彭金灶

(福建省第八地質(zhì)大隊，福建 龍巖 364000)

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)交通位置

馬坑礦區(qū)位于龍巖市郊，工作區(qū)位于福建省龍巖市東南120°方向，平距13 km至馬坑村北東東山上，礦區(qū)南側(cè)為319國道，至龍巖鐵路貨運站約13 km。至機臺均修有簡易公路，交通極為便利。

1.2 礦區(qū)勘查主要鉆探工程開展情況

據(jù)記載本礦區(qū)開展地質(zhì)工作始于1913年，1957年物探隊經(jīng)地面磁測發(fā)現(xiàn)本區(qū)磁異常后，揭開了探索本區(qū)深部隱伏磁鐵礦的序幕。1958～1982年，在大量地質(zhì)及其科研工作的基礎(chǔ)上，開展了3個階段的礦區(qū)勘查鉆探工程，完成鉆探工作量147406.56 m，探明鐵礦儲量4.79億 t，伴生鉬礦8.29萬 t，是華東最大的鐵礦床。

在全國開展“攻深找盲，探邊摸底”的新一輪地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作的同時，我局(福建省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局)也開展了武夷山成礦帶深部找礦工作。2010～2013年12月，馬坑鐵礦外圍礦區(qū)深部找礦勘查，已完成鉆孔12個，其中定向鉆孔2個，完成鉆探工作量10527.81 m?？刂畦F礦體估算資源量約1.4億t，實現(xiàn)了“探邊摸底”找礦工作的重大突破。

1.3 礦區(qū)地層情況(見表1)

表1 馬坑礦區(qū)地層情況

2 礦區(qū)鉆探主要技術(shù)難題

2.1 復雜地層特點

二疊系童子巖組(P1t)和文筆山組(P1w)地層:巖石水化作用強烈，換層頻繁，層理、節(jié)理發(fā)育，巖層產(chǎn)狀陡等;常見掉塊、坍塌、縮徑等造成糊、埋、卡鉆及套管事故;局部孔段受構(gòu)造破壞，出現(xiàn)中小漏失，護孔困難。

二疊系棲霞組(P1q)和晚石炭統(tǒng)船山組(C3c)地層:文筆山組與棲霞組接觸面為成巖性裂隙，是嚴重的漏失層;灰?guī)r上部巖溶發(fā)育，溶洞多、大小不一，洞內(nèi)多充填泥砂、漂礫，有的溶洞成串(ZK8321孔)并與地表和地下裂隙串通，常因漏失引起上部地層和溶洞內(nèi)充填物垮塌造成卡、埋鉆事故，也常發(fā)生鉆桿、套管折斷找不到斷頭;下部燧石灰?guī)r，軟硬不均，存在孔斜問題。

中石炭統(tǒng)經(jīng)畬組(C2j)地層:礦層頂板及局部礦層受構(gòu)造破壞、圍巖蝕變、巖脈穿插影響，巖性硬、脆、碎，鉆進中易堵，取心困難等。

早石炭統(tǒng)林地組(C1l)地層:巖性致密，堅硬，局部孔段巖性脆，鉆進效率低。

2.2 斷裂、褶皺十分發(fā)育

礦區(qū)位于龍巖凹陷盆地南東緣，馬坑斷陷盆地內(nèi)，主要構(gòu)造為背斜，礦床處于馬坑背斜的北西翼，總體形態(tài)為單斜構(gòu)造，單斜之上發(fā)育緊密相伴幅度不一的背斜褶皺及斷裂構(gòu)造，區(qū)內(nèi)發(fā)育Fl～F14及溪馬河斷層。

2.3 鉆探施工的技術(shù)難點

2.3.1 地層復雜，鉆進效率低

(1)上部復雜地層開孔口徑大，小徑鉆進取心，大徑擴孔，重復鉆進頻繁;

(2)碎、脆、地層易堵，回次進尺低;

(3)堅硬“打滑”地層，時效低。

2.3.2 護壁堵漏難

(1)淺部:炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖多為水化膨脹地層，風化粉砂巖破碎、構(gòu)造破壞等引發(fā)孔壁“下漏上塌”的治理困難。

(2)中部:灰?guī)r地層溶洞大小不一，成串，洞內(nèi)含充填物(泥砂，泥包石等)，有的溶洞與地表和地下裂隙串通等構(gòu)成長孔段、多特征的復雜地層，治理難度大。

(3)深部:部分斷層孔段存在松散、破碎的全漏失層，特別是深部強徑流、大漏失層的堵漏難度大。

(4)擠壓剪切嚴重的孔段，巖性是軟泥狀存在(常稱“斷層泥”)，怕沖洗液沖刷，孔壁極不穩(wěn)定。斷層產(chǎn)狀陡或處于鉆孔深部時，孔內(nèi)不良狀況會加劇。

2.4 局部孔段及深部礦層取心質(zhì)量問題

易發(fā)生巖心采取率不足的孔段長，主要有:風化嚴重的松散地層、無膠結(jié)性碎石、膠結(jié)性差的泥包石等地層;斷層處巖石破碎嚴重;背斜褶皺軸部巖性較為破碎等。

3 主要鉆探設(shè)備、機具及泥漿材料

3.1 設(shè)備

XY－5型鉆機(配55 kW電動機)，XY－44型鉆機(配45 kW電動機)，BW－320型泥漿泵(配22 kW電動機)，BW－250型泥漿泵(配15 kW電動機)，SG23型鉆塔，SJ－1500型絞車(配5.5 kW電動機)，擰管機、泥漿攪拌機等。

3.2 主要器具

3.3 主要泥漿材料

膨潤土、片堿、植物膠、纖維素、防塌劑、堵漏劑等。

4 鉆進工藝技術(shù)措施

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)(見表2)

實際工作表明，本礦區(qū)的鉆孔結(jié)構(gòu)基本合理，基本能滿足施工要求，確保鉆孔順利完工，但仍存在如下問題。

(1)ZK7521孔186～193.07 m孔段地層復雜，嚴重坍塌，多次灌水泥護孔，浪費了大量時間及財力，若能在110 mm口徑鉆穿該孔段后，下入108 mm套管，將使鉆孔結(jié)構(gòu)更趨于合理。

(2)存在鉆孔結(jié)構(gòu)復雜，重復施工現(xiàn)象。如ZK7529孔因深部出現(xiàn)3個斷層帶(孔深分別為969.20～970.50、1015.69 ～1051.60、1135.50 ～1138.50 m)，造成鉆孔結(jié)構(gòu)復雜，該孔施工至孔深1056.60 m后，繼續(xù)施工困難，拔起89 mm和73 mm套管，于748.41 m處重新擴孔，采取多種措施，得以穿過復雜孔段，因而鉆孔結(jié)構(gòu)比較復雜。

(3)ZK8321鉆孔結(jié)構(gòu)的特殊性，在離該孔15 m左右已施工一個水文觀測孔(觀8孔)，地層分層清楚，為了加快勘探步伐，采用牙輪不取心鉆進，由于人為操作原因，造成孔內(nèi)事故，使鉆孔結(jié)構(gòu)無法按設(shè)計方案進行。

4.2 鉆進方法

上部第四系覆蓋層，采用無泵硬質(zhì)合金鉆進或小一徑單動雙管硬質(zhì)合金或金剛石鉆進，大一徑硬質(zhì)合金或金剛石擴孔。

中部泥巖、砂巖、輝綠巖等地層采用繩索取心液動錘金剛石鉆進。

表2 馬坑礦區(qū)鉆孔結(jié)構(gòu)

破碎、完整及“打滑”地層(砂巖、泥巖、灰?guī)r等)，采用繩索取心金剛石鉆進或繩索取心液動錘金剛石鉆進。

無膠結(jié)性破碎地層或膠結(jié)性差風化砂巖，用多功能孔底反循環(huán)金剛石單動雙管鉆進。

斷層充填物或斷層泥及塑性地層，采用硬質(zhì)合金無泵鉆進。

4.3 鉆進技術(shù)參數(shù)

鉆進技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合的確定受到鉆遇巖石的物理力學性質(zhì)、鉆頭類型及結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆孔直徑、孔身結(jié)構(gòu)和深度、鉆探設(shè)備的性能、沖洗液類型、工人技術(shù)水平等約束，鑒于制約因素較多，各種組合較多。依據(jù)本礦區(qū)實際情況，使用的鉆進技術(shù)參數(shù)見表 3、表 4。

4.4 繩索取心液動錘的推廣應用

相對于繩索取心鉆探工藝，SYZX(75、95)系列

表3 繩索取心鉆進技術(shù)參數(shù)

表4 SYZX75繩索取心液動錘鉆進技術(shù)參數(shù)

繩索取心液動錘鉆探工藝不但有鉆進效率高、巖礦心質(zhì)量好、鉆頭壽命長、勞動強度低等優(yōu)點，而且具有廣泛的適應性，能適用于鉆進6～9級的中硬巖層，尤其適應10～12級組織致密、顆粒細小、弱研磨性的極堅硬巖石或研磨性強的硬、脆、碎巖石。

4.4.1 SYZX系列繩索取心液動錘應用效果(見表5)

表5 馬坑礦區(qū)SYZX系列繩索取心液動錘使用情況

4.4.2 繩索取心液動錘鉆進與普通繩索取心鉆進使用效果對比(見表6)

使用結(jié)果表明，同口徑的繩索取心液動錘與普通繩索取心鉆進相比具有如下突出特點:針對弱研磨性堅硬“打滑”地層，臺月效率提高1.89倍;對強研磨性的硬、脆、碎地層，可提高巖心采取率，延長回次進尺，由0.86 m/回次提高至1.91 m/回次。

表6 馬坑礦區(qū)繩索取心液動錘鉆進與普通繩索取心鉆進使用效果對比

4.5 復雜地層護壁與堵漏技術(shù)

正常鉆孔施工，針對礦區(qū)地層條件的復雜性，護壁堵漏的對策為:適宜的套管層次(一般需4～5層)+優(yōu)質(zhì)泥漿護壁+水泥護壁堵漏+其它堵漏措施。具體如表7所示。

表7 馬坑礦區(qū)護壁堵漏對策選擇

4.5.1 長孔段、多特征復雜地層護壁堵漏——優(yōu)質(zhì)泥漿

馬坑礦區(qū)ZK7924孔順著斷層施工，全孔地層較復雜，孔深342～721.47 m(孔段長379.47 m)，ZK7529孔于孔深1015.69～1051.60 m(孔段長35.91 m)，ZK7929孔于孔深759～806 m(孔段長47 m)，地層為碎石、砂、泥包石(見圖1～3)，膠結(jié)性差，孔壁坍塌厲害，全漏失。

圖1 ZK7924孔342～721.47 m部分巖心

圖2 ZK7529孔1015.69～1051.60 m巖心

圖3 ZK7929孔759～806 m部分巖心

采用優(yōu)質(zhì)泥漿護壁，其配方為:1 m3清水+62.5 kg鈉膨潤土+2～3 kg燒堿+3～5 kg纖維素+3～5 kg植物膠，實現(xiàn)長孔段裸眼鉆進的堵漏技術(shù)(采用50 mm外絲鉆桿，77 mm多功能孔底反循環(huán)單動雙管鉆具)。

4.5.2 孔深較大，強徑流，大漏失地層的堵漏——擴孔下套管

淺部的強漏、強涌孔段通常采取擴孔后套管隔離。深孔段一般采用水泥封閉和調(diào)整沖洗液性能。目前對孔深較大、強徑流、大漏失地層鉆進仍為世界性難題，我隊采用各種方法(包括灌注樁剪球法)，均未能取得成功，只好采用擴孔下套管的最原始的辦法。如ZK7259孔，原89 mm套管下至748.41 m，后施工至 1056.60 m，斷層(孔深 969.20～970.50 m)有股流動水，斷層內(nèi)有砂石充填物，起上89 mm套管，擴孔隔離該斷層。

4.5.3 深部松散、破碎、易塌層——旋噴水泥漿固結(jié)護壁

中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復雜夾層，由于鉆孔漏失泥漿護壁難，且無法采用套管隔離情況下，使用水泥漿高壓旋噴固結(jié)護壁法。

ZK7529孔孔深1135.50～1138.50 m，ZK8321孔818.57～819.78 m等孔段，出現(xiàn)“斷層泥”，該地層特點是風化破碎、怕水沖刷、含泥成分高、易坍塌、埋藏深度大，鉆進時阻力大，提出后孔段即被細砂、石充填。采用泥漿護壁、普通方法灌注水泥漿均無效，受口徑限制也無法下入套管隔離復雜孔段的情況下，采用水泥漿高壓旋噴灌注法，解決了護壁難題。

4.5.4 流塑性地層

流塑性“斷層泥”在強的應力作用下，由于塑性變形引起徑向流動，造成鉆孔縮徑。ZK7922孔，孔深376.53～388.84 m，采用低效增粘劑LMB+膨潤土+CMC。

另一方面，“斷層泥”中富含伊利石和綠泥石等吸水性較強的粘土礦物，遇水即水化膨脹，一脹即垮，導致鉆孔縮徑垮塌。

4.6 復雜地層取心方法

復雜地層取心方法選擇見表8，采用多功能孔底反循環(huán)與普通繩索取心鉆進復雜地層巖心采取率對比見表9。

5 技術(shù)經(jīng)濟指標

馬坑礦區(qū)代表性鉆孔的技術(shù)經(jīng)濟指標見表10。

表8 復雜地層取心方法選擇

表9 多功能孔底反循環(huán)與普通繩索取心鉆進取心效果對比

表10 馬坑礦區(qū)鉆孔綜合經(jīng)濟技術(shù)指標

由表10可知，本礦區(qū)總體鉆探效率較低，究其原因主要有以下幾個方面。

(1)大口徑施工孔段長，非常規(guī)鉆進工藝所占比例大，上部為小徑雙管鉆進取心，大口徑多級擴孔。

(2)地層復雜，裂隙帶地層破碎、膠結(jié)性差，易坍塌、掉塊等，采取多種護孔措施，所占用時間長。

(3)部分鉆孔灰?guī)r地層溶洞發(fā)育，且大多數(shù)溶洞內(nèi)有充填物，治理難度大，無法高速鉆進，且易斷鉆桿。

6 幾點認識

(1)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)是保障鉆孔順利施工的關(guān)鍵。

(2)實踐證明，針對長孔段、復雜地層，采用普通單動雙管金剛石鉆進可以大大地提高鉆進效率，同時提高護壁效果。

(3)針對堅硬“打滑”地層，使用繩索取心液動錘鉆進，可提高鉆進效率;對強研磨性的硬、脆、碎等破碎地層，可減少巖心堵塞，延長回次進尺。

(4)中、深部孔段鉆遇松散、破碎、易水化分散坍塌等復雜夾層，采用泥漿護壁難且無法采用套管隔離情況下，采用高壓旋噴水泥漿固結(jié)護壁，可有效解決護壁難題。

(5)破碎無膠結(jié)性的碎石層或無膠結(jié)性的流砂層、“泥包石”等，巖(礦)心采取率低，采用多功能孔底反循環(huán)單動雙管取心效果較好。

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