá)200 m。
可鉆性8 級以上地層(燧石團(tuán)塊)鉆進(jìn)緩慢,選擇HRC10~20的金剛石鉆頭。鉆頭平均壽命達(dá)100 m。
在7 個月連續(xù)的鉆探施工過程中,對礦區(qū)地層有了充分的了解,在不同的礦體區(qū)塊、鉆孔、地層、孔深、孔徑鉆進(jìn)中繩索取心鉆進(jìn)參數(shù)有微妙的變化,結(jié)合2015 年貴州頁巖氣班竹1 井施工情況,在鉆進(jìn)過程中,根據(jù)各種地層的鉆進(jìn)速度、設(shè)備工作狀態(tài)和完孔質(zhì)量逐步優(yōu)化各參數(shù)。最終確定適合該礦區(qū)各種巖石的鉆進(jìn)參數(shù)(見表2)。
該礦區(qū)Ⅱ號礦體上覆地層破碎,裂隙發(fā)育多為溶蝕塌積堆積層,鉆進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)起鉆后加不起鉆桿的現(xiàn)象,通過先用大口徑鉆進(jìn),起鉆后將套管連接上跟管鉆頭下到位,然后采用小一徑通孔,通孔成功后將大一徑的套管跟管至穩(wěn)定地層。若之后繼續(xù)出現(xiàn)該情況,可視孔深情況采取繼續(xù)跟管或下小一徑套管,采用該方法成孔率達(dá)100%。
表2 鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters
巖石破碎導(dǎo)致全孔頂漏鉆進(jìn),為了提高鉆進(jìn)效率,防止卡鉆及坍塌,起初各機(jī)臺采用在鉆桿外壁抹油脂,起到了一定的潤滑作用。隨后在ZK5724采用水泥封孔護(hù)壁[11-12]試驗(yàn),該孔護(hù)壁孔段40~80 m,前后通過6 次灌漿12 天時間穿越該孔段并成功終孔。
通過分析以上2 種方法,在鉆桿外壁抹油脂解決不了根本問題,并且對機(jī)臺造成污染,與綠色勘查背道而馳,不宜采納。水泥護(hù)壁效果明顯,但周期長,對整個工期影響大,并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失,同樣不宜采納。
對比了2 種方法后,通過采用目前較為成熟的聚合物凝膠進(jìn)行潤滑、堵漏及護(hù)壁。當(dāng)聚丙稀酰胺聚合物分子溶于水后,聚合物分子主鏈或側(cè)鏈可通過化學(xué)鍵與十二烷基硫酸鈉高價金屬離子相連接,形成一種可包裹自由水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),即形成具有粘彈力的凝膠體(見圖4)。首先在凝膠完成凝膠前以液體或高粘稠流體進(jìn)入破碎地層、裂隙等漏失通道,使之盡可能覆蓋漏失層。對覆蓋不了的地層采用將高粘稠流體從井口沿管壁倒入,流體在鉆桿壁形成光滑的膜,隨著鉆桿轉(zhuǎn)動延伸到下部。通過逐漸將流體倒入孔內(nèi),凝膠停滯在井筒、破碎漏失段,隨著時間的延長逐漸成膠,起到堵漏護(hù)壁的作用。泥漿配方:清水+0.3%PHP+0.2%十二烷基硫酸鈉+1%植物膠+1%細(xì)木屑(骨架材料)。
圖4 凝膠體成膠Fig.4 Gel formation
ZK5026 鉆孔泥夾石層深達(dá)205 m,終孔后起拔?89 mm 套管困難,采用75 kN 液壓千斤頂拔,過程中沿套管外壁不斷倒入聚丙烯酰胺,成功起拔。ZK4130 鉆孔泥夾石層150 m,同樣采取千斤頂拔,同樣用ZK5026 的方式,結(jié)果從70 m 處斷,剩余? 89 mm 套管殘留在孔內(nèi),采用公錐處理無果,最終采用水力內(nèi)割刀割管[13],僅起拔50 m,最后通過反絲鉆桿成功將剩余的全部起拔。通過鉆孔情況綜合分析,礦區(qū)普遍存在此類情況,為了減少經(jīng)濟(jì)損失、縮短鉆進(jìn)周期,采用加工反絲套管作為護(hù)壁套管,當(dāng)不能成功起拔時,可以采用反鉆桿的方式處理。
下反絲套管應(yīng)注意確保套管底部一定在完整巖石上,避免鉆進(jìn)時反絲套管脫扣。其次是下管的同時切記在管外壁涂抹聚合物凝膠,提高成功起拔的機(jī)率。
該礦區(qū)截止目前遇大溶洞共計9 個,其中溶洞高度最大19 m(見表3)。主要分布在茅口組一段地層,通過綜合分析所遇溶洞鉆孔,溶洞發(fā)育多為沿巖層順層縱向發(fā)育,堵漏材料根本起不了效果,沿著巖溶通道流失材料消耗大,并且對地下水產(chǎn)生污染,唯有采用套管護(hù)壁是行之有效的方法。實(shí)施過程中嚴(yán)格遵守“泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)-長鉆具穿越溶洞-套管封隔”工序。
表3 鉆遇的溶洞Table 3 Caves encountered in drilling
鉆進(jìn)過程中遇到溶洞后首先探孔,ZK15204 孔遇溶洞后,首先采取停止鉆進(jìn)下放鉆具,下放到336~355.5 m 時發(fā)現(xiàn)憋鉆桿,測出洞高9.5 m。然后將鉆具提到溶洞頂板,采用輕壓慢鉆的方式探孔353.5 m 探到底板,洞高7.5 m,通過多個鉆孔印證了該礦區(qū)最佳的探孔方式。
穿過溶洞后最重要的就是造眼,鉆孔能否順利終孔就靠造眼成功與否。為了防止產(chǎn)生孔斜導(dǎo)致鉆具折斷、鉆孔報廢,采用加工長鉆具,即超過溶洞的深度,絲扣處用絲扣膠粘結(jié)以防脫落。輕壓(2~4 kN)、慢轉(zhuǎn)(200~300 r/min),待鉆頭在巖石上刻取出臺階后慢慢增加壓力。過程中泵量調(diào)到最大,防止造眼過程中燒鉆造成二次事故。穿越溶洞1~2 m 后,提鉆下入套管,溶洞部位必須使用長套管,空洞部位盡量無接頭或?qū)⒔宇^部位置于空洞下部,套管絲扣使用高強(qiáng)絲扣膠粘結(jié)以防脫扣,套管外壁涂抹聚合物凝膠以順利起拔,套管口及底部采用柔性材料封隔,鉆進(jìn)過程中每班需檢查套管,遇脫扣后立即處理。下入套管后采用繩索取心鉆進(jìn),轉(zhuǎn)速≯500 r/min,以防鉆進(jìn)中套管折斷。
通過套管封隔成功處理12 m 以內(nèi)的溶洞6 個,在該礦區(qū)取得明顯的效果,報廢工作量從以往的10%降低到3%,提高了成孔率。
盡管通過套管護(hù)壁處理了12 m 以內(nèi)溶洞,但直接影響了工期、增加了鉆探成本。為了避免遇到溶洞,經(jīng)項(xiàng)目部協(xié)商通過采用物探瞬變電磁法查明巖溶空間分布情況。采用西安強(qiáng)源物探研究所研制的EMRS-2B 型電磁礦產(chǎn)勘探儀,利用瞬變電磁儀3 m×3 m 線框重疊回線裝置發(fā)射一次電流脈沖場激勵地下介質(zhì)產(chǎn)生渦流(見圖5),在脈沖間斷期間渦流周圍空間形成隨時間衰減的二次場。通過發(fā)射電流的形態(tài)和頻率及接收二次磁場隨時間衰減規(guī)律分析異常體的導(dǎo)電性、體積規(guī)模、埋深等信息,從而結(jié)合地質(zhì)推測解譯目標(biāo)地質(zhì)體的空間展布形態(tài),達(dá)到了巖溶勘查的目的。
現(xiàn)場進(jìn)行了31 個鉆孔的物探工作,由于ZK14706 位置地形條件差,陡崖平場困難,未按建議孔位鉆進(jìn),最終未能成功避開大溶洞,其余鉆孔均成功避開大溶洞順利終孔,成功率達(dá)97%。根據(jù)以往泥堡南金礦物探勘查、大竹園鋁土礦勘查、豬拱塘鉛鋅礦水文孔物探勘查的成功經(jīng)驗(yàn),結(jié)合該礦區(qū)實(shí)際應(yīng)用情況,得出瞬變電磁法對于強(qiáng)巖溶地區(qū)指導(dǎo)鉆探效果極佳。
圖5 瞬變電磁法原理示意Fig.5 Schematic diagram of the transient electromagnetic method
貴州省旦坪鋁土礦截止目前共施工鉆孔51 個,累計完成鉆探進(jìn)尺24093.57 m,巖心最低采取率90%,礦心最低采取率95%,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%。
為了減小鉆孔彎曲度,采取以下保障措施:
(1)安裝設(shè)備前必須保證機(jī)臺穩(wěn)固,對于機(jī)臺位于覆土位置時,通過石混加固。若有填方,填方部位不得超過1/4。
(2)開孔時,嚴(yán)禁使用彎曲的主動鉆桿,避免主動鉆桿擺動造成的鉆孔偏斜。
(3)鉆進(jìn)過程中嚴(yán)禁質(zhì)量不合格及彎曲鉆具下入孔內(nèi)。
(4)擴(kuò)孔時要帶內(nèi)導(dǎo)正器,換徑時要帶外導(dǎo)正器。導(dǎo)向管、鉆具及鉆桿中心線必須一致。
(5)鉆進(jìn)過程中加大測斜密度,直孔每100 m 測斜一次,斜孔每50 m 測斜一次。
通過分析以往羅盤測斜儀測斜數(shù)據(jù),得出方位角受磁場影響大,故通過采購上海光學(xué)儀器無纜光纖陀螺測斜儀進(jìn)行該礦區(qū)測斜,力爭更加真實(shí)地反映鉆孔彎曲度,及時采取補(bǔ)救措施。該礦區(qū)直孔頂角偏差≯2°/100 m,斜孔≯3°/100 m,且方位角偏差均不超過勘探網(wǎng)的1/3~1/4。
該項(xiàng)目于2020 年5 月15 日正式開孔,截止2020年12 月10 日已 終孔45 個,正在施工6 個,總 共完成進(jìn)尺24093.57 m,已終鉆孔均達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。
旦坪鋁土礦施工7 個月,臺月效率從以往的400 m 增加到573 m,鉆月效率從300 m 增加到392 m。在長期的施工中,通過鉆探工藝的不斷優(yōu)化組合和改進(jìn),逐步解決了礦區(qū)地層復(fù)雜、溶洞發(fā)育、地質(zhì)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格所造成的施工技術(shù)難題。從表4 可以看出,鉆月效率及臺月效率逐漸提高。
表4 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計Table 4 Drilling efficiency data
針對旦坪鋁土礦區(qū)施工難題,通過采取一系列的措施,在該礦區(qū)取得了優(yōu)異的成績,既提高了鉆進(jìn)效益又大大降低了鉆探成本。為以后該礦區(qū)及類似礦區(qū)提供了技術(shù)保障及支撐,具有示范及推廣作用。
(1)通過采用跟管鉆進(jìn)工藝,成功解決了上覆溶蝕塌積堆積層鉆進(jìn)施工,提高了成孔率。
(2)對比在鉆桿外壁涂抹油脂和灌漿護(hù)壁的利弊,采用聚合物凝膠潤滑堵漏劑,達(dá)到了極好的護(hù)壁效果。最終預(yù)防了巖層破碎造成的卡鉆、坍塌等孔內(nèi)復(fù)雜事故的發(fā)生。
(3)為預(yù)防套管不能成功起拔,通過加工反絲套管,解決了坍塌地層丟套管的問題,減少了經(jīng)濟(jì)損失,同時也縮短了施工周期。
(4)運(yùn)用“泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)-長鉆具穿越溶洞-套管封隔”解決了該礦區(qū)12 m 以內(nèi)的溶洞鉆進(jìn)的難題。結(jié)合物探瞬變電磁法有效避免了施工中遇大溶洞的風(fēng)險,減少了報廢工作量,加快了施工進(jìn)度。
旦坪鋁土礦作為貴州省礦產(chǎn)資源大精查項(xiàng)目,在任務(wù)重、工期緊的情況下,解決了破碎坍塌卡鉆、大溶洞成孔等難題,為該區(qū)鋁土礦大精查提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。