張向明,李亞東,紀正武,李永紅
(河北省保定地質(zhì)工程勘查院,河北保定071051)
河北省淶源縣楊家莊鎮(zhèn)木吉村銅礦是我院工作多年的老礦區(qū),并且極具做進一步工作的必要,現(xiàn)在已探明為一處大型多金屬礦群。查明銅資源量98.11萬t,達大型(50萬t以上);鉬資源量3.13萬t,達中型(1~10萬t);伴生金遠景資源量20 t,達大型(20 t以上);伴生硫遠景資源量1164萬t,達到大型(500萬t以上);伴生銀遠景資源量447.91 t,達中型(200~1000 t)。勘查工作實現(xiàn)銅(鉬)礦找礦的重大突破,榮獲中國地質(zhì)學會“2010年度十大地質(zhì)找礦成果”獎。
這一成果的取得,首先應(yīng)歸功于繩索取心鉆探工藝的應(yīng)用,從表1可以看出金剛石繩索取心鉆進工藝的巨大優(yōu)勢。
隨著地質(zhì)找礦工作的進一步發(fā)展,鉆孔越來越深,近幾年,我院施工深度在1200~2000 m間的鉆孔已有20多個,今后數(shù)量還要更多,深度還將更深。為此,筆者結(jié)合木吉村銅礦ZK6801孔的生產(chǎn)實踐,對繩索取心鉆進工藝在中深孔中的應(yīng)用總結(jié)幾點體會,為今后的深孔施工積累經(jīng)驗。
河北省淶源縣楊家莊鎮(zhèn)木吉村銅礦區(qū)地層復(fù)雜,區(qū)內(nèi)的構(gòu)造以斷裂構(gòu)造、古火山構(gòu)造為主,斷裂構(gòu)造有NNE向、NE向、NEE向、近SN向、NW向等多組,以NNE向、NE向的烏龍溝斷裂系為主,大多具多次活動的歷史。主要控礦(巖)斷裂為F4。該地區(qū)內(nèi)的巖漿巖是淶源雜巖體的一部分,其主要巖石類型有黑云母石英閃長巖、花崗閃長巖和斑狀花崗閃長巖、粗粒斑狀花崗巖、鉀長花崗巖、二長斑巖和閃長玢巖。
表1 繩索取心鉆進與硬質(zhì)合金、鋼粒鉆進效果對比
ZK6801鉆孔,設(shè)計孔深1650 m,直孔,設(shè)計終孔口徑≥59 mm。其鉆孔結(jié)構(gòu):φ150 mm口徑開孔,穿過第四系及坡積物,孔深43 m,下入φ146 mm孔口管;換徑φ130 mm硬質(zhì)合金鉆進,進入中風化完整基巖,孔深136 m,下入φ127 mm技術(shù)套管;之后換徑φ110 mm單管金剛石鉆進(當時我單位沒有φ110 mm繩索取心鉆具)。在320 m處遇到一條破碎帶,厚度2.5 m,在泥漿中加入羧甲基纖維素鈉和腐植酸鉀,調(diào)整泥漿粘度等性能,經(jīng)過數(shù)次掃孔,得以穿過,繼續(xù)鉆進至400 m,遇到一層厚約5 m的破碎帶,反復(fù)掃孔無效,下入φ108 mm套管變徑。用φ95 mm繩索取心鉆進至660 m,遇到一層破碎帶又有活動水并且伴有流沙,坍塌掉塊,漏失嚴重,影響下一步鉆進。泥漿護壁及水泥灌注均沒達到實際效果,只得下入φ89 mm套管變徑,用φ75 mm繩索取心鉆進,當鉆進到1100 m時,遇到一層破碎帶,灌注了3次水泥,成功護壁,孔深到1360 m,地層破碎,充填物復(fù)雜,坍塌、掉塊嚴重,破碎、坍塌段長度達60 m,采取了多種處理方法,在勉強鉆穿這一層后及時下入φ73 mm套管換φ59 mm口徑鉆進,到達設(shè)計終孔深度后,該孔加深300 m,直至1950.52 m,于2013年3月終孔。
該鉆孔的施工,走了一些彎路,為此也獲得了一些經(jīng)驗和體會。
鉆孔結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至終孔孔身剖面中各孔段的深度和口徑的變化情況。鉆孔換徑次數(shù)越多,鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。
對于深孔來說,特別是地層不明的鉆孔,鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤為重要。這個礦區(qū)是一個老礦區(qū),但原來施工的鉆孔均較淺,對深層的地質(zhì)情況尚無明確的認識,所以,開孔直徑要盡可能的大,地層越復(fù)雜,就越要留有變徑的余地。
該孔采用φ150 mm開孔,經(jīng)過了5次變徑,才達到了終孔深度。簡化鉆孔結(jié)構(gòu)一定要合理,一定要確保終孔口徑滿足地質(zhì)要求。該孔雖然設(shè)計終孔口徑≥59 mm,但前期工作是按φ75 mm終孔準備的。
在ZK6801鉆孔中,使用了φ95、75和59 mm三種規(guī)格的金剛石繩索取心鉆具,級配合理。一般的淺孔,所穿過的不良層位較少,孔內(nèi)簡單,開孔后可一徑或變一徑到底。而對于深度大地層又復(fù)雜的鉆孔,鉆進中必須要加固孔壁。而用泥漿或化學漿液無法達到護壁的效果,采用水泥固孔也無效時,就必須用套管來隔離不穩(wěn)定的孔壁。要做好下一層、兩層、三層甚至更多層套管的準備,形成多臺階的鉆孔結(jié)構(gòu),所以開孔口徑要比終孔口徑大幾級。
鉆孔結(jié)構(gòu)的要素包括:鉆孔目的;要求終孔口徑(或穿礦口徑);地質(zhì)條件和孔深,設(shè)備能力。
鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計原則是采用自下而上的方法設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu),首先要確定所需的終孔口徑,為了降低成本和增加鉆進效率,在可行的條件下盡量簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。在設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)時要留一級備用口徑,當出現(xiàn)無法處理的孔內(nèi)情況時,可以補下一級套管,以保證達到地質(zhì)目的終孔。下套管的原則:
(1)孔口管,以保證孔口覆蓋層不被沖壞,又起到導(dǎo)正鉆孔的目的。
(2)加固難用泥漿護壁或水泥固孔困難的地層。
(3)隔離漏水層或涌水層。
(4)當設(shè)備能力不足或處理孔內(nèi)異常需要縮小一級口徑時。
(5)兩級套管之間的間隔盡可能的大,在上一級套管下入后,進尺較少(小于100 m)、孔又較淺(小于600 m)時,遇到破碎地層,盡可能起拔套管擴孔而不急于下下一級套管,終孔前套管留有級數(shù)越多,順利終孔越有保證。
(6)套管間絲扣連接最好是采用反扣,便于套管的起拔。
套管護壁是最有效、最牢固、最永久的護壁方法,但每下一層套管就意味著縮小一級口徑,因此在鉆進各種松散、松軟和破碎地層時,經(jīng)常出現(xiàn)孔壁坍塌、掉塊和縮徑等不穩(wěn)定狀態(tài),特別是深孔鉆探不穩(wěn)定狀態(tài)頻繁出現(xiàn),不可能無限度地加大鉆孔的口徑,為穩(wěn)定孔壁,首選的技術(shù)措施就是利用具有護壁性能的泥漿,在沖孔的同時穩(wěn)定孔壁,只有當靠泥漿難以完成護壁作用時,再選用水泥固孔、下套管等其他的護壁措施。
繩索取心鉆進,鉆桿柱與孔壁的間隙較小,內(nèi)外管之間的間隙小,這就要求鉆進用的沖洗液要有潤滑性又不能在內(nèi)外管壁上形成泥皮,因此要求泥漿中的固相含量越少越好。這與在鉆進各種松散、松軟和破碎地層時要求護壁的泥皮形成了矛盾,所以必須使用優(yōu)質(zhì)的低固相泥漿或化學泥漿。值得注意的是,在提鉆過程中,必須及時補漿,以維持孔內(nèi)液柱壓力,此外,提下鉆要避免壓力激動,特別是孔壁不穩(wěn)定的情況下,以預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生。
ZK6801孔采用低固相泥漿,效果很好,鉆進中遇到多個斷層破碎帶,護壁堵漏效果明顯。
泥漿配方:水+7%膨潤土+1.8%腐植酸鉀+0.7 kg/m3聚丙烯酰胺+2.5 kg/m3堵漏劑。泥漿的性能指標:密度1.03 g/cm3,蘇氏漏斗粘度24 s,失水量8 mL/30 min。在泥漿使用過程中嚴格控制膨潤土的含量,使得鉆進中的高轉(zhuǎn)速情況下,始終沒有結(jié)泥皮現(xiàn)象。另外還要加強對泥漿的保護,堅決不允許直接向現(xiàn)有泥漿內(nèi)加清水來稀釋泥漿??傊阢@進過程中,必須根據(jù)地層條件及時調(diào)整泥漿性能,在泥漿能夠滿足護壁堵漏的情況下,不要輕易下入套管,以免使得鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,同時也為下面出現(xiàn)復(fù)雜地層時留下處理的余地,確保鉆孔順利終孔。
使用泥漿護壁不能維持孔壁的穩(wěn)定和正常鉆進時,在不下套管的情況下,最常采用的是向不穩(wěn)定的孔段孔壁灌注水泥漿,待水泥漿液凝固后,使用原孔徑的鉆頭鉆開固結(jié)物,重新形成的孔壁是固結(jié)物或被固結(jié)物膠結(jié)的巖石。淶源木吉村礦區(qū)幾乎所有鉆孔都注過水泥,每個鉆孔的灌漿段還不止一段。
2005年施工的ZK2004孔,設(shè)計孔深700 m,設(shè)計終孔口徑≥59 mm。施工設(shè)計采用四級套管五徑成孔,用φ130 mm口徑開孔下入φ127 mm套管,開孔后鉆孔全孔破碎,每打一段幾乎沒有超過50 m就要注一次水泥,最后是注水泥、下套管和泥漿護壁相結(jié)合才完成鉆孔。φ108 mm套管下100 m,φ89 mm套管160 m,φ73 mm套管300 m,φ59 mm口徑鉆進至500 m時,地層相當不穩(wěn)定,無論是注水泥和泥漿都不能順利進行,經(jīng)請示后下了一級φ53 mm套管,最后用φ42 mm口徑終孔,孔深710 m,達到了地質(zhì)目的。
ZK6801孔在1100 m的破碎帶,也是通過灌注水泥達到了護壁堵漏的目的。將0.5∶1的水泥漿液通過鉆桿壓至封堵孔段,壓完替漿水提出鉆桿,封閉孔口再次壓水,利用泵壓封閉24 h,以求取得最好的灌注效果。
鉆孔灌注水泥漿的原則。
(1)鉆過坍塌、掉塊地層后,泥漿不能有效地維持孔壁穩(wěn)定,孔壁持續(xù)有坍塌、掉塊發(fā)生時而灌注水泥。
(2)塌、漏共存的鉆孔,為加固塌、漏層的孔壁,以便使用清水頂漏鉆進而灌注水泥。
(3)孔壁因坍塌、掉塊在局部孔段出現(xiàn)大的空腔(大肚),即使坍掉已經(jīng)停止,但在空腔處鉆桿高速回轉(zhuǎn)時容易引起鉆桿折斷,為充填空腔而注水泥漿。
(4)在嚴重坍塌、掉塊地層內(nèi),泥漿無力使鉆頭鉆透該地層,這時采用鉆一段灌一段水泥漿,逐段加固通過嚴重坍塌、掉塊地層。
在近幾年的水泥固孔護壁實踐中,經(jīng)常有注水泥的效果不是很好,有時是因為注水泥不到位,或是孔內(nèi)沖洗不干凈,或是地下水活動劇烈,這都使得注水泥不成功。另外就是注水泥成功后,孔壁也不是長久牢固,孔壁上的水泥有破碎、脫落現(xiàn)象,還易造成事故。因此,注水泥與泥漿護壁、下套管要有機結(jié)合,掌握最佳下套管的鉆孔深度,以保證最高效率地完成鉆孔。
繩索取心鉆進工藝在深孔施工中,由于減少了提下鉆次數(shù),減少了輔助工作時間,減輕了工人的勞動強度,提高了鉆進效率;在鉆孔質(zhì)量方面,由于鉆桿和孔壁間隙小,鉆孔不易彎曲,同時,小的坍塌掉塊不易卡鉆;發(fā)生巖心堵塞時能夠及時提鉆,有利于保證巖(礦)心采取率。因此,使用繩索取心鉆進在中深孔中施工,在保證鉆孔質(zhì)量上效果非常明顯,但對于中深孔,特別是地層復(fù)雜的情況下,必須充分考慮鉆孔結(jié)構(gòu)、水泥護壁堵漏以及泥漿的正確使用,對復(fù)雜地層綜合治理,確保繩索取心鉆進工藝在復(fù)雜地層的中深孔鉆進中發(fā)揮優(yōu)勢。
當然,繩索取心鉆進工藝在中深孔鉆探應(yīng)用中的影響因素還很多,如地層情況、鉆機動力因素、鉆頭和擴孔器的使用情況等,還有待于在今后的生產(chǎn)實踐中繼續(xù)摸索、充分總結(jié),使我院的鉆探生產(chǎn)能力和效率進一步提高。
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