某礦區(qū)深孔鉆探施工技術(shù)研究

陳方尤，陳 帥

（廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西壯族自治區(qū) 柳州 545005）

1 引言

隨著礦業(yè)勘探的不斷深入，淺部勘探已經(jīng)不能滿足對于深部礦層信息的需求。深孔鉆探作為一種高效且準(zhǔn)確的勘探手段，在獲取深部地質(zhì)信息和優(yōu)化資源開發(fā)方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，針對廣西某礦區(qū)的深孔鉆探施工技術(shù)進(jìn)行研究，不僅可以為該礦區(qū)的資源開發(fā)提供有力支持，還可以為類似地質(zhì)情況下的礦區(qū)勘探提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

2 地質(zhì)背景與工程目的

2.1 礦區(qū)地理位置與地質(zhì)概況

廣西某礦區(qū)位于南丹縣芒場鎮(zhèn)北面，距離縣城19 km，孔明村附近，隸屬于芒場鎮(zhèn)管轄。交通便利，黔桂二級公路和黔桂鐵路貫穿于工作區(qū)的東側(cè)，距離南丹火車站17 km，芒場鎮(zhèn)4 km，而孔明村至芒場之間還有便捷的簡易公路相連。礦區(qū)地層主要包括石炭系的巴平組、羅城組、黃龍組以及馬平組。工作區(qū)整體呈現(xiàn)出一種單斜構(gòu)造，從東到西依次分布著大埔、黃龍組、馬平組地層。大埔和黃龍組主要分布在工作區(qū)的北東部和東部，其巖層傾向在260°～280°，傾角相對較平緩，約為13°～35°；馬平組則主要分布在工作區(qū)中西部地區(qū)，其巖層傾向在240°～270°，傾角較緩，約為10°～25°。此外，北西向斷裂F1以及北東向F2斷裂也在該地區(qū)發(fā)育，其中以北西向斷裂F1為主，北東向斷裂被其所切割，斷層破碎帶及兩側(cè)的次一級斷裂也較為發(fā)育，同時還具有明顯的方解石化特點(diǎn)。

2.2 工程目標(biāo)與要求

工程目的為鉛鋅礦的詳細(xì)勘查。礦區(qū)希望通過深孔鉆探，了解礦層的厚度、埋深以及品質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)計孔深為1 200 m，頂角傾角為90°，并要求巖心采取率不低于70%，礦心采取率不低于80%，以滿足對礦層信息的全面獲取與分析需求。這一目標(biāo)將有助于為礦區(qū)資源的進(jìn)一步開發(fā)和利用提供科學(xué)依據(jù)，從而促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

3 設(shè)備、材料選取與現(xiàn)場施工布置

3.1 設(shè)備、材料選取

（1）鉆機(jī)及鉆塔選用。在本次深孔鉆探工程中，為滿足鉆探深度和鉆進(jìn)要求，選擇了HXY-6B型鉆機(jī)和HCX-18型鉆塔進(jìn)行施工。HXY-6B型鉆機(jī)作為主要設(shè)備，其鉆孔設(shè)計孔深達(dá)到1 200 m，鉆孔全孔取心直徑不小于Φ75 mm。這款鉆機(jī)具備足夠的動力和穩(wěn)定性，能夠滿足深孔鉆探的需求。而HCX-18型鉆塔作為支撐設(shè)備，能夠支持鉆機(jī)的運(yùn)行，使鉆機(jī)能夠在鉆進(jìn)過程中保持穩(wěn)定的位置和角度。

（2）泥漿材料與性能測試儀器選擇。由于鉆遇地層復(fù)雜多變，對泥漿性能的要求較高。因此，在現(xiàn)場選擇了一系列泥漿材料，并配備了相應(yīng)的性能測試儀器，以便進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)整。泥漿材料主要包括：PHP聚丙烯酰胺、GLUB高效潤滑劑、PVA聚乙烯醇、GLA改性瀝青防塌劑、GPC防塌型隨鉆堵漏劑、LBM-1低粘增效粉、羧甲基纖維素鈉鹽等。這些材料的選擇是基于地質(zhì)情況和鉆進(jìn)需要，以保證沖洗液的性能穩(wěn)定和適應(yīng)性強(qiáng)。此外，現(xiàn)場還配備了泥漿性能測試儀器，用于對沖洗液的性能進(jìn)行測定，包括pH值、黏度、密度等參數(shù)的監(jiān)測。通過實(shí)時測試和調(diào)整，保證沖洗液的性能符合施工要求，從而確保鉆探工程的順利進(jìn)行。

3.2 現(xiàn)場施工布置

（1）鉆孔場地選擇與準(zhǔn)備。鉆孔場地的選擇與準(zhǔn)備是保障鉆探工程順利進(jìn)行的重要步驟。本次工程選擇了農(nóng)田作為鉆孔場地，具體布置如下：鉆場面積為（10×20） m2。在選定的農(nóng)田區(qū)域，進(jìn)行了地表平整、雜草清理和場地清掃等準(zhǔn)備工作，以確保鉆探設(shè)備的穩(wěn)定擺放和施工的順利進(jìn)行。

（2）鉆塔基礎(chǔ)構(gòu)造與設(shè)備擺放。為了支撐鉆機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，鉆塔基礎(chǔ)的構(gòu)造和鉆探設(shè)備的擺放尤為重要。鉆塔基礎(chǔ)采用混凝土地基，基臺由型鋼地梁組成，分為上下兩層，這種設(shè)計能夠提供足夠的穩(wěn)定性和承重能力，以保證鉆機(jī)在施工過程中不會出現(xiàn)傾斜或搖晃現(xiàn)象。在基座的主要著力點(diǎn)下方放置了枕木，以分散載荷并防止地基沉降。鉆探設(shè)備擺放在連成一體的基臺上，以確保設(shè)備的穩(wěn)定性。鉆機(jī)、鉆塔等設(shè)備的擺放位置符合施工要求，使得鉆進(jìn)作業(yè)能夠在穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)策略

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)

在本次鉆探工程中，鉆孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的參數(shù)選擇是確保鉆孔的穩(wěn)定與高效進(jìn)行的關(guān)鍵。工程選擇了要求Φ75 mm的鉆孔口徑終孔，鉆孔設(shè)計深度為1 200 m。為了應(yīng)對不同地層特性，鉆孔采用了多級結(jié)構(gòu)，具體的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計如下。

鉆孔結(jié)構(gòu)按照Φ150-Φ130-Φ95-Φ77的四級結(jié)構(gòu)進(jìn)行，根據(jù)地層特性和設(shè)計要求，靈活選用不同口徑的鉆頭，以實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)的高效和精準(zhǔn)。鉆孔的設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠在不同地質(zhì)情況下保障鉆進(jìn)的穩(wěn)定和巖芯的有效采集采取。此外，鉆進(jìn)過程中的鉆具選擇、沖洗液體系以及鉆進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，都是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行的，以保證鉆進(jìn)的安全和高效。

4.2 不同地層的鉆進(jìn)方式與鉆頭選擇

鉆進(jìn)過程中，針對不同地層的特性和巖性變化，選擇合適的鉆進(jìn)方式和鉆頭，是保證鉆探工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。在研究區(qū)域中，地層特性多樣，因此采用了多種鉆進(jìn)方式和鉆頭選擇策略。

（1）在第四系及殘坡積層中，鉆進(jìn)過程中遇到了砂質(zhì)土、含砂黏性土和松散破碎地層。為了保障巖心的采集采取率，選用了Φ150 mm口徑的品字型合金鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，使用了干鉆方式。此種方式能夠較好地應(yīng)對地層破碎性和顆粒物的產(chǎn)生，保證巖心采集采取的有效性。

（2）在微風(fēng)化破碎帶中，地層呈現(xiàn)松散破碎特性。因此，選用了Φ130mm口徑的品字型合金鉆頭，同時采用了潤滑型沖洗液。潤滑液的使用有助于降低鉆頭與地層之間的摩擦，保障鉆進(jìn)的穩(wěn)定性。

（3）對于鈣質(zhì)泥巖等完整巖層，選擇了金剛石繩索取心鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。由于地層完整，鉆頭磨損情況較為嚴(yán)重，金剛石繩索取心鉆具能夠在高硬度地層中保持較好的鉆進(jìn)效率。

（4）在鈣質(zhì)砂巖和鈣質(zhì)石英砂巖地層中，由于地層的堅硬性和存在的擠壓破碎帶，采用了S77金剛石繩索取心鉆具，同時調(diào)整沖洗液的成分，增加了銨鹽和改性瀝青防塌劑的含量，以降低失水量并保護(hù)孔壁穩(wěn)定。

（5）對于含鈣石英砂巖、含鈣泥質(zhì)粉砂巖等地層，根據(jù)地層特點(diǎn)選擇了適當(dāng)?shù)臎_洗液體系，并使用S77金剛石繩索取心鉆具。在面對含鈣泥質(zhì)粉砂巖吸水性強(qiáng)的情況，采用了低黏增效粉和其他添加劑以控制泥漿性能。

5 沖洗液體系與性能維護(hù)

5.1 沖洗液體系配制原則

沖洗液在深孔鉆探中起著冷卻鉆頭、清除孔底碎屑、穩(wěn)定孔壁等重要作用。為了確保鉆進(jìn)的效率和鉆孔質(zhì)量，沖洗液的配制需要遵循一系列原則。首先，根據(jù)不同地層的特性選擇合適的基礎(chǔ)液體?；A(chǔ)液體通常是水，但在含鈣地層中可以考慮使用含鈣離子的水，以維持地層的穩(wěn)定性。根據(jù)地層的特性和鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的碎屑選擇適當(dāng)?shù)奶砑觿?，如黏土、改性瀝青等，以提高沖洗液的黏度和稠度，防止孔壁塌陷。其次，根據(jù)鉆進(jìn)目標(biāo)和地層的特性選擇合適的沖洗液。對于需要保持巖心完整性的地層，沖洗液的黏度和流變性能需要調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?，以保證巖心的采集采取。而在一些硬巖地層中，沖洗液需要具有較低的黏度，以提高沖洗效率。再次，沖洗液的配制還需要考慮環(huán)境保護(hù)和安全性。選擇環(huán)保型的添加劑，減少對周圍環(huán)境的影響。同時，確保沖洗液中的添加劑不會對工作人員的健康造成危害。最后，沖洗液的配制需要根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)鉆探速度、鉆孔直徑、地層變化等因素，及時調(diào)整沖洗液的配方和性能，以保障鉆探工程的順利進(jìn)行。

5.2 不同地層沖洗液的選擇及配制

首先，在軟弱泥質(zhì)地層中，為了穩(wěn)定孔壁并防止孔底塌陷，通常需要采用高黏度的沖洗液。配制時可以選擇添加適量的黏土和聚合物，以增加沖洗液的黏度和稠度，從而有效地控制孔壁的穩(wěn)定性，防止地層塌陷對鉆孔質(zhì)量的影響。其次，在含水量較高的砂礫地層中，沖洗液的選擇應(yīng)注重沖刷作用，清除鉆孔中的碎屑，防止孔底積聚。常見的沖洗液配方包括水和一些清洗劑，以確保有效地將碎屑帶出鉆孔，保持鉆孔的暢通。

5.3 沖洗液性能維護(hù)與調(diào)整方法

在施工過程中，維護(hù)和調(diào)整沖洗液性能的方法如下。

（1）定期性能監(jiān)測。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)定期對沖洗液的性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，包括黏度、密度、懸浮物含量等。通過實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場檢測，確保沖洗液的性能與預(yù)期目標(biāo)保持一致。

（2）添加劑控制。根據(jù)實(shí)際施工情況，隨時調(diào)整添加劑的用量和種類。如果發(fā)現(xiàn)沖洗液黏度降低導(dǎo)致地層塌陷，可以適量添加黏土或聚合物來提高沖洗液的黏度；如果沖洗液黏度過高影響鉆進(jìn)速度，可以適當(dāng)減少添加劑的用量。

（3）循環(huán)與替換。在連續(xù)鉆進(jìn)過程中，沖洗液會逐漸受到地層碎屑和污染物的影響，從而降低性能。及時采取沖洗液循環(huán)和替換的措施，可以清除孔底的堆積物，保持沖洗液的清潔度和性能穩(wěn)定。

（4）pH值調(diào)節(jié)。沖洗液的pH值會影響到其穩(wěn)定性和對地層的侵蝕性。需要通過適當(dāng)?shù)乃釅A調(diào)節(jié)劑來維持沖洗液的pH值在合適范圍內(nèi)，避免對地層產(chǎn)生不良影響。

6 鉆進(jìn)過程與技術(shù)控制

6.1 鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時調(diào)整與監(jiān)測

通過準(zhǔn)確監(jiān)測和調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，可以保證鉆孔的穩(wěn)定性、鉆頭的性能和沖洗液的有效性。鉆進(jìn)參數(shù)主要包括以下幾個方面。

（1）轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率。鉆進(jìn)機(jī)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率是影響鉆頭鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量的重要因素。通過實(shí)時監(jiān)測鉆進(jìn)機(jī)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率，并根據(jù)不同地層的情況進(jìn)行調(diào)整，以確保鉆頭在不同地質(zhì)條件下都能保持適當(dāng)?shù)你@進(jìn)速度，避免過快或過慢。

（2）沖洗液流量和壓力。沖洗液的流量和壓力對于清除鉆孔底部碎屑、冷卻鉆頭和穩(wěn)定地層都至關(guān)重要。實(shí)時監(jiān)測沖洗液的流量和壓力，可以根據(jù)地層的不同特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，確保沖洗液能夠充分發(fā)揮作用，防止地層塌陷和其他問題。

（3）鉆頭類型和尺寸。鉆頭的類型和尺寸應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況選擇，不同的鉆頭適用于不同的地層。在鉆進(jìn)過程中，關(guān)注實(shí)時的地質(zhì)反饋信息，如果發(fā)現(xiàn)鉆頭磨損過快或效果不佳，可以考慮調(diào)整鉆頭類型或尺寸，以提高鉆進(jìn)效率和質(zhì)量。

（4）沖洗液成分和性能。沖洗液的成分和性能對鉆進(jìn)過程中的潤滑、冷卻、清潔等起著重要作用。通過實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際應(yīng)用，可以監(jiān)測沖洗液的性能，并根據(jù)不同地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整，以確保沖洗液的配制滿足鉆進(jìn)的要求。

（5）鉆進(jìn)壓力和扭矩。監(jiān)測鉆進(jìn)機(jī)的鉆進(jìn)壓力和扭矩可以了解鉆頭與地層的相互作用情況。通過實(shí)時監(jiān)測這些參數(shù)，可以判斷地層的硬度和穩(wěn)定性，從而調(diào)整鉆進(jìn)的策略和參數(shù)。

6.2 地層異常情況的處理與應(yīng)對策略

（1）軟弱地層處理。當(dāng)鉆進(jìn)機(jī)在軟弱地層中遇到困難時，可以適當(dāng)降低進(jìn)給速率和轉(zhuǎn)速，以避免過快造成卡鉆或地層塌陷。在特別軟弱的地層，可以考慮使用擴(kuò)孔器或鉆進(jìn)套管來增加孔的穩(wěn)定性，同時通過調(diào)整沖洗液的性能來提高冷卻和潤滑效果。

（2）巖層變化應(yīng)對。在地層巖性變化較大的情況下，鉆頭可能會因?yàn)椴煌捕鹊牡貙佣p或失效。此時，可以根據(jù)地層巖性變化的情況，選擇合適的鉆頭類型和尺寸，并適時更換鉆頭。同時，針對不同地層特點(diǎn)，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，保持穩(wěn)定的鉆進(jìn)過程。

（3）水涌涌水處理。鉆進(jìn)過程中可能遇到水涌涌水現(xiàn)象，這可能會影響到鉆進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性和沖洗液的效果。在發(fā)生水涌涌水時，可以通過增加沖洗液流量和壓力來排除孔底的水，確保鉆進(jìn)工作不受阻礙。同時，應(yīng)及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，防止因水涌涌水引起的地層塌陷等問題發(fā)生。

（4）卡鉆處理。當(dāng)鉆進(jìn)機(jī)卡鉆時，應(yīng)停止鉆進(jìn)，避免強(qiáng)行操作導(dǎo)致設(shè)備損壞。可以采用反轉(zhuǎn)鉆桿、提升鉆桿等方法來解除卡鉆。在遇到復(fù)雜卡鉆情況時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮采用專業(yè)救援設(shè)備和技術(shù)。

7 結(jié)語

文章結(jié)合某礦區(qū)深孔鉆探施工技術(shù)進(jìn)行了全面深入的研究，為實(shí)際工程施工提供了有力的技術(shù)支持。在今后的深孔鉆探施工中，需要充分考慮地質(zhì)背景、合適設(shè)備與材料的選取、鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)策略的制定、沖洗液體系的合理應(yīng)用，以及地質(zhì)異常情況的應(yīng)對策略，以確保施工安全高效地進(jìn)行。