銅礦復雜地層鉆探施工技術分析
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摘要：介紹了青海省格爾木小南川銅礦復雜地層鉆探施工過程中，通過積極探索和優(yōu)化鉆探施工工藝，合理選擇繩索取芯鉆具，采取積極有效鉆探技術措施，配制優(yōu)質泥漿，克服鉆孔漏失、坍塌、掉塊等難題，順利完成鉆探任務。
關鍵詞：復雜地層；鉆孔結構；鉆進措施
1勘查區(qū)概況
1.1基本情況
位于青海省格爾木市納赤臺以南小南川地區(qū)，行政區(qū)劃屬青海省格爾木市管轄。區(qū)內位于近東西走向的東昆侖山系布爾汗布達山中西端，山勢雄偉、突兀峻拔，植被不發(fā)育，海拔高度一般在3880~5300m，地勢北高南低，地形起伏大、山勢陡峻切割劇烈，屬中—深切割高山區(qū)；區(qū)內屬于無人區(qū)。
1.2地層
勘查區(qū)地層分區(qū)屬東昆侖山南坡分區(qū)，出露地層比較單一，主要為奧陶—志留系納赤臺群上部哈拉巴依溝組。地層主要為一套變質的基性、超基性火山巖，鈣質板巖、鈣質千枚巖、鈣質長英質千糜巖，主要賦礦層位主要為綠泥絹云石英片巖、構造片巖等。上部第四系以沖積、殘坡積堆積礫石為主，局部見有冰積堆積物。
1.3構造
勘查區(qū)處于昆南斷裂以北約5km，全區(qū)以韌性剪切構造為主，即地層存在逆沖走滑斷層。巖石長期受到南北向構造擠壓作用而變形，構造形跡極為復雜，形成不同規(guī)模近東西向展布的韌脆性構造帶。構造帶內褶皺構造、斷裂構造發(fā)育，特別是近東西向的構造片理化帶、糜棱巖帶極其發(fā)育，形成密集片理構造片巖及糜棱巖類巖石。
2鉆探工作難點
（1）勘查區(qū)強風化地層破碎，鉆進時泥漿漏失嚴重，鉆孔易坍塌，成孔和取芯較為困難。（2）整個礦區(qū)構造復雜，地層傾角大，巖石破碎，孔內漏失、掉塊、坍塌較嚴重，鉆進時容易出現(xiàn)卡鉆、斷鉆桿等狀況，孔內事故多。（3）礦區(qū)交通不便，海拔高，山高坡陡，道路艱險，搬遷頻繁，運輸困難，影響了鉆探工作正常進行。針對以上困難，我們在鉆探施工工藝上進行了積極探索和有效改進，從鉆孔結構、鉆進技術參數(shù)、護壁堵漏、泥漿配比等方面著手，較好地解決了施工過程中遇到的難題。
3鉆探方法
鉆探設備：該工區(qū)鉆孔孔深一般在300m左右，為80°斜孔。鉆探設備主要選擇XY-4型鉆機，動力機為4105柴油機，BW-250型泥漿泵，9mA字鉆塔。鉆探機具選擇：根據(jù)終孔口徑要求和該地區(qū)上部復雜地層情況，上部使用普通鉆進方法，選用⌀50mm鉆桿，采用⌀110mm鉆頭，下入⌀108mm套管。下部較完整地層采用NQ系列繩索取芯系列鉆具鉆至終孔，鉆具選擇為⌀75mm孕鑲金剛石鉆頭，⌀73mm繩索取芯鉆桿。
4鉆孔結構及鉆進技術參數(shù)
4.1鉆孔結構
該礦區(qū)地層覆蓋層結構松散，上部巖層風化、破碎比較嚴重，鉆孔坍塌漏失嚴重，采用⌀110mm鉆至弱風化基巖后下入⌀108mm套管。下部采用NQ系列繩索取芯系列鉆具鉆至終孔。
4.2鉆進技術參數(shù)
上部覆蓋層及強風化巖層采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進，由于卵石、風化層分布不均，鉆具跳動大，需采用低鉆壓、低轉速、較大泵量鉆進。一般選用：鉆壓5~7kN；轉速150~300r/min；泵量60~90L/min。下部較完整地層采用NQ系列繩索取芯鉆進。鉆壓10~12kN；轉速400~700r/min；泵量40~70L/min。選擇鉆進技術參數(shù)是應注意[1]：（1）孕鑲雙管鉆頭按單位底面積壓力為40~80kg/cm2計算，在鉆孔彎曲、超徑的情況下或鉆進強研磨性、破碎巖層時，應適當降低鉆壓，鉆進時應準確計量鉆壓，鉆壓選擇按不同地層靈活掌握，不要超過最大鉆壓，鉆具跳動時降低鉆壓。（2）根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性、完整程度選擇轉速，根據(jù)實際情況靈活掌握，一般鉆頭磨料顆粒越細，轉速越高，在遇到礫巖地層、鉆孔彎曲、超徑的情況下或鉆進強研磨性、破碎巖層時，鉆孔彎曲、超徑、鉆具振動大的情況下，轉速應適當降低；在使用高轉速的情況下，應注意泥漿固相含量和分散性，防止鉆桿內壁結垢。（3）根據(jù)巖石的可鉆性、完整程度、鉆進速度和鉆頭直徑合理選擇泵量，泵量的確定應以有效清除、攜帶巖粉和冷卻鉆頭為準。較小的泵量和較高的泵壓是繩索取芯鉆進的要求，在鉆進中應隨時觀察泵壓變化，根據(jù)泵壓的變化判斷孔內情況。
5鉆進措施
5.1強風化層鉆進
上部強風化地層破碎，呈碎塊狀，鉆進時鉆孔易坍塌，泥漿漏失嚴重，成孔困難。針對以上困難主要采用優(yōu)質黃土粉泥漿護壁。采用⌀110mm鉆頭鉆至弱風化地層（一般深度為30~40m），下入⌀108mm套管。必須保證⌀108mm套管下到弱風化巖層。
5.2弱風化巖層鉆進
下部弱風化巖層較破碎，巖芯呈塊狀、短柱狀，掉塊較多，遇到構造帶有泥漿漏失現(xiàn)象。為提高鉆探效率，保證巖芯采取率，防止孔斜，采用NQ系列繩索取芯鉆具鉆進。鉆進過程中也遇到一系列困難，由于巖層比較破碎，有掉塊現(xiàn)象，鉆具在高速回轉時，跳動現(xiàn)象嚴重，同時斷鉆桿事故比較多，雖然都能很快打撈上來，但影響了鉆進效率。礦層與構造帶伴生，遇到礦層一般漏失嚴重，而且很破碎，采芯較為困難，而礦層的采取率是本次鉆探施工的關鍵，不能出現(xiàn)閃失。面對上述一系列問題，在鉆探工藝上不斷地探索和改進，取得了較為理想的效果。針對鉆具跳動、斷鉆桿事故較多現(xiàn)象，選用優(yōu)質泥漿護壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時間，減少孔內掉塊[2]；經常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。選擇合理的鉆進參數(shù)，降低鉆壓和轉速；檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗不合格的鉆桿不準下入孔內；鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內鉆桿跳動現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
5.3預防事故措施
（1）選用優(yōu)質泥漿護壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時間，減少孔內掉塊。（2）經常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。（3）選擇合理的鉆進參數(shù)，降低鉆壓和轉速。（4）檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗不合格的鉆桿不準下入孔內。（5）鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內鉆桿跳動現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
5.4保證礦、巖芯采取率措施
（1）鉆孔鉆至礦層后，減小鉆頭與卡簧座的間隙，同時減小泵量，避免泥漿沖刷巖芯。（2）檢查鉆頭、卡簧和鉆具，各機構可靠配合。（3）降低鉆壓和轉速，鉆進平穩(wěn)進尺，鉆進速度適當控制，不能過快或過慢，礦芯采取特別難地層，控制回次進尺，每回次控制在1.0~1.5m[2]。（4）采取礦芯后平穩(wěn)打撈，避免孔內礦芯脫落；退芯時輕放、細心，取出的巖芯應及時清洗干凈，并按要求進行擺放。通過采取以上技術措施，嚴格采芯過程管理，礦層采取率基本都能保證80%以上，能達到地質要求。
5.5消除鉆桿跳動的措施
針對鉆具跳動、斷鉆桿事故較多現(xiàn)象，選用優(yōu)質泥漿護壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時間，減少孔內掉塊[3]；經常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。選擇合理的鉆進參數(shù)，降低鉆壓和轉速；檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗不合格的鉆桿不準下入孔內；鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內鉆桿跳動現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
6護壁堵漏
6.1一般泥漿配方
采用NQ系列繩索取芯鉆進，使用低固相廣譜護壁劑泥漿護壁，隨鉆堵漏劑和大裂隙堵漏劑配合使用堵漏。見表1。
6.2泥漿性能
該泥漿固相含量低，粘度較大，潤滑效果好，減小振動，降低失水量，提高泥漿穩(wěn)定性、潤滑性和改善泥漿流變性。見表2。
6.3堵漏措施
采用該種低固相泥漿，能保持孔壁穩(wěn)定，有效地排出巖粉，降低孔內鉆進阻力。遇到輕微漏失地層，加入隨鉆堵漏劑；如果地層裂隙較大，采用大裂隙堵漏劑堵漏，待有泥漿返出孔口后加入隨鉆堵漏劑，一般堵漏效果較好。每次提鉆后必須向孔內灌注泥漿，保持孔內壓力平衡。稀釋泥漿時，不要一次到位，泥漿比重慢慢降低，避免由于孔內壓力變化過大而造成塌孔。
6.4泥漿維護
現(xiàn)場配備一臺泥漿攪拌罐和三個藥劑桶，將待加入的處理劑預先在藥劑桶內水化、溶解后倒入攪拌罐攪拌，根據(jù)鉆進中處理劑消耗情況，攪拌罐內攪拌好的處理劑溶液有控制地加入到循環(huán)槽或泥漿池內[4]。經常測試泥漿性能，隨時掌握泥漿性能變化，及時進行性能調節(jié)，并做好配制、凈化處理、撈砂工作。根據(jù)地層變化及時調整泥漿性能，加強凈化并適時補充處理劑來恢復其性能。調配好的泥漿，不得隨便加入清水。現(xiàn)場泥漿循環(huán)系統(tǒng)盡可能加長，泥漿槽設置2~3個沉淀池，及時清理撈砂，保持泥漿性能。
7總結
小南川銅礦復雜地層鉆探施工，勘查區(qū)交通條件差，氣候寒冷，地層較為破碎，鉆探施工困難。合理選擇繩索取芯鉆具，配制優(yōu)質泥漿，采取積極有效措施，能夠在特別復雜地層完成鉆探施工任務。機組積極探索和優(yōu)化鉆探工藝，施工3個鉆孔，鉆孔質量合格，順利完成鉆探任務，得到了業(yè)主方的肯定和好評。
參考文獻：
[1]劉廣志.金剛石鉆探手冊[M].北京：地質出版社，1991.
[2]時志興.河南省寺家溝銀多金屬礦區(qū)復雜地層繩索取心鉆進技術[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2019,46(3):31-35,41.
[3]李寬，李鑫淼，梁健.繩索取心鉆桿折斷事故的原因、預防與處理措施[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）,2018，45（7）：48-51.
[4]鄭秀華，王軍，蔡福民，楊冬培，張?zhí)煨?蘭渝鐵路深孔隧道勘察碳質泥巖防塌孔鉆井液技術[J].鐵道建筑，2010（2）：41-43.
作者：張金平 汪傳武 趙建宇 單位：西安地質礦產勘查開發(fā)院有限公司