劉清江

(河南省地礦局第二地質(zhì)勘查院)

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圍山城金銀礦深部及外圍普查大斜度鉆孔鉆探技術(shù)

劉清江

(河南省地礦局第二地質(zhì)勘查院)

在自然造斜地層鉆進(jìn)過程中，彎曲度偏差超標(biāo)是影響鉆孔質(zhì)量的重要因素。河南桐柏縣圍山城金銀礦深部及外圍普查區(qū)內(nèi)巖石可鉆性級別低，鉆速可達(dá)3～5 m/h。但由于巖層傾角大，軟硬互層多，鉆進(jìn)中極易出現(xiàn)鉆孔彎曲度超標(biāo)現(xiàn)象，極大影響了鉆孔質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)易造成鉆孔報(bào)廢。為此，在分析區(qū)域地質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)鉆進(jìn)工藝，提高了大斜度鉆孔的鉆探效率和質(zhì)量，對于類似鉆探工程有一定的參考價(jià)值。

大斜度鉆孔 鉆孔彎曲度 鉆進(jìn)工藝 鉆探效率 鉆孔質(zhì)量

圍山城金銀礦深部及外圍普查工作區(qū)位于河南省南部桐柏縣朱莊至陳莊一帶，行政區(qū)劃大部分隸屬河南省桐柏縣，西部延伸入河南省泌陽縣境內(nèi)，面積31.8 km2。工作區(qū)距桐柏縣城35 km，有柏油公路直達(dá)，經(jīng)縣城向東80 km至信陽市與京廣鐵路和107國道相銜接，向西120 km至南陽市與焦枝線相連。312國道、滬陜高速和寧西鐵路EW向縱貫測區(qū)南北兩側(cè)。工作區(qū)內(nèi)村村通硬化公路縱橫交錯(cuò)，交通條件十分便利。區(qū)內(nèi)普查鉆孔布置采用勘探線法，以200 m×200 m間距進(jìn)行工程控制，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)需要，局部適當(dāng)加密至100 m×100 m間距。勘探網(wǎng)為正方形。礦區(qū)共設(shè)計(jì)鉆孔16個(gè)，均為斜孔(傾角80°，個(gè)別75°)，孔深300～1 200 m不等，設(shè)計(jì)總鉆探工作量10 000 m。

1 工作區(qū)地質(zhì)特征

工作區(qū)位于秦嶺造山帶東段核部，是由多個(gè)形成于不同構(gòu)造環(huán)境，有著各自獨(dú)立建造特征和變形、變質(zhì)及構(gòu)造演化序列的構(gòu)造地層地體，經(jīng)多次聚合后拼為一體的復(fù)雜構(gòu)造帶。北部為華北地臺(tái)南緣褶皺帶，中部為北秦嶺褶皺帶，南部為南秦嶺褶皺帶。圍山城金銀礦帶位于北秦嶺褶皺帶內(nèi)。

(1)地層。①下古生界大栗樹組(Pt1d)，為一套變質(zhì)細(xì)碧-石英角斑巖系，以灰綠色斜長角閃巖、斜長角閃片巖為主，夾綠泥陽起片巖、綠泥滑石片巖、磁鐵角閃變粒巖及含榴黑云變粒巖，底部具混合巖化特征；②上古生界歪頭山組(Pt3w)，為一套中—淺變質(zhì)的火山碎屑-沉積巖系，可劃分出下、中、上3部分共17個(gè)巖性段，因受老洞坡背斜以及橫跨其上的朱莊背斜影響，歪頭山組內(nèi)地層走向變化較大，各巖性段巖石依次環(huán)繞朱莊及老洞坡背斜呈環(huán)帶狀展布，各巖層間呈諧合接觸，巖層中變余微細(xì)層理和沉積韻律較清晰；③第四系(Q)，多分布于山溝、河床及其兩側(cè)的階地中，此外還有山坡及低洼處，前者為沖、洪積物，后者為殘、坡積物，由砂礫石、亞砂土、亞黏土及腐殖土組成。

(2)構(gòu)造。圍山城金銀礦及外圍的基本構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為軸跡NE向老洞坡背斜和軸跡NW向朱莊背斜所構(gòu)成的穹窿狀構(gòu)造，褶皺之后層間剝離斷裂及各種性質(zhì)斷裂十分發(fā)育。朱莊背斜翼角20°～60°，軸面近直立或略向SW傾斜；樞紐NW向波狀起伏，傾伏角17°～36°。老洞坡背斜為樞紐向NE傾伏(傾伏角10°～35°)的緊閉同斜褶皺，軸面NW傾，傾角約35°。

2 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)方法

對鉆孔結(jié)構(gòu)的總體要求是盡可能確保三級口徑鉆至設(shè)計(jì)孔深，上部覆蓋層孔段用套管隔離，換徑后盡可能往深處鉆進(jìn)，穿越一層復(fù)雜層(坍塌、掉塊、漏水、縮徑等)后換徑，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，中間口徑為預(yù)留口徑，在第三級口徑鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，可拔出第二層套管，擴(kuò)孔鉆進(jìn)至完成地層，再下入第二層套管[1-3]。鉆孔方法為上部覆蓋層孔段用φ110 mm金剛石取心鉆頭鉆進(jìn)，當(dāng)鉆至完整巖石時(shí)，下入φ108 mm套管(反絲)，用φ95 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，穿過多層采空區(qū)和漏失地層后下入φ89 mm套管(反絲)，用φ76 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)，從而達(dá)到地質(zhì)目的終孔。

鉆探施工中采用的泥漿類型為：①膨潤土泥漿，主要用于覆蓋松散層、漏失嚴(yán)重及掉塊地層的施工，配制方法(加土量的質(zhì)量之比)為鈣基膨潤土25%+植物膠2%+CMC(羧甲基纖維素鈉)1%+純堿2%+防塌劑1.5%+高黏堵漏劑0.5%，性能指標(biāo)為比重1.10～1.30，漏斗黏度30～35 s，失水量15～20 mL/30 min，pH值8～8.5，特點(diǎn)為黏度較高、比重較大、失水量較小、含沙量較小、泥漿穩(wěn)定性較好；②低固相沖洗液，用于孔壁較完整、地層微漏失層，配制方法(加土量的質(zhì)量之比)為鈣基膨潤土2%+水解聚丙烯酰胺0.3%+CMC(羧甲基纖維素鈉)0.5%+純堿1%+防塌劑1.5%+高黏堵漏劑0.5%，性能指標(biāo)為比重1.05～1.08，pH值9～10，漏斗黏度20～30 s，失水量5～8 mL/30 min，特點(diǎn)為黏度較高、比重較小、失水量小、含沙量小、潤滑性好、泥漿穩(wěn)定性好；③無固相乳狀沖洗液，主要用于地層孔壁完整、不漏水、不掉塊地層，配制方法為水解聚丙烯酰胺0.5%+高黏堵漏劑0.3%+廣譜護(hù)壁劑5%+皂化油2%，性能指標(biāo)為比重1.02～1.05，pH值8～10，漏斗黏度25～30 s，失水量5～8 mL/30 min，特點(diǎn)為黏度較高、比重小、失水量小、含沙量小、潤滑性較好、泥漿穩(wěn)定性好。

3 控制鉆孔彎曲度鉆進(jìn)技術(shù)

(1)實(shí)時(shí)控制參數(shù)法。減少壓力，確保鉆桿垂直度控制鉆速在2 m/h以下，可有效減少頂角、方位角偏差。

(2)采用平底鉆頭，導(dǎo)向性好，穩(wěn)定性好，鉆孔彎曲度變化較小。

(3)采用粗徑鉆具，剛性大，鉆桿彎曲度小，鉆孔彎曲度變化減少。該礦區(qū)出現(xiàn)彎曲度超標(biāo)現(xiàn)象后，為各鉆機(jī)配備了S95A繩索鉆具，根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度，確定φ89 mm繩索施工深度。由鉆孔施工情況可知，φ89 mm繩索施工的孔段未出現(xiàn)頂角、方位角超標(biāo)現(xiàn)象，有個(gè)別孔基本無偏差。

(4)改變開孔頂角和方位角。在鉆機(jī)安裝時(shí)，適度減少頂角、方位角(該礦區(qū)鉆孔的頂角、方位角均出現(xiàn)增大現(xiàn)象)，也可確保見礦位置符合要求。礦區(qū)對2個(gè)300 m深的鉆孔開孔時(shí)減少2°頂角，配合控制鉆壓，終孔時(shí)基本符合要求。

(5)換徑時(shí)，首先打?qū)蚩?，確保換徑后鉆孔同軸心。為確保鉆孔具有良好的導(dǎo)向性，切勿越級換小徑鉆具鉆進(jìn)，上一級孔段未下套管前勿換小徑鉆進(jìn)。

(6)沖擊回轉(zhuǎn)繩索取心鉆進(jìn)。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)具有軸向壓力小、鉆進(jìn)效率高的特點(diǎn)，可有效防止孔斜，在堅(jiān)硬、致密巖層中鉆進(jìn)效果更明顯。由于該礦區(qū)進(jìn)尺快、堅(jiān)硬巖層少，故該技術(shù)僅在個(gè)別孔段使用。

4 孔內(nèi)事故預(yù)防措施

(1)埋鉆。①由于在嚴(yán)重漏失層頂漏鉆進(jìn)(個(gè)別孔)，水泵壓力表無指示，須安排專人負(fù)責(zé)水泵維修、保養(yǎng)及工作狀態(tài)檢測；②下鉆至距孔底3 m時(shí)，開始泵泥漿，將孔底沉渣沖出，倒桿及起鉆前應(yīng)適當(dāng)延長沖孔時(shí)間，確?？椎浊鍧?；③及時(shí)調(diào)整泥漿性能，確保高黏度、低失水量。

(2)鉆桿折脫。①設(shè)計(jì)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，施工中切勿越級鉆進(jìn)、人為增加環(huán)狀間隙；②在坍塌地層中鉆進(jìn)，由于形成了“大肚子”，鉆桿缺少支撐，應(yīng)及時(shí)調(diào)理鉆進(jìn)參數(shù)，輕壓慢轉(zhuǎn)；③在干孔內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)涂抹潤滑劑減阻，減少鉆桿受力；④在起下鉆過程中，應(yīng)仔細(xì)檢查鉆桿使用情況，及時(shí)挑出有裂紋及磨損嚴(yán)重的鉆桿，禁止將該類鉆桿下入孔內(nèi)。

5 結(jié) 論

(1)在巖層傾角較大、軟硬互層較多的地層中鉆進(jìn)，極易出現(xiàn)鉆孔彎曲度偏差超標(biāo)現(xiàn)象，尤其是S75繩索鉆進(jìn)，彎曲度變化極快。

(2)適當(dāng)控制鉆壓、降低鉆速，可有效控制鉆孔頂角及方位角偏差，尤其對方位角變化的控制效果較好。

(3)S89繩索取心鉆進(jìn)可有效控制鉆孔彎曲度，個(gè)別孔彎曲度與開孔幾乎一致。

(4)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性較好的鉆頭以及沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)均為降低鉆孔彎曲度偏差的有效措施。

[1] 李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1992.

[2] 鄭天運(yùn).地質(zhì)巖芯鉆探新技術(shù)與新規(guī)程應(yīng)用手冊[M].北京：地質(zhì)出版社，2011.

[3] 張 偉，王 達(dá)，劉躍進(jìn)，等.深孔取心鉆探裝備的優(yōu)化配置[J].西部深礦工程，2009，36(10)：34-38.

2016-06-27)

劉清江(1967—)，男，高級工程師，450018 河南省鄭州市鄭東新區(qū)。