王 旭，陳寶義，于 航，羅永江，劉華南，岳 韜，金明昊，潘大東

(1．吉林大學建設工程學院，吉林長春130026;2．北京市地質(zhì)工程公司天津分公司，天津300015;3．吉林省地質(zhì)技術(shù)裝備研究所，吉林長春130103)

0 引言

國土資源部“深部探測技術(shù)與實驗研究專項(Sinoprobe)”是“地殼探測工程”的培育性項目。該專項由中國地質(zhì)科學院組織實施，國土資源部歸口管理。專項的核心任務之一，是在不同自然景觀、復雜礦集區(qū)、含油氣盆地深層、重大地質(zhì)災害區(qū)等關(guān)鍵地帶進行實驗、示范，形成若干深部探測實驗基地［1］。

吉林大學承擔的“深部探測關(guān)鍵儀器裝備野外實驗與示范(Sinoprobe－09－06)”項目的主要任務是在遼寧興城建立深部探測實驗基地，以滿足自主研發(fā)的深部探測儀器與裝備野外實驗與測試的需要。為此，本項目圍繞吉林大學興城地質(zhì)教學基地以及周邊地區(qū)開展了大范圍野外地質(zhì)和地球物理勘探工作，確定了南起菊花島、經(jīng)由楊家杖子鉬礦、北至娘娘廟的地質(zhì)走廊帶作為深部探測實驗基地［2］。

在深部探測實驗基地選取楊家杖子礦集區(qū)實施深孔科學鉆探的目的有2個，一是通過科學鉆探，揭示研究區(qū)地層的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造屬性，以驗證野外綜合地質(zhì)研究和地球物理探測研究結(jié)果，進而對各種探測儀器的可靠性進行評價;二是通過鉆取的巖心，進一步研究實驗區(qū)的成礦規(guī)律，為深部找礦提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

遼西楊家杖子—八家子鉬多金屬成礦帶位于華北克拉通北緣燕山臺褶帶內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要分布有太古宇混合巖、混合花崗巖，元古宇長城系、薊縣系，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系及中生界白堊系。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造為楊家杖子向斜、筆架山向斜，由元古宇和下古生界構(gòu)成。斷裂主要由北東東向要路溝—葫蘆島深斷裂、北東向女兒河大斷裂和青龍大斷裂以及次級的北東、北西向斷裂組成。區(qū)內(nèi)花崗巖類侵入巖出露廣泛，計有堿廠、舊門、楊家杖子花崗巖體等。其分布明顯受斷裂構(gòu)造控制，其巖石類型組合以楊家杖子巖體為例有二長花崗巖、正長花崗巖，亦見閃長巖和花崗閃長巖及花崗斑巖，主要形成于燕山早期 ～ 早侏羅世［3］。

著名的遼西楊家杖子—八家子鉬多金屬成礦帶分布于青龍大斷裂和女兒河大斷裂之間。成礦帶以南為山海關(guān)隆起，以北為遼西凹陷。區(qū)內(nèi)鉬礦多產(chǎn)于富硅、富鉀、鋁過飽和的中酸性、堿性含鉬細?；◢弾r復式小侵入體之中或內(nèi)外接觸帶中，產(chǎn)有楊家杖子矽卡巖型鉬礦床、蘭家溝斑巖型鉬礦床、北松樹卯斑巖—矽卡巖型鉬礦床以及八家子鉛鋅礦床等多金屬礦床，是一條極其重要的鉬多金屬成礦帶［4］。

圖1 大地電磁測深部分測點布設位置圖［5］

2 鉆孔設計

2．1 孔位確定

孔位確定前期，項目組在地質(zhì)走廊帶進行了大地電磁測深實驗研究。大地電磁測深勘探工作起點在遼寧興城海濱，剖面沿西北方向經(jīng)過楊家子鎮(zhèn)至西北建昌的娘娘廟，剖面設計總長94 km，實際測線長度91.528 km。共設物理測量點47個，檢查點3個，儀器一致性驗證點1個。部分測點布設位置見圖1。

圖2 TE、TM聯(lián)合反演結(jié)果圖［5］

根據(jù)大地電磁測量結(jié)果，在L1～30號測點下方存在低阻異常，且具有較好的成礦背景，是一個非常有潛力的靶體，圖2為模式測量反演結(jié)果圖。根據(jù)實驗基地綜合地質(zhì)研究理論和地質(zhì)走廊帶大地電磁測量結(jié)果與解釋報告［5］，項目組決定在楊家杖子開發(fā)區(qū)上富兒溝村與下富兒溝村之間區(qū)域?qū)嵤┘执髮W遼寧興城深部探測基地科學鉆探第1號孔，即JK－1孔。

2．2 孔深設計

根據(jù)低阻異常體反演電阻率曲線，低阻異常體的底部位于海平面以下1500 m的位置，該測點的高程為146 m。考慮到測深的誤差因素，故將孔深設計為1800 m。圖3為反演電阻率曲線圖。

2．3 鉆孔結(jié)構(gòu)設計

圖3 反演電阻率曲線［5］

依據(jù)綜合地層柱狀圖，JK－1孔應鉆遇的地層為三疊、二疊、石炭、奧陶系及寒武系地層。其中，三疊、二疊、石炭系地層多為砂巖、礫巖，并含有黑灰頁巖、鋁土質(zhì)頁巖，厚度達750 m左右;石炭系地層孔壁不穩(wěn)定，是護壁堵漏的重點孔段;1000 m以深多為灰?guī)r地層，地層較為穩(wěn)定，可作裸孔設計。

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3 鉆探技術(shù)

3．1 鉆探設備

選擇最大鉆進深度為2100 m的XY－6A型鉆機。該鉆機性能可靠，具有一定的過載能力，如果在設計深度仍未達到地質(zhì)目的時，可進一步增大鉆孔深度。選用BW－350/15型泥漿泵，該泵最大泵壓為15 MPa，流量為110～350 L/min，能夠滿足2000 m以淺的鉆孔對泥漿循環(huán)的要求。

3．2 鉆具組合

深孔鉆進中，鉆具組合的設計應使各級鉆桿和套管之間有足夠的環(huán)狀間隙，否則將導致泵壓過大，對深孔鉆進不利［6］。JK－1孔各孔段鉆具組合情況見表1。

表1 JK－1孔鉆具組合 /mm

3．3 鉆進規(guī)程參數(shù)

3．3．1 鉆壓

采用孕鑲金剛石繩索取心鉆頭鉆進。在松散、破碎及易發(fā)生鉆孔彎曲的地層適當減壓鉆進;隨著鉆進過程中金剛石鉆頭的磨鈍而導致的鉆進速度下降，可逐漸平穩(wěn)增壓鉆進。使用96 mm鉆頭鉆進時，正常鉆壓為12～15 kN;使用76 mm口徑鉆進時，正常鉆壓為10～12 kN。

3．3．2 轉(zhuǎn)速

在0～1000 m孔段轉(zhuǎn)速較高，可達700 r/min左右。隨著孔深的增加以及鉆具直徑的減小，轉(zhuǎn)數(shù)有所降低。尤其是孔壁摩擦阻力較大的情況下，根本開不出高轉(zhuǎn)數(shù)。在孔內(nèi)采取減阻潤滑措施以后，轉(zhuǎn)速最高只達到240 r/min左右。

3．3．3 泵量

確定泥漿泵流量的理論依據(jù)是應保持上返流速為0.5～1.5 m/s，以確保及時排除巖屑和冷卻潤滑鉆頭。在96 mm口徑時，正常泵量為60～90 L/min，在76 mm口徑時，正常泵量應40～70 L/min。

3．4 鉆孔質(zhì)量保證措施

3．4．1 提高巖心采取率

根據(jù)鉆孔孔位的地質(zhì)條件和巖礦層的物理力學性質(zhì)，正確合理地選擇取心工藝、鉆進參數(shù)和沖洗液類型，保證JK－1孔巖(礦)心采取率達到95%以上，比《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227－2010)要求的80%的標準提高了15個百分點。

具體措施:對取心工具進行妥善保管，使用前認真檢查，使用后清洗并注潤滑脂;在取心困難的地層中鉆進時，時刻注意降低壓力、轉(zhuǎn)速和泵量;在破碎地層鉆進時，應適當控制回次進尺長度和回次進尺時間;退取巖心時不得重敲巖心管，避免人為破碎并防止上下次序顛倒。

在鉆進過程中，曾多次取出滿管完整的巖心。這一方面說明地層完整，另一方面也說明鉆具在孔底的工作狀態(tài)良好。巖心不僅是地質(zhì)工作評價的依據(jù)，也是鑒別孔底工況的依據(jù)［7］。

3．4．2 保證鉆孔垂直度

鉆機等設備安裝要穩(wěn)固可靠。為了提高地基的承載力，避免因地基發(fā)生不均勻沉降而導致鉆機機座不穩(wěn)，在設備安裝前預先澆注20 cm厚的混凝土基礎(chǔ)。

保證天車、回轉(zhuǎn)器、孔口三點一線。在開鉆前嚴格檢查天車和回轉(zhuǎn)器的立軸是否在一條鉛垂線上。用全站儀對立軸的垂直度進行校正，將立軸調(diào)整到鉛垂位置并固定。

采用多擴孔器防斜鉆具。多擴孔器防斜鉆具的防斜原理主要是減小孔壁間隙和增大鉆具剛度，使其在大鉆壓下不易偏倒和彎曲，保持鉆具在孔內(nèi)居中，從而限制了鉆頭偏斜。按工程質(zhì)量要求鉆孔頂角偏斜率在1°/100 m以內(nèi)，在1750 m深度處測得鉆孔曲線的頂角為9.8°，每百米頂角偏斜≯0.6°，完全符合鉆孔垂直度的要求。表2為各測點頂角數(shù)據(jù)。

表2 JK－1孔測斜數(shù)據(jù)

3．5 維護孔壁穩(wěn)定

針對該孔破碎地層護壁問題［8，9］，通過修改沖洗液設計，取得了較好的護壁效果。

原設計為低固相聚合物泥漿，其配方為:1000 mL水 +3%膨潤土 +2‰Na2CO3(碳酸鈉)+2‰CMC－Na(羧甲基纖維素鈉)。

根據(jù)地層的實際情況，修改為無固相聚合物沖洗液，其配方為:1000 mL水+4‰CMC－Na+4‰PHPA(部分水解聚丙烯酰胺)+5‰PVA(聚乙烯醇)。

3．5．1 沖洗液流變性對比

沖洗液的流動性能對孔壁穩(wěn)定、鉆進效率和孔眼凈化有直接影響［10］。使用ZNN－D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計測量2種沖洗液方案的基本參數(shù)見表3。根據(jù)泥漿六速表計算其表觀粘度、塑性粘度和動切力數(shù)值見表4。

從2種沖洗液方案流變性對比圖(圖5)中可以看出，改進設計的流動性要好于原設計。流動性良好的沖洗液不僅可以很好地將孔底巖屑及時排出，而且減小對孔壁的沖蝕，還可以有效地阻止易坍塌地層垮塌保持孔壁穩(wěn)定;同時針對施工地層的特點，選用聚丙烯酰胺無固相沖洗液，并加入聚乙烯醇護壁劑，既符合繩索取心鉆進高轉(zhuǎn)速要求的低粘度、低密度、低切力、潤滑性好，即“三低一好”，又能滿足復雜地層鉆孔護壁要求的需要［11］。

表3 沖洗液基本參數(shù)

表4 沖洗液表觀粘度、塑性粘度和動切力

圖5 2種沖洗液流變性對比圖

3．5．2 沖洗液防塌性能對比

在坍塌、破碎地層使用以上2種沖洗液，需要對沖洗液的防塌性能進行研究。首先將制作好的粘土模塊放入低固相聚合物泥漿和無固相聚合物沖洗液中，浸泡24 h后進行觀察(圖6)，發(fā)現(xiàn)原設計中試塊坍塌嚴重，沒有起到良好的護壁效果，而使用改進設計進行孔內(nèi)護壁效果明顯，能較好地保證孔壁的完整性。

圖6 低固相鉆井液(左)與無固相沖洗液(右)防塌性能對比

3．5．3 現(xiàn)場應用情況

在鉆進至破碎地層時，聚乙烯醇溶液能在孔壁上形成機械性能優(yōu)良的膜，穩(wěn)定易碎、坍塌孔段的內(nèi)壁，在保持孔壁完整性上效果良好，同時聚丙烯酰胺為水溶性高分子聚合物，可以降低鉆具與孔壁之間的摩擦阻力，絮凝、聚沉、清除沖洗液中過多的固體顆粒，同時還能防止或減輕水敏性地層孔壁的不穩(wěn)定，抑制了地層自然造漿［11］。無固相聚合物沖洗液能夠凈化鉆孔，護壁能力強，沒有出現(xiàn)過坍塌、埋鉆事故。

4 鉆探技術(shù)成果

JK－1孔實際鉆進1750 m，鉆獲巖心1749.08 m。所有巖心都保管完好并及時入庫封存，為今后的科學研究提供了完整的地質(zhì)資料。在1750 m進尺過程中，共鉆進748個回次，每個回次取心1～7塊。設計工期為2012年5月17日～2012年10月26日，共163天。實際工期為2012年5月18日～2012年9月26日，共132天。共進行鉆孔彎曲測量12次，終孔頂角為9.8°，符合頂角偏斜≯1°/100 m的質(zhì)量要求。

5 結(jié)語

(1)JK－1孔穿切楊家杖子古生代—中生代向斜盆地，揭示了盆地底部燕山期花崗巖古生代—中生代13個地層組，再現(xiàn)了華北晚古生代7層鋁土礦沉積層序，獲得了遼西地區(qū)完整的華北型古生代地層鉆孔剖面和巖心資料。

(2)鉆探研究結(jié)果證實了大地電磁所探測到的低阻異常區(qū)的存在。鉆采的巖心表明，該低阻異常區(qū)為金屬礦化帶，也證實了大地電磁測量地質(zhì)解釋的正確性。

(3)較大直徑繩索取心鉆具具有保直和防止斷鉆的優(yōu)越性，其對鉆探效率沒有太大影響。在深孔鉆探中，應盡量使用大口徑鉆具，其對預留換徑空間有意義。

(4)在深孔鉆探過程中，盡最大可能減少鉆柱在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)阻力，以提高鉆頭轉(zhuǎn)速、降低功率消耗和提高鉆進效率。

［1］ 董樹文，李廷棟．深部探測技術(shù)與實驗研究［J］．地球?qū)W報，2011，32(S1):3 －23．

［2］ 黃大年，于平，底青云，等．地球深部探測技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢［J］．吉林大學學報(地球科學版)，2012，42(5):1487－1496．

［3］ 吳福元，楊進輝，張艷斌，等．遼西東南部中生代花崗巖時代［J］．巖石學報，2006，22(2):315 －325．

［4］ 劉曉林，范平，鄭志豐，等．遼西楊家杖子—八家子鉬多金屬成礦帶—典型鉬礦床特征及找礦遠景預測［J］．地質(zhì)與資源，2009，18(2):110 －115．

［5］ 曾昭發(fā)．深部探測實驗基地走廊帶大地電磁測深實驗研究成果報告［R］．吉林長春:吉林大學，2013．

［6］ 王達．深孔巖心鉆探技術(shù)的關(guān)鍵［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1):1 －4．

［7］ 王達，張偉，張曉西．中國大陸科學鉆探工程科鉆一井鉆探工程技術(shù)［M］．北京:科學出版社，2007．

［8］ 孫平賀，烏效鳴，趙均文，等．大寶山復雜鉬礦地層鉆孔堵漏技術(shù)研究與應用［J］．地質(zhì)與勘探，2010，46(1):132 －136．

［9］ 孫丙倫，陳師遜，陶士先．復雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術(shù)探討與實踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(5):13－16．

［10］ 焦映輝，趙應朝．貴州省黔北地區(qū)鋁土礦鉆探工藝運用探討［J］．地質(zhì)與勘探，2010，46(3):531 －536．

［11］ 黃忠高，李志強，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［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(5):23－27．