黃忠高,李志強(qiáng),楊啟文

江西省浮梁縣朱溪礦區(qū)深孔鉆探施工技術(shù)研究

黃忠高1,李志強(qiáng)1,楊啟文2

(1.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì),江西鷹潭 335000;2.山東萊蕪鴻豐探礦工程有限公司,山東萊蕪 271100)

詳細(xì)介紹了朱溪礦區(qū) 3個(gè)深孔鉆遇地層、鉆探設(shè)備、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆頭使用、起大鉆、沖洗液使用、護(hù)孔堵漏、套管使用等具體情況。重點(diǎn)分析和總結(jié)了鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆頭使用、沖洗液使用、護(hù)孔堵漏等鉆探工藝技術(shù),并提出今后深孔施工需慎重配套鉆探設(shè)備、增大鉆頭外徑、提高鉆探效率、重視深孔孔斜尤其是方位超差和灰?guī)r溶洞問題等建議。

深孔鉆探;繩索取心;金剛石鉆頭;工藝技術(shù);朱溪礦區(qū)

1 礦區(qū)地質(zhì)簡介

江西省浮梁縣朱溪銅多金屬礦預(yù)查,是江西省地質(zhì)勘查基金管理中心項(xiàng)目。2010年工作任務(wù)是:以朱溪銅礦深部及外圍為重點(diǎn),進(jìn)行鉆探工程揭露,了解礦體沿深部延伸情況,進(jìn)一步圈連礦體。2010年設(shè)計(jì)鉆孔 4個(gè),設(shè)計(jì)鉆探工作量 3000 m。實(shí)際施工并完成鉆孔 3個(gè),完成鉆探工作量 3176.20 m,開孔傾角分別為 80°、87°、75°,臺(tái)月效率分別達(dá) 790、720和 826 m。

礦區(qū)位于江西省東北部景德鎮(zhèn)—樂平之間,欽杭接合帶江西萍樂凹陷帶之北緣、江南造山帶東南部、贛東北深大斷裂北西側(cè)、宜豐—景德鎮(zhèn)深斷裂帶南側(cè),塔前—賦春推覆構(gòu)造帶從礦區(qū)中部呈北東向通過。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期次多階段的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),中元古代褶皺造山作用強(qiáng)烈,加里東期褶皺疊加和韌性變形,印之—燕山期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈而廣泛,推覆構(gòu)造發(fā)育,伴隨中酸性巖漿的侵入,構(gòu)造十分復(fù)雜。

礦區(qū)出露地層有:

①第四系,由淺黃色亞粘土層、砂、砂礫石組成;

②上三疊統(tǒng)安源群,為灰、灰黑色粉砂質(zhì)頁巖、粉砂巖、中細(xì)粉砂巖,局部見燧石礫巖或炭質(zhì)頁巖及煤層;

③上二疊統(tǒng)長興組,上部為灰、灰白色灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r,下部為灰、深灰色硅質(zhì)巖、燧石灰?guī)r;

④上二疊統(tǒng)樂平組(原稱龍?zhí)督M),灰白色中細(xì)粒長石石英砂巖、粉砂巖、含炭頁巖;

⑤下二疊統(tǒng)茅口組,上部為灰色薄層狀硅質(zhì)巖,中部為灰、灰黑色薄層至中厚層狀灰?guī)r,下部為灰黑色薄層狀硅質(zhì)巖;

⑥下二疊統(tǒng)棲霞組,上段為深灰色厚層狀含燧石灰?guī)r,中段為灰、灰綠色中厚層狀含炭質(zhì)灰?guī)r,下段為灰、灰白色石英砂巖;

⑦上石炭統(tǒng)船山組,灰、灰白色灰?guī)r,上部泥質(zhì)增多;

⑧上石炭統(tǒng)黃龍組,為灰白、肉紅色厚～巨厚層狀中、細(xì)粒白云巖,底部局部有 1 m厚粘土巖及 0.5～0.8 m厚石英細(xì)礫巖,為主要含礦層;

⑨中元古界雙橋山群,構(gòu)成本區(qū)褶皺基底,主要巖性為灰、灰綠色絹云千枚巖、砂質(zhì)千枚巖、變質(zhì)砂巖、絹云板巖夾變余沉凝灰?guī)r。

總之,本區(qū)巖石主要為灰?guī)r、厚～巨厚層狀中細(xì)粒白云巖。灰?guī)r、白云巖可鉆性中等,但巖石裂隙發(fā)育,局部破碎比較嚴(yán)重,常見風(fēng)化段,遇水分解、松散剝落,鉆孔掉塊、垮渣、漏水。

鉆孔施工質(zhì)量要求主要有:巖心采取率≥65%,礦心采取率≥80%;每 50 m鉆孔測斜 1次,且要求頂角偏差≯3°/100 m,方位角偏差不超過勘探網(wǎng) 1/ 3～1/4;600 m以淺鉆孔口徑≮75 mm,600 m以深鉆孔口徑≮56 mm。

2 鉆探施工難點(diǎn)

(1)鉆孔淺部漏水 (但未遇溶洞)。如 ZK2808孔孔深 70 m漏失不返,ZK5404孔在下 262.10 m“89 mm套管前,全孔漏失。

(2)灰?guī)r、白云巖局部破碎,裂隙發(fā)育,蝕變明顯。如 ZK4207孔孔深 530～570 m巖石松散、怕水、垮塌,孔內(nèi)沉渣近 60 m;ZK2808孔孔深 360 m見2 m厚斷層泥。

(3)鉆孔方位角偏差不超過勘探網(wǎng) 1/3～1/4,這是非常高的要求。

(4)大頂角斜孔施工。ZK5404開孔傾角 75°, ZK4207開孔傾角 80°。

(5)鉆孔深度較大。ZK5404孔終孔深度將近900 m,ZK4207孔終孔深度達(dá)1085.20 m,ZK2808孔終孔深度更大,為 1207.80 m。

(6)地質(zhì)設(shè)計(jì)孔深加深嚴(yán)重。ZK4207孔終孔深度較設(shè)計(jì)孔深增加了 135 m,ZK5404孔也增加了83 m,ZK2808孔更是增加了 457.80 m,增加了 61%的鉆探工作量。

3 鉆探工藝技術(shù)

3.1 鉆探設(shè)備

選用的鉆探設(shè)備情況見表 1。

表1 鉆探設(shè)備選用情況

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

合理設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu),用表層套管、技術(shù)套管封隔膠結(jié)松散、垮塌、漏失地層,以減少鉆孔上部復(fù)雜地層對下部施工的影響 (鉆孔下部采用性能優(yōu)越的磺化瀝青無固相沖洗液,具有很好的護(hù)孔堵漏效果),這是順利鉆進(jìn)的關(guān)鍵,也是提高鉆探效率、降低鉆探成本的關(guān)鍵。

朱溪礦區(qū)采用的鉆孔結(jié)構(gòu)是 (見表 2):“110 mm口徑開孔,鉆穿第四系表土層后,下 “108 mm套管,改 S95繩索取心鉆進(jìn),至 250 m左右,地層完整下 “89 mm套管 (鉆桿作套管),再改 S75A繩索取心裸孔鉆進(jìn)至終孔。事實(shí)證明,這種鉆孔結(jié)構(gòu),簡單且完全適用朱溪礦區(qū) 1000 m左右深度的鉆孔施工(灰?guī)r地層未遇溶洞的情況)。

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)

3.3 鉆頭選用

深孔鉆探施工,一定要采用機(jī)械鉆速高、壽命長的金剛石鉆頭,盡可能延長鉆頭在孔底的工作時(shí)間,最大限度減少起下鉆次數(shù)。不要因?yàn)殂@頭價(jià)格原因而放棄對鉆頭質(zhì)量的要求,因?yàn)榻饎偸@頭費(fèi)用在深孔鉆探施工總費(fèi)用中所占比例很小,而提高機(jī)械鉆速和鉆頭壽命會(huì)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。而且,深孔鉆探使用繩索取心鉆進(jìn)工藝,由于鉆桿外徑與孔壁環(huán)狀間隙較小,沖洗液在孔底循環(huán)時(shí)壓力損失較大,隨著鉆孔的不斷加深,泵壓會(huì)急劇增高,影響正常作業(yè)。根據(jù)孔深、巖石松軟破碎程度、是否使用泥漿等具體情況,應(yīng)適當(dāng)加大鉆頭外徑尺寸,可控制在1～3 mm之間。

我們主要采用廣東佛山市南海希而超硬材料工具有限公司生產(chǎn)的希而金剛石鉆頭,直徑 95/63.7 mm、壁厚 15.5 mm、胎體高 10 mm,和直徑 7615/ 4814 mm、壁厚14 mm、胎體高10 mm,取得了令人滿意的效果,創(chuàng)造了 “75 mm口徑金剛石鉆頭壽命達(dá)510 m和開孔傾角 75°、終孔深度近 900 m、全孔平均金剛石鉆頭每米費(fèi)用約 2元等一系列新紀(jì)錄。事實(shí)證明 (見表 3和表 4),希而鉆頭確實(shí)具有鉆進(jìn)時(shí)效高、鉆頭壽命長、導(dǎo)向性和保徑性好、廣譜性佳的特點(diǎn)。

表3 金剛石鉆頭使用情況

3.4 沖洗液選用

針對朱溪礦區(qū)地層特點(diǎn),選用聚丙烯酰胺無固相沖洗液和磺化瀝青無固相沖洗液,既符合繩索取心鉆進(jìn)開高轉(zhuǎn)速要求的“三低一好”(低粘度、低密度、低切力、潤滑性好),又能滿足復(fù)雜地層護(hù)壁要求的需要,取得了很好的效果。

3.4.1 聚丙烯酰胺無固相沖洗液

聚丙烯酰胺是一種線狀非離子型高分子聚合物,可用于絮凝、聚沉、清除鉆進(jìn)沖洗液中過多的固體顆粒,使膠體粒子凝聚為不同程度的粗分散或非分散狀態(tài),同時(shí)還能防止或減輕水敏地層的水化不穩(wěn)定,抑制地層自然造漿。

在朱溪礦區(qū) ZK4207和 ZK2808兩鉆孔淺部下“89 mm套管前(ZK5404孔漏水不返),在清水中加入 0.5%～1.5%的聚丙烯酰胺,通過泥漿攪拌機(jī)攪拌配制成聚丙烯酰胺無固相沖洗液,使用效果為:孔內(nèi)比較干凈,排渣情況良好。

3.4.2 磺化瀝青無固相沖洗液

磺化瀝青無固相沖洗液由江西萍鄉(xiāng)市博新實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的低瑩光特效防塌護(hù)壁降失水劑、磺化瀝青、聚丙烯酸鉀(KPAM)、防塌潤滑劑 FK等 4種泥漿處理劑加水配制而成。低瑩光特效防塌護(hù)壁降失水劑對膠結(jié)松散地層有較強(qiáng)的抑制泥頁巖水化膨脹和穩(wěn)壁功效,可防止坍塌,是目前市場上較理想的防塌護(hù)壁產(chǎn)品,同時(shí)有潤滑和降濾失作用;磺化瀝青是鉆井液處理劑中很強(qiáng)的一種頁巖抑制劑,能阻止頁巖水化膨脹和分散,封堵裂縫,防止孔壁剝落性坍塌,并有較好的潤滑能力和降濾失能力;聚丙烯酸鉀(KPAM)是由烯酰類單體聚合而成的含 K離子的高分子聚合物,主要用于聚合物不分散低固相水基鉆井液的絮凝劑,具有抑制頁巖水化分散、改善流變參數(shù)、提高剪切稀釋能力、降低濾失量和抗鹽、抗鈣、抗溫能力;防塌潤滑劑 FK為瀝青類頁巖抑制劑,能抑制泥頁巖水化膨脹和分散,封堵裂縫,防止剝落性坍塌,且能達(dá)到理想的潤滑效果和濾失量。

在朱溪礦區(qū) 3個(gè)鉆孔下部 “75 mm口徑鉆進(jìn)中,都是使用磺化瀝青無固相沖洗液,各處理劑的加量均為 0.5%～1%,取得了很好的效果:孔壁穩(wěn)定,孔內(nèi)干凈。尤其是在 ZK4207孔孔深 608 m處孔內(nèi)垮渣近 60 m的情況下,2個(gè)希而鉆頭基本都是掃孔報(bào)廢而使用磺化瀝青沖洗液 (先是添加了粘土粉,掃孔到底后一直使用磺化瀝青無固相沖洗液),12 h后孔內(nèi)恢復(fù)正常,而且直至終孔,孔內(nèi)都很干凈、穩(wěn)定和安全。

表4 起大鉆情況統(tǒng)計(jì)(除校正鉆孔深度外)

鉆探實(shí)踐驗(yàn)證了磺化瀝青無固相沖洗液在朱溪礦區(qū)使用中取得很好的效果。沖洗液使用情況見表5。

表5 沖洗液使用情況

3.5 護(hù)孔堵漏措施

護(hù)孔堵漏是深孔巖心鉆探最為重要的工藝技術(shù)之一(其實(shí)淺孔鉆探也不例外)。護(hù)孔堵漏的成功與否,很大程度上決定了鉆孔施工效率的高低、施工成本的大小、施工質(zhì)量的好壞,甚至決定了鉆孔施工成功與否。在朱溪礦區(qū)施工,主要采用了套管護(hù)孔堵漏、堵漏劑堵漏、泥漿 (無固相)護(hù)孔堵漏和清水頂漏鉆進(jìn)這幾種護(hù)孔堵漏措施(見表 6)。

表6 護(hù)孔堵漏情況

3.5.1 套管護(hù)孔堵漏

如前所述,采用 “108 mm表層套管和 250 m左右的 “89 mm技術(shù)套管,有效封隔了鉆孔淺部地層的松散膠結(jié)和垮塌漏失,為下部鉆孔施工創(chuàng)造了有利條件(見表 7)。

值得一提的是套管起拔問題。采用套管底部投粘土球、中部抹黃油、頂部管口外灌聚丙烯酰胺并塞封嚴(yán)密的技術(shù)措施,可大幅度減輕套管與孔壁之間的阻力,使長套管的起拔工作順利而輕松,值得推廣。

3.5.2 堵漏劑堵漏

ZK2808孔孔深 70 m處漏失不返。先把內(nèi)管打撈上來,再將鉆頭提離在漏失孔段以上2 m左右,后采用粘土粉加水拌合 801堵漏劑,形成有一定流動(dòng)性的粘稠狀物,并開泵從鉆桿內(nèi)把堵漏材料送入漏失段,泵壓持續(xù)升高并孔口返水,即表明堵漏成功,則投入內(nèi)管繼續(xù)鉆進(jìn)。這種堵漏方法,適用局部裂隙漏失地段,簡單而實(shí)用,效果很好。

3.5.3 泥漿(無固相)護(hù)孔堵漏

深孔繩索取心鉆進(jìn)普遍存在著不同程度的鉆孔漏失和垮塌,這是由于鉆孔地層系統(tǒng)壓力不平衡造成的,能且只能采用并依靠泥漿護(hù)孔堵漏措施,以確保鉆孔正常施工。

如前所述,在朱溪礦區(qū)3個(gè)鉆孔下部“75 mm口徑鉆進(jìn)中,都是使用磺化瀝青無固相沖洗液,起到很好的護(hù)孔堵漏作用。

表7 套管使用情況統(tǒng)計(jì)

3.5.4 清水頂漏鉆進(jìn)

ZK5404孔上部長孔段漏失不返,采用堵漏劑堵漏、水泥堵漏,未能根本解決問題,后改用清水頂漏鉆進(jìn),穿過長孔段漏失層后,及時(shí)下入 “89 mm技術(shù)套管,取得了成功,值得今后借鑒。

4 認(rèn)識和建議

(1)以 “95 mm和 “75 mm兩級口徑的鉆孔結(jié)構(gòu)(不計(jì)鉆進(jìn)第四系表土層的 “110 mm口徑),選用性能優(yōu)良的金剛石鉆頭、優(yōu)質(zhì)的聚丙烯酰胺和磺化瀝青無固相沖洗液,250 m左右的 “89 mm技術(shù)套管,配合XY-44A型鉆機(jī)和 SG13型鉆塔及BW250型水泵的繩索取心鉆進(jìn)工藝方法,是完全適合朱溪礦區(qū) 1000 m左右的深孔巖心鉆探的。

(2)考慮到今后地質(zhì)設(shè)計(jì)鉆孔更深,建議選用鉆進(jìn)能力更大的不停車連續(xù)倒桿立軸鉆機(jī)。因?yàn)椴煌＼囘B續(xù)倒桿立軸鉆機(jī)具有長行程不停車倒桿連續(xù)給進(jìn)、無主動(dòng)鉆桿、無須讓車和無須提出孔內(nèi)鉆桿、機(jī)上加接鉆桿等全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)功能,以及立軸鉆機(jī)的價(jià)格、高鉆進(jìn)效率、低使用成本等一系列優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí),最好并聯(lián)兩臺(tái)較小的柴油發(fā)電機(jī)組作動(dòng)力,以節(jié)約能源,降低成本。總之,在深度更大的鉆孔施工中,包括鉆機(jī)、動(dòng)力機(jī)、水泵、鉆塔和鉆桿等鉆探設(shè)備的選型配套工作,意義重大,務(wù)必慎之又慎。

(3)鑒于 “75 mm口徑的金剛石鉆頭外徑為“76.5 mm,在鉆進(jìn) 1000 m深孔中,泵壓高達(dá) 5～6 MPa,建議稍為加大至 “77.0 mm。

(4)為進(jìn)一步提高鉆探效率,應(yīng)考慮采用長 4.5 m左右的繩索取心鉆桿,以增加回次長度。尤其是深孔鉆進(jìn),打撈內(nèi)管 (巖心)時(shí)間很長,鉆桿即回次長度的增加 (當(dāng)然還有其他因素影響回次長度增加),可明顯減少輔助時(shí)間,提高純鉆進(jìn)時(shí)間,從而顯著提高鉆探效率。

為進(jìn)一步提高鉆探效率,還應(yīng)考慮推廣使用中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制開發(fā)的、集繩索取心與液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為一體的 SYZX75型液動(dòng)潛孔錘。該鉆具將繩索取心和液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)勢相互結(jié)合,能防止巖心堵塞,提高小時(shí)效率,增加回次進(jìn)尺,從而產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)高度重視深孔孔斜尤其是方位超差這一帶有普遍性的施工難題 (對直孔深孔而言,這一問題更甚)。雖然繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)本身就具有不錯(cuò)的防斜作用,斜孔開孔也有很好的定向?qū)蜃饔?但還不夠。除了孔斜前應(yīng)把好設(shè)備安裝關(guān)外,采用繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn),可收到明顯的保斜穩(wěn)斜效果(亦可明顯提高鉆進(jìn)效率)。鉆孔超斜后,應(yīng)推廣既能造斜又能繩索取心的繩索定向造斜及取心的先進(jìn)的高新鉆探技術(shù),以達(dá)糾斜目的。

(6)作為技術(shù)儲(chǔ)備,需研究制定灰?guī)r溶洞鉆進(jìn)技術(shù)方案。

[1] 趙均文,等.承德黑山礦區(qū)鉆孔糾斜技術(shù)及防斜技術(shù)措施[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(5).

[2] 祁新堂.河南舞陽鐵礦鐵古坑礦段巖心鉆探施工工藝[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(5).

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Study on Deep HoleDrilling in ZhuxiM in ing Area of Jiangxi

HUANG Zhong2gao1,LI Zhi2qiang1,YANG Q i2wen2(1. 912 Brigade,Jiangxi Province Bureau of Geology andMineral Exploration and Development,Yingtan Jiangxi 335000,Chi2 na;2.Hongfeng Exploration Co.,Ltd.,La iwu Shandong 271100,China)

The paper introduced 3 deep holes construction in Zhuximining area about the drilling formation,drilling equip2 ment,borehole structure,bit application,drill string lifting,washing fluid application,wall protection&lost circulation control and casing situation.Analysis and summery emphasized the drilling technologies of borehole structure,bit applica2 tion and wallprotection&lost circulation control.Some suggestionswere made for deep hole construction on drilling equip2 mentmatching;outside bit diameter increasing;drilling efficiency improvement;hole deviation,especially az imuth out of tolerance and karst cave.

deep hole drilling;wire2line coring;diamond bit;technology;Zhuximining area

P634

A

1672-7428(2011)05-0023-05

2010-11-07;

2011-03-05

黃忠高(1968-),男(漢族),江西撫州人,江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì),探礦工程專業(yè),從事探礦工程生產(chǎn)與技術(shù)管理工作,江西省鷹潭市月湖區(qū)梅園大道 16號,hzg681022@126.com。