毛雅杰,陳全明

(西北有色地質勘查局七一五總隊,陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦復雜地層鉆進技術

毛雅杰,陳全明

(西北有色地質勘查局七一五總隊,陜西西安 710600)

湘河大泉釩礦鉆探施工中所遇到的主要問題是第四系黃土層及坡積礫石、細砂巖風化層較厚,上部破碎,鉆孔坍塌、掉塊嚴重,下部礦層呈粉狀粘土巖,取心難度十分大,成孔困難,導致勘探工程進展緩慢。經(jīng)過現(xiàn)場及時分析原因,采取有針對性的鉆探工藝及其他技術措施,有效地解決了這些問題。

巖心鉆探;復雜地層;坍塌;掉塊;護壁;取心

1 概述

湘河大泉釩礦位于陜西省商南縣境內(nèi),此礦區(qū)是中國與加拿大合資項目。施工區(qū)域內(nèi)主要地層為第四系黃土層及坡積礫石,上部含砂礫,下部為灰質白云巖、白云質灰?guī)r及角礫狀白云巖互層。礦體主要為碳質粘土巖,礦層呈粉狀,取心十分困難。

由于首次接觸釩礦巖心鉆探施工,對于地層的復雜程度了解不到位,在施工第一個鉆孔 ZK801孔時,走了一些彎路,臺月效率不足 200 m。經(jīng)過該孔的探索、實踐,獲得了該礦區(qū)鉆探技術要點,后續(xù)鉆孔臺月效率達到 300 m以上。本文以 ZK801孔的施工過程為例,介紹該礦區(qū)鉆探施工中出現(xiàn)的主要問題及解決措施。

2 鉆孔設計情況

根據(jù)地質找礦需求,該礦區(qū)前期設計 8個鉆孔,主要是查明礦體條數(shù)、產(chǎn)狀、厚度及品位。鉆孔設計深度 200～450 m。鉆孔所遇到地層由上到下依次為:第四系黃土層及坡積礫石,厚度 15～40 m;灰質白云巖,白云質灰?guī)r,厚度 100～220 m之間;泥質灰?guī)r,灰質白云巖,角礫狀白云巖,厚度 80～170 m,礦體位于該層下部,厚度 10～30 m,鉆穿礦層 20～30 m即可終孔,終孔孔徑 75 mm。

3 鉆探設備及施工工藝

施工設備:XY-4型鉆機,BWJ-125型泥漿泵,A形鉆塔。

施工工藝:S75繩索取心鉆進,泥漿護壁。

4 施工中出現(xiàn)的主要問題及解決辦法

ZK801鉆孔設計深度 370 m,傾角 65°,方位角245°。施工一開采用 “130 mm硬質合金鉆頭開孔,鉆穿第四系黃土層及坡積礫石下入 “127 mm套管封住上部易坍塌層;二開采用 “110 mm口徑金剛石鉆頭鉆進至較為完整巖層后,下入 “108 mm地質套管;三開采用 “91 mm鉆具導正 “75 mm繩索取心鉆具鉆進至終孔。

4.1 施工中遇到的主要問題

(1)第四系黃土層及強風化層成孔困難。由于下達的地質設計施工任務書對第四系覆蓋層的厚度沒有表述,現(xiàn)場對開孔措施重視不夠,該孔位正好位于兩山之間溝底,由于常年累月的沉積物堆積,實際第四系松散層厚度達到 20 m,并且含碎石量高,約占體積的 50%。風化層厚度達 25 m,開孔至 50 m孔段,漏失一般,坍塌嚴重。

(2)“108 mm地質套管下完后,更換為 “75 mm繩索取心鉆進 ,在 95～105、165～185、215～221、257～265 m等孔段均出現(xiàn)滲漏至全孔漏失現(xiàn)象,并有輕微的掉塊現(xiàn)象。導致事故較多、施工效率大幅度下降、施工成本急劇上升,嚴重影響了施工進度。

(3)近礦尾巖孔段采心困難,采取率達不到地質設計要求。主要原因是礦層軟硬互層,硬層厚度在 0105～0110 m之間,軟層見水就化。

4.2 施工過程中所采取的技術措施

4.2.1 對于上部第四系黃土層及坡積礫石孔段漏失、坍塌的處理

ZK801孔開孔后,由于對該層位重視不夠,按照常規(guī)的方法進行施工,采用高粘度固相泥漿護壁直接鉆進至孔深 16 m,孔內(nèi)出現(xiàn)漏失、坍塌,故采用加大泥漿粘度和密度來處理漏失層,但效果不理想,隨后,給泥漿加入固相材料后漏失得到有效控制。為了保證施工安全,提前下入 “127 mm地質套管封堵上部漏失層和坍塌層。之后 “110 mm口徑鉆進,鉆進至孔深 25 m時,孔內(nèi)出現(xiàn)漏失,孔壁失穩(wěn),坍塌嚴重,鉆具下不到孔底,孔深又變?yōu)?21 m,被迫停鉆。分析原因,確定采用白泥球固壁、泥漿護壁的方法鉆進,即對已成孔投入含有 CMC、白泥、Na2CO3的粘土球,每投入一定量后,下入錐形鉆頭反復搗實,直至填到 “127 mm套管內(nèi),再使用泥漿循環(huán)鉆進,鉆進一段再用粘土球封固一段,按照此方法反復進行,取得了比較好的護壁效果,很快就穿過第四系黃土層及坡積礫石,然后采用金剛石鉆頭鉆達完整巖層后下入 “108 mm地質套管,換徑 S75繩索取心鉆具正常施工。

為減小鉆具與孔壁的阻力,提高鉆進效率,正常鉆進時采用無固相泥漿。其配方為:淡水∶CMC∶植物膠∶廣譜護壁劑 =1 m3∶3 kg∶2 kg∶115 kg。其性能為:密度 1101～1103 kg/cm3,粘度 21～23 s,失水量 15 mL/30 min。該泥漿的主要特點是具有良好的護壁、潤滑、防漏失和減小阻力的效果,性能調(diào)整范圍較大。

4.2.2 坍塌孔段的護壁處理措施

由于該地區(qū)受斷裂帶的影響,鉆孔在正常施工過程中鉆遇細砂層時出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌情況。根據(jù)ZK801孔的施工經(jīng)驗總結了一套處理細砂層的辦法:采用泥漿快速穿過,之后采用注水泥固孔的辦法處理。注水泥漿的要領:首先,用清水洗孔,將粘在孔壁上的泥皮洗凈,再將準備好的 425水泥漿 (密度在 1180～1185 g/cm3)快速從鉆桿內(nèi)注入孔內(nèi),注意在施工時必須密切注意孔內(nèi)排粉量,以便孔徑的測算,計算好水泥用量,確保一次性成功。候凝 36～48 h開始透水泥,透完水泥塞后,應將水泥漿與泥漿混合液替換,換新泥漿再鉆進。

4.2.3 全漏失孔段的護壁堵漏措施

全孔漏失是先出現(xiàn)滲漏,然后迅速轉為全部漏失。ZK801孔鉆進到孔深 95 m時,泥漿滲漏發(fā)展到全孔漏失,采用 4.2.1所述的解決滲漏的措施,經(jīng)過現(xiàn)場處理毫無效果。經(jīng)過研究,先采用 CMC+植物膠 +Na2CO3與水攪拌成糊狀再從鉆桿內(nèi)灌入;然后調(diào)整泥漿,提高粘度,加入惰性材料和堵漏劑,合上回轉器,開泵送入孔內(nèi),在確認加入的材料到達漏失位置時(泵壓突然升高又快速回之平穩(wěn)狀),停止泥漿泵,回轉器轉速控制在 310～390 r/min,并上下串動 4～5次,使所加入的材料擠至孔內(nèi)壁的裂隙上,開泵循環(huán),漏失孔段消失后,逐步將泥漿粘度調(diào)整恢復到正常鉆進時標準。

由于該礦區(qū)鉆孔漏失孔段多,出現(xiàn)漏失次數(shù)較多,根據(jù) ZK801孔成功經(jīng)驗與方法,將上述堵漏方法進行了總結。并在本工區(qū)各機臺相互學習和交流,共同掌握此方法。為該礦區(qū)后續(xù)鉆孔的施工打下基礎。

4.2.4 提高近礦圍巖段巖心采取率的施工措施

該礦區(qū)鉆進到近圍巖段,為特殊的巖性及地質構造,礦層為粘土巖,軟硬互層。地質設計要求巖心不能被泥漿浸泡,保持巖心完整,回次進尺必須控制在 0130 m。采用普通繩索取心工藝達不到要求的采取率,甚至是空管,根本達不到地質要求,礦層太厚時出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象,造漿率極高,造成埋鉆事故。

為解決這一問題,ZK801孔施工中采用泥漿及鉆進工藝兩個方面的綜合措施。

(1)調(diào)整泥漿,將孔內(nèi)原有泥漿全部替換,更換新配置無固相泥漿,其配方為:淡水∶CMC∶PAM∶聚丙稀酸鉀 =1 m3∶3 kg∶015 kg∶2 kg,泥漿粘度保持 22～24 s,密度保持在 1103～1106 g/cm3,失水量 6～10 mL/30 min。主要作用是提高泥漿粘度,護壁性能好,還能夠很好潤滑孔壁攜帶大量巖粉。

(2)選用雙動雙管鉆具鉆進,鉆具總長度不超過 1180 m。采用小八角硬質合金自制外徑為 “75 mm,內(nèi)出刃 2100 mm硬質合金鉆頭。配內(nèi)鉆頭 63/43 mm復合片鉆頭,內(nèi)鉆頭超前外鉆頭 0150～0170 m。鉆壓 5～8 kN,轉速 80～180 r/min,沖洗液量 60～100 L/min,回次進尺控制在 0130 m。

操作注意事項:在下鉆時嚴禁急剎車、跑鉆現(xiàn)象發(fā)生,必須做到平穩(wěn)下鉆,下至距孔底 2100～3100 m時合上回轉器掃至孔底再鉆進。上鉆時禁止高速、墩鉆,要求平穩(wěn),每鉆 12～18 m時必須回灌泥漿一次,達到平衡環(huán)空壓力的作用。通過施工實踐,成功地解決了取心難的問題,從而提高了巖礦心的采取率,達到地質設計要求。

5 鉆進效果

有了 ZK801孔的經(jīng)驗,施工 ZK1201及 ZK1202等鉆孔時,采取了預防措施,取得了良好的效果,特別是在施工 ZK5002孔時,該孔設計孔深 300 m,實際終孔深度 499174 m,鉆遇釩礦層共 3層,最厚礦層達到 30 m,經(jīng)過加拿大專家現(xiàn)場檢查,該孔巖(礦)心平均采取率 98%,礦心采取率均在 100%,贏得了加拿大專家一致好評。

該礦區(qū)地層基本相似,都存在漏失和全孔漏失的孔段,在施工第一個鉆孔所積累經(jīng)驗的基礎上,在鉆探工藝上不斷總結,后續(xù)鉆孔都不同程度縮短了施工時間。取得了好的經(jīng)濟效益,已施工的鉆孔均被評為一級鉆孔。

6 結語

(1)加強學習交流,提高對鉆進規(guī)律的認識,是解決復雜地層鉆進的捷徑。

(2)該礦區(qū)采取的提前預防、配置泥漿護壁、根據(jù)不同的層位及時調(diào)換泥漿的方法是解決復雜地層比較有效的方法。

(3)根據(jù)礦層的類型,選用不同的鉆具施工對提高近圍巖礦心的采取起到很好的效果。

[1] 胡辰光.鉆探工程技術及標準規(guī)范實物全書[M].北京:地質出版社,2003.

[2] 劉廣志.金剛石鉆探手冊[M].北京:地質出版社,1991.

[3] 馬植侃,王濱,劉建明.鉆探工程學 [M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1998.

Drilling Technology in Complex Formation of Xianghedaquan Vanadium Deposit

MAO Ya-jie,CHEN Quan-m ing(No.715 Party,North-westMining and Geological ExplorationBureau forNonferrousMetals,Xi’an Shaanxi710600,China)

A series of difficultieswere encountered for drilling in Xianghedaquan vanadium deposit:quaternary loess&di-luvium gravel,thick weathered layer of fine sand rock;broken upper partwith borehole collapsing and block falling;pow2 der clay rock for lower ore bed,hard for coring and boring.These difficultieswere effectively overcome by pertinent drilling technology and technicalmeasures.

coring drilling;complex formation;collapsing;block-falling;wall protection;coring

P634

A

1672-7428(2010)03-0021-03

2009-11-20

毛雅杰(1963-),男 (漢族),河南偃師人,西北有色地質勘查局七一五總隊副總隊長、工程師,探礦工程專業(yè),從事石油勘探、探礦工程與管理工作,陜西省西安市臨潼區(qū)文化東路 41號,715myj@sohu.com。