石 磊

(廣東省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，廣東 肇慶 526020)

1 概述

1.1 鉆探施工目的

根據(jù)前期地質(zhì)勘查成果，利用地質(zhì)鉆探這一工作手段對已發(fā)現(xiàn)的含金礦化體進(jìn)行系統(tǒng)的工程控制，基本查明其規(guī)模形態(tài)、產(chǎn)狀、品位及空間分布，估算資源量，為地質(zhì)和礦產(chǎn)資源參數(shù)做出可靠的評價(jià)。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)概況

廣東省德慶縣京村金礦位于華南加里東褶皺系云開大山后加里東隆起帶東北部，羅定-廣寧斷裂變質(zhì)帶東北段與吳川-四會斷裂變質(zhì)帶交匯部位[1]。礦區(qū)主要鉆遇巖層為混合花崗巖、片巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖、粉砂巖、糜棱巖等。受區(qū)域變質(zhì)及多期構(gòu)造影響，原巖變質(zhì)較深，巖性復(fù)雜，普遍具混合巖化、糜棱巖化。礦區(qū)位于粵桂隆起區(qū)廣寧-羅定褶斷帶內(nèi)，屬強(qiáng)烈褶皺變形和斷裂發(fā)育位置，其經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運(yùn)動、巖漿活動和變質(zhì)作用[1]。

1.3 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

(1)地層產(chǎn)狀陡，軟硬互層頻繁，為強(qiáng)造斜地層，容易發(fā)生鉆孔彎曲度超差。

(2)各礦體均呈陡傾斜的薄脈產(chǎn)出[2]，為了達(dá)到較好的地質(zhì)勘探效果，鉆孔大部分設(shè)計(jì)為大角度斜孔(開孔傾角<75°)，對鉆探技術(shù)水平要求較高。

(3)詳查階段要求鉆孔見礦點(diǎn)與地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦點(diǎn)沿預(yù)計(jì)礦層產(chǎn)狀上下偏距≤10 m[3]，質(zhì)量要求更高，施工難度更大。

(4)本區(qū)礦體嚴(yán)格受韌性剪切帶控制，礦體均產(chǎn)于云樓崗巖體的混合花崗巖的1號糜棱巖帶與后期脆性斷裂的疊合部，礦層巖石破碎，采取礦心難度大。

1.4 鉆孔施工情況

前期施工的鉆孔發(fā)現(xiàn)存在鉆孔彎曲度超差問題，我單位通過匯總分析前期鉆孔數(shù)據(jù)，總結(jié)了礦區(qū)鉆孔孔斜變化規(guī)律及特點(diǎn)，決定后續(xù)鉆孔施工采用初級定向鉆進(jìn)技術(shù)，精心組織施工，在機(jī)場修建、設(shè)備安裝、開孔、換徑及下套管、鉆進(jìn)等各個施工工序均按制定的技術(shù)要求嚴(yán)格執(zhí)行。結(jié)合采用“一基多孔(指一個孔位布置多個鉆孔，以不同傾角鉆進(jìn)施工)”施工方案，占用場地少，節(jié)省了大量的設(shè)備搬遷安裝時(shí)間。

本礦區(qū)2012-2016年間累計(jì)完成鉆探進(jìn)尺約4.24萬m，鉆孔質(zhì)量優(yōu)良，其中最斜孔開孔傾角40°，終孔孔深360.80 m；最深鉆孔701.28 m，開孔傾角50°。不同傾角鉆孔數(shù)量及比例詳見表1。

表1 京村礦區(qū)不同傾角鉆孔數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of the proportion of drill-holes with different inclinations in Jingcun mining area

2 鉆探技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選擇

為滿足大角度斜孔施工要求，綜合考慮地層情況、鉆孔深度、擬采用鉆進(jìn)方法及工藝等，選用XY-42T(圖1)、XY-44T型塔機(jī)一體式鉆機(jī)，采用柴油機(jī)動力，配BW-150型泥漿泵。

圖1 XY-42T型鉆機(jī)施工斜孔狀態(tài)Fig.1 Position of XY-42T drilling rig for drilling inclined holes

2.2 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

第四系覆蓋層采用硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，下部基巖地層采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)。為提高鉆進(jìn)效率，在滿足鉆孔護(hù)壁要求的前提下，盡量減少換徑次數(shù)，簡化鉆孔結(jié)構(gòu)[4]：開孔用?130 mm硬質(zhì)合金鉆具鉆進(jìn)，下入 ?127 mm孔口管；然后用?110 mm硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)穿過風(fēng)化覆蓋層后下入 ?108 mm套管；再用S95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖后，下入 ?89 mm套管；最后改換S75 mm金剛石繩索取心鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔。

2.3 沖洗液與護(hù)壁堵漏

第四系覆蓋層段及跟管鉆進(jìn)時(shí)采用固相沖洗液護(hù)壁，其它孔段采用無固相高聚物沖洗液，強(qiáng)化沖洗液的護(hù)壁防塌、潤滑減阻能力。各種處理劑要嚴(yán)格計(jì)量、分別溶解，并充分?jǐn)噭?、水化[5]，然后按先無機(jī)后有機(jī)及分散、增粘、潤滑、絮凝的順序加入攪拌使用，視礦區(qū)地層情況隨時(shí)調(diào)整沖洗液性能參數(shù)。擬采用的無固相沖洗液配方如下：(1)完整、孔壁穩(wěn)定地層：清水+0.4%無熒光潤滑劑+0.03%聚丙烯酰胺；(2)較為破碎地層：清水+0.03%聚丙烯酰胺+0.4%無熒光潤滑劑+0.4%植物膠；如果巖層破碎嚴(yán)重，按5～6 kg/m3的比例加入水玻璃。

漏失地層處理方法：漏失量在1/3以內(nèi)，可采用加入0.4%～0.5%的801隨鉆堵漏劑進(jìn)行隨鉆堵漏；漏失嚴(yán)重時(shí)采用粘土+水泥+PAM+隋性材料堵漏；必要時(shí)采用水泥固結(jié)堵漏。

2.4 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

為保證鉆頭磨損正常，平穩(wěn)鉆進(jìn)，全孔鉆速應(yīng)控制在1.5～4 m/h；鉆壓控制在15 kN以內(nèi)；轉(zhuǎn)速≯1200 r/min；沖洗液量50～100 L/min[6-9]。鉆進(jìn)節(jié)理發(fā)育巖石和產(chǎn)狀陡立、松散破碎、軟硬互層、強(qiáng)研磨性等地層及鉆孔超徑的情況下應(yīng)適當(dāng)減小鉆壓；鉆進(jìn)堅(jiān)硬弱研磨性地層、裂隙破碎地層、軟硬互層及產(chǎn)狀陡立易斜地層時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速；鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換徑多、環(huán)狀間隙大時(shí)，鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性差，不宜開高轉(zhuǎn)速；鉆進(jìn)堅(jiān)硬、顆粒細(xì)的巖層，鉆速低，巖粉少，泵量可小些；鉆進(jìn)軟及中硬巖層，鉆速高，巖粉多，泵量應(yīng)大些；鉆進(jìn)裂隙，有輕微漏失的地層，泵量應(yīng)稍大于正常情況；鉆進(jìn)研磨性強(qiáng)的巖層，泵量可增大[10]。

3 初級定向鉆進(jìn)技術(shù)

前期預(yù)(普)查階段施工發(fā)現(xiàn)本礦區(qū)地層造斜，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出本礦區(qū)鉆孔彎曲趨勢是鉆孔軌跡上漂，偏線距較小，即地層造斜規(guī)律是鉆孔頂角增大，方位角變化不大。為能準(zhǔn)確打穿地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦靶區(qū)，后續(xù)鉆孔施工全部采用初級定向鉆進(jìn)技術(shù)。

3.1 初級定向設(shè)計(jì)

本礦區(qū)初級定向設(shè)計(jì)流程如圖2所示。初級定向設(shè)計(jì)采用的方法有“移位”法(調(diào)整鉆孔孔位)及“變角”法(改變開孔角度)兩種[11]，本礦區(qū)為能結(jié)合運(yùn)用 “一基多孔”施工方法，多采用“變角”法。

以本礦區(qū)ZK6202′鉆孔為例(設(shè)計(jì)孔深450 m，開孔頂角30°)，該孔為“一基多孔”施工的第二個鉆孔，原孔位前期已施工完成ZK6202鉆孔(終孔孔深382.16 m)，ZK6202孔未進(jìn)行初級定向，方位角僅偏差1°，但頂角累計(jì)上漂11.1°，實(shí)際見礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦位置相差31.89 m。利用“變角”法對ZK6202′鉆孔進(jìn)行初級定向設(shè)計(jì)，結(jié)合礦區(qū)其它鉆孔測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，總結(jié)得出本礦區(qū)在頂角25°～30°斜孔中一般造斜規(guī)律為每100 m頂角上漂2.0°～3.0°，選取如下預(yù)測軌跡進(jìn)行對比：(1)按設(shè)計(jì)開孔頂角30°，頂角上漂2.5°/100 m；(2)調(diào)整開孔頂角為25°，頂角上漂2.5°/100 m；(3)調(diào)整開孔頂角為24°，頂角上漂2.5°/100 m。建立excel鉆孔軌跡空間坐標(biāo)計(jì)算表，設(shè)開孔坐標(biāo)為(0,0,0)，將鉆孔軌跡以均角全距法進(jìn)行三維坐標(biāo)計(jì)算(如圖3所示)，并運(yùn)用AutoCAD繪制出鉆孔軌跡圖并標(biāo)注預(yù)計(jì)見礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦位置偏距[12](見圖4)。從圖4中可看出ZK6202′按25°頂角開孔、頂角上漂2.5°/100m的鉆孔軌跡見礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦位置偏距4.93 m，為較優(yōu)設(shè)計(jì)。實(shí)踐施工證明選擇的開孔角度及預(yù)判的頂角上漂值合理，ZK6202′鉆孔實(shí)際頂角上漂2.47°/100 m，實(shí)際見礦位置與地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦位置偏距5.08 m。

圖2 初級定向設(shè)計(jì)流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the primary directional drilling design process

圖3鉆孔軌跡坐標(biāo)計(jì)算
Fig.3Calculation of the drilling path coordinates

圖4 預(yù)測鉆孔軌跡成圖及見礦位置偏距對比Fig.4 Predicted borehole trajectory vs offset of ore occurrence

3.2 鉆孔彎曲度控制方法

在實(shí)際施工中，技術(shù)人員要加強(qiáng)監(jiān)控測斜，當(dāng)鉆孔彎曲變化大于設(shè)定值時(shí)，適當(dāng)加密測斜間距，視具體情況可將間距縮短至15～25 m，并根據(jù)測斜結(jié)果及時(shí)計(jì)算和作圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆孔施工軌跡[3]。若實(shí)際鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡有較大差異，則需要進(jìn)行保直鉆進(jìn) 或增斜鉆進(jìn)以確保能鉆穿地質(zhì)設(shè)計(jì)見礦靶區(qū)。保直鉆進(jìn)措施有：控制鉆壓(建議10 kN以下)，在條件許可的前提下提高轉(zhuǎn)速保證鉆進(jìn)效率；采用階梯式鉆頭增強(qiáng)導(dǎo)向性；采用齒輪狀鉆頭減輕鉆頭壓力；采用外徑一致的擴(kuò)孔器加強(qiáng)鉆具的導(dǎo)正性。本礦區(qū)增斜鉆進(jìn)是增加鉆孔上漂值，措施有：加大鉆壓，降低轉(zhuǎn)速；采用下擴(kuò)孔直徑大于上擴(kuò)孔器0.5 mm以上；縮短鉆具長度至1.20～1.50 m，增加自造斜能力[3]。

4 施工中遇到的其它問題及應(yīng)對措施

4.1 礦心采取率難以保證

地質(zhì)要求礦體及其頂板5 m圍巖的采取率≮95%，為達(dá)到技術(shù)要求，鉆進(jìn)礦層時(shí)采取了以下工藝技術(shù)方法：(1)控制回次進(jìn)尺長度和時(shí)間，多回次少進(jìn)尺，不打懶鉆，注意泵壓，憋泵即刻取心；(2)大鉆壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量，減輕沖洗液對巖心的沖刷；(3)在沖洗液中加入羧甲基纖維素，其分子親水性弱而與巖心表面的吸附性強(qiáng)，能在巖心表面很快形成吸附網(wǎng)和膜，達(dá)到保護(hù)巖心的目的[5]；(4)采用底噴鉆頭；(5)采用半合管取心鉆具。

4.2 加接立根難以對正絲扣

原廠鉆塔為3截四棱塔架及天車組裝而成，實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)由于大角度斜孔施工使塔身傾斜角度加大，加接立根時(shí)受其自重影響下垂，鋼絲繩難以拉直扶正，鉆桿絲扣難以對正入扣，擰卸鉆桿費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對這一問題，我們采取了降低塔身高度，加接3或4.5 m單根的方法，將原廠最靠近天車一截塔架卸掉，加工一個連接件直接將中間一截塔架與天車連接起來，這樣既使擰卸鉆桿變得簡單，又因?yàn)樗砜s短，減小了鉆塔安裝所需的場地面積，降低了場地臨時(shí)征用費(fèi)及機(jī)場開挖平整的費(fèi)用。

4.3 鉆桿柱磨損快

大角度斜孔施工，容易導(dǎo)致鉆桿柱偏磨，鉆桿接頭易受損導(dǎo)致鉆桿折斷事故，不易處理[13]，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)強(qiáng)化沖洗液潤滑減阻能力，盡量減小鉆具震動，采用高強(qiáng)度耐磨的繩索取心鉆桿接頭，要經(jīng)常檢查鉆桿，磨損程度超標(biāo)的鉆桿嚴(yán)禁使用[14]。

5 幾點(diǎn)體會和認(rèn)識

(1)大角度斜孔鉆探施工是一項(xiàng)復(fù)雜、綜合性強(qiáng)的系統(tǒng)工程[15]，需要考慮設(shè)備能力、鉆桿鉆具可靠性，鉆探規(guī)程參數(shù)、沖洗液配方等多方面因素，在大角度斜孔中進(jìn)行初級定向鉆進(jìn)需要考慮的影響因素更多，更復(fù)雜，且各因素間相互影響，必須做好施工技術(shù)方案及過程監(jiān)控。

(2)施工大角度斜孔容易發(fā)生鉆孔彎曲度超差，造成鉆孔進(jìn)尺報(bào)廢。初級定向鉆進(jìn)技術(shù)對設(shè)備、機(jī)具沒有特殊要求，工藝技術(shù)容易掌握，能有效提質(zhì)增效、降低成本、縮短工期。

(3)“一基多孔”施工方法減少了施工場地，能節(jié)省臨時(shí)占地征用費(fèi)和設(shè)備搬遷費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得推廣。