李光宏， 李紅梅

(河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊，河北 邢臺054000)

多種鉆探工藝技術(shù)在白澗鐵礦區(qū)的應(yīng)用實踐

李光宏， 李紅梅

(河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊，河北 邢臺054000)

白澗鐵礦區(qū)地層復(fù)雜多變，褶皺、斷裂極為發(fā)育，使得鉆探施工難度大。根據(jù)其地層條件，采用了多種鉆探工藝技術(shù)，包括彈子式單管鉆進(jìn)、PDC繩索取心鉆進(jìn)、跟管鉆進(jìn)、金剛石繩索取心鉆進(jìn)。根據(jù)地層條件不同，采取了不同的沖洗液配制方案，在施工過程中靈活配合使用，取得良好的效果，順利完成了預(yù)期任務(wù)。取得了明顯的經(jīng)濟效益并積累了經(jīng)驗。

復(fù)雜地層；沖洗液；金剛石繩索取心鉆進(jìn)；PDC繩索取心鉆進(jìn)；跟管鉆進(jìn)；白澗鐵礦區(qū)

1 工程概況

白澗鐵礦區(qū)位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)白澗村一帶，東北距邢臺市25 km，東距沙河市23 km，西鄰顯德汪煤礦，北與中關(guān)鐵礦接壤，交通十分便利。

該礦區(qū)屬典型的邯—邢式大型鐵礦。

本礦區(qū)地處太行山中段東麓，屬太行山山脈與華北平原間的山前丘陵地帶，地勢高差120 m左右。區(qū)域地層自新生界第四系至中古界長城系，出露較全，區(qū)域巖漿巖分布較廣泛。礦區(qū)地層復(fù)雜多變，褶皺和斷裂極為發(fā)育，軟硬不均，破碎裂隙發(fā)育，溶蝕、巖溶發(fā)育嚴(yán)重，鉆探施工難度大，采用單一的施工工藝很難達(dá)到地質(zhì)質(zhì)量要求，根據(jù)不同地層，采用了不同鉆探工藝技術(shù)進(jìn)行施工，取得良好的效果。

2 礦區(qū)鉆探施工難點

(1)上部第四系覆蓋層厚度為50～100 m，為粘土、礫石層、砂礫石層，礫石粒徑大小不一，膠結(jié)松散，易坍塌掉塊，形成“探頭石”造成提下鉆遇阻。重復(fù)掃孔，造成金剛石鉆頭非正常損壞。超徑嚴(yán)重，易造成鉆桿折斷事故，鉆桿折斷后不易找到事故鉆桿頭。

(2)煤系地層厚度為150～200 m，地層為砂巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖，巖石松散、破碎，遇水膨脹，鉆孔縮徑易造成孔壁坍塌。尤其是鉆進(jìn)到采空區(qū)地層，采空區(qū)厚度1.5～6 m，坍塌嚴(yán)重，形成加不上單根，無法正常鉆進(jìn)的情況，是鉆進(jìn)中的一大難題。

(3)奧陶系灰?guī)r地層厚度為200～250 m，地層為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。該地層軟硬不均，易發(fā)生燒鉆事故。地層破碎，溶蝕裂隙、巖溶發(fā)育嚴(yán)重，溶洞最深為4.3 m，易造成孔斜。地下水活動嚴(yán)重，形成沖洗液全部漏失，沖洗液稀釋嚴(yán)重，沖洗液性能維護困難，使沖洗液無法護壁和潤滑鉆具。造成孔壁坍塌、掉塊、形成超徑現(xiàn)象，鉆具回轉(zhuǎn)阻力大，鉆具易折斷。

(4)巖漿巖地層厚度為300～500 m，地層為閃長巖、閃長玢巖、矽卡巖等。該地層破碎嚴(yán)重，矽卡巖膠結(jié)松軟，遇水易坍塌，掉塊嚴(yán)重。超徑嚴(yán)重，易發(fā)生斷鉆桿事故。在鉆進(jìn)破碎地層和軟硬不均地層時，巖心易堵塞，造成不能取心，回次進(jìn)尺少，只有0.2～0.3 m，鉆進(jìn)效率低。由于地層破碎，巖心堵塞需要提大鉆。由于提鉆對不穩(wěn)定孔壁造成抽吸作用，使孔壁產(chǎn)生坍塌，形成每次提下鉆頭進(jìn)行掃孔，造成鉆頭壽命過短。在掃孔過程中易發(fā)生斷鉆桿和卡、埋鉆事故。

(5)卡鉆、埋鉆事故使下套管困難，不易到位。由于該礦區(qū)地層復(fù)雜，地層軟硬不均、破碎、坍塌掉塊嚴(yán)重，下套管因為掉塊的影響多次下不到位，中途遇阻。需進(jìn)行反復(fù)提下套管和用鉆具掃孔、透孔才能下入預(yù)定位置。

3 鉆進(jìn)設(shè)備及工藝

3.1 鉆進(jìn)設(shè)備

根據(jù)該礦區(qū)鉆孔的設(shè)計深度(均在1000 m左右)，選用的鉆機為XY-5型和XY-6B型，沖洗液泵為NBB-260/7型，鉆塔為SGZ-23型，1500 m繩索絞車及?95、75 mm繩索取心鉆具等設(shè)備和機具。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

本礦區(qū)的鉆孔設(shè)計深度在780～1108 m，上部地層較復(fù)雜，煤系地層有采空區(qū)。結(jié)合本礦區(qū)的具體地層，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

(1)采用?150 mm金剛石鉆頭開孔鉆進(jìn)至完整煤系砂巖后，下入?146 mm套管孔口管。

(2)換用?95 mm繩索取心PDC鉆頭鉆進(jìn)至采空區(qū)后，用?130 mm鉆頭擴孔，采用跟管鉆進(jìn)至完整的采空區(qū)下底板后，下入?127 mm套管，隔離采空區(qū)。

(3)若無遇到采空區(qū)，用?95 mm繩索取心鉆進(jìn)至奧灰完整地層后，采用?110 mm鉆頭擴孔，下入?108 mm套管。

(4)換用?95 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)穿過奧灰峰峰組見磁縣組后，下入?89 mm套管。因奧陶系峰峰組地層較復(fù)雜，角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r較多，該地層遇水易坍塌掉塊，造成超徑，發(fā)生斷鉆桿事故，所以?89 mm套管必須穿過峰峰組。

(5)換用?75 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

3.3 鉆探工藝

本礦區(qū)地質(zhì)要求全孔取心，平均巖心采取率不低于75%，礦心采取率不得低于85%，為達(dá)到地質(zhì)取心采取率要求，根據(jù)不同地層，采用不同的取心工藝。

3.3.1 彈子式單管鉆進(jìn)

上部覆蓋層地層較軟，用常規(guī)鉆進(jìn)工藝很難達(dá)到地質(zhì)巖心采取率要求。采用彈子式單管鉆進(jìn)，須用小泵量(50～60 L/min)鉆進(jìn)至巖心管長度的1/2～2/3時，停泵從主動鉆桿中投入彈子，待水泵憋水后，干鉆至巖心管打滿，形成自堵。干鉆時必須上下活動鉆具，防止燒鉆，感覺巖心卡牢即可提鉆。提鉆時，由于彈子密封巖心管接頭，使巖心管內(nèi)形成真空，巖心不易脫落，以確保巖心的采取率。

鉆進(jìn)時工藝參數(shù)為：鉆壓5～10 kN，轉(zhuǎn)速100～150 r/min，泵量開始50～60 L/min，最后停泵干鉆。

3.3.2 PDC繩索取心鉆進(jìn)

煤系地層、泥質(zhì)頁巖地層采用金剛石鉆進(jìn)效率低，而PDC鉆頭鉆進(jìn)是以剪切方式破碎巖石，鉆進(jìn)速度快，效率高。鉆進(jìn)時鉆壓小、轉(zhuǎn)速慢，可降低鉆具的磨損，提高鉆具的使用壽命。由于PDC鉆頭鉆進(jìn)不需要高轉(zhuǎn)速，鉆桿內(nèi)不易形成泥垢，便于內(nèi)管打撈。

?95 mm PDC繩索取心鉆進(jìn)的技術(shù)參數(shù)為：鉆壓6.4～16 kN，轉(zhuǎn)速150～200 r/min，泵量200～250 L/min，盡量采用大泵量鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)時的注意事項：

(1)鉆頭要排隊使用，先用外徑大的，后用外徑小的；

(2)鉆具下至孔底后，應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，適當(dāng)泵量鉆進(jìn)0.2～0.3 m后，再用正常鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)；

(3)鉆進(jìn)時，有異常的振動聲音或進(jìn)尺明顯過慢時，應(yīng)及時提鉆檢查；

(4)每個回次要測量提取上來的巖心的直徑，若巖心加粗，應(yīng)及時提鉆更換鉆頭。

3.3.3 跟管鉆進(jìn)

在煤系地層鉆進(jìn)至采空區(qū)時，由于原地層坍塌嚴(yán)重，加單根加不進(jìn)去，無法正常鉆進(jìn)，需擴孔下入相應(yīng)的套管進(jìn)行封堵。

跟管鉆進(jìn)是一種特殊鉆進(jìn)方法，即一邊鉆進(jìn)，一邊旋轉(zhuǎn)壓入套管。套管下頭連接舊鉆頭，鉆頭內(nèi)徑能通過下一級的鉆頭，巖心管加工成600 mm長度。隨著套管的不斷旋轉(zhuǎn)壓入加深，再加下一根巖心管，直至鉆進(jìn)至采空區(qū)的下底板完整地層，跟管鉆進(jìn)結(jié)束，固定好孔口管。

3.3.4 金剛石繩索取心鉆進(jìn)

在灰?guī)r、閃長巖地層中鉆進(jìn)，巖層硬度高，研磨性大，采用金剛石鉆進(jìn)效率高，可使鉆頭使用壽命長，減少提下鉆輔助時間，減輕勞動強度等。

鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)：以?95 mm孔徑為例，鉆壓12～18 kN，轉(zhuǎn)速350～700 r/min，泵量60～80 L/min。

隨著孔深的增加，適當(dāng)減小壓力，在破碎、軟硬不均和強蝕變地層鉆進(jìn)時，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速太快時，巖心易堵塞。泵量宜小，泵量過大易造成泵壓過高，在孔壁超徑孔段形成渦流沖刷孔壁，孔壁不穩(wěn)定，會造成孔壁坍塌、掉塊。

在一般的條件下，轉(zhuǎn)速越快，鉆速也越高，成正比。由于鉆機性能、鉆桿質(zhì)量、孔內(nèi)阻力和鉆孔軌跡等因素影響，隨著孔深的增加，鉆具回轉(zhuǎn)阻力增大，轉(zhuǎn)速應(yīng)逐步下降，以確保孔內(nèi)安全生產(chǎn)。

鉆進(jìn)時注意事項：

(1)擴孔器、鉆頭要排隊使用，鉆頭先用外徑大，內(nèi)徑小的鉆頭，鉆具的上擴孔器不小于下擴孔器；

(2)內(nèi)管總成的單動部分、彈卡部分應(yīng)靈活；

(3)投入內(nèi)管到位后，方可掃孔鉆進(jìn)；

(4)鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)巖心堵塞或進(jìn)尺緩慢時，應(yīng)及時撈取內(nèi)管，防止巖心堵塞嚴(yán)重，造成提拉不動內(nèi)管而提大鉆；

(5)鉆進(jìn)時發(fā)現(xiàn)鉆桿折斷，禁止下入打撈器撈取內(nèi)管；

(6)根據(jù)地層軟硬，及時調(diào)整鉆頭胎體硬度，以提高鉆速；

(7)由硬地層鉆進(jìn)至軟地層時，一定要控制鉆進(jìn)壓力，控制進(jìn)尺速度，預(yù)防燒鉆事故發(fā)生，發(fā)現(xiàn)有燒鉆具預(yù)兆時，一定要回轉(zhuǎn)將鉆具提離孔底。

3.4 沖洗液

3.4.1 礦區(qū)地層對沖洗液性能要求

3.4.1.1 適當(dāng)?shù)拿芏?/p>

當(dāng)?shù)貙颖汇@開以后，地應(yīng)力被釋放，孔內(nèi)沖洗液作用于孔壁的壓力取代了所鉆巖層原來對孔壁巖石的支持，破壞了地層和原有的應(yīng)力平衡，引起孔壁周圍應(yīng)力的重新分布，為確保地層相對穩(wěn)定，需采用適量提高沖洗液的密度從而使孔內(nèi)沖洗液柱壓力與地層壓力相對平衡，以防止圍巖作用擠垮孔壁，造成坍塌掉塊。

3.4.1.2 較低的失水量

鉆進(jìn)第四系和煤系地層時，地層松散，沖洗液濾液滲透水敏地層后就會破壞原有的地層顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)，使地層水化膨脹、縮徑和分散，機械強度降低，造成坍塌。因此加入具有抑制泥頁巖效果的聚合物，如磺化瀝青和腐植酸鉀，有利于減弱泥頁巖的水化滲透，從而起到抑制和降失水的效果。

3.4.1.3 有較好的護壁防塌性能和攜砂、混砂作用

選用聚合物低固相沖洗液體系，該沖洗液體系穩(wěn)定井壁能力強。選擇抑制能力強的聚合物可抑制井壁巖粉和粘土的吸水膨脹和分散。合理的粘度、較高的動切力和較低的塑料粘度，具有攜砂排砂能力強，流變性能好，潤滑性好等特點。

3.4.2 沖洗液配制

(1)在第四系和煤系地層中采用沖洗液中加入KHm，提高沖洗液的抑制性能，盡可能降低沖洗液的濾水量，避免大量水進(jìn)入地層，利用高分子聚合物的吸附，對孔壁上的毛細(xì)管通道具有封堵作用，從而抑制地層遇水縮徑現(xiàn)象。

(2)在灰?guī)r和變質(zhì)巖地層中，斷層破碎帶軟硬不均，采用高分子聚合物無固相漿液作沖洗液，其沖洗液的配比為：1 m3水+0.1%～2%KHm+0.5%～1%PAC-141+0.5%～1%PHP。其沖洗液性能為：密度1.01 g/cm3，漏斗粘度35 s，失水量5 mL/30 min，pH值8.5。

該沖洗液具有較好的攜帶巖屑能力、護壁和潤滑作用，使鉆進(jìn)效率明顯提高，鉆進(jìn)成本降低，減少了孔內(nèi)事故。

在礦區(qū)的鉆探施工中，根據(jù)不同的地層，采用不同的沖洗液，及時調(diào)整沖洗液性能，確保鉆進(jìn)過程中孔壁的穩(wěn)定性，減少孔內(nèi)事故，從而提高了鉆探經(jīng)濟效益。

3.4.3 沖洗液的現(xiàn)場維護

(1)切實做好沖洗液性能的測試：沖洗液的使用和維護不好將會造成孔內(nèi)重大事故。定時、定人對返漿性能進(jìn)行認(rèn)真測試，并及時進(jìn)行維護處理。

(2)及時調(diào)整沖洗液性能和新液的補充：如發(fā)現(xiàn)地層和沖洗液發(fā)生變化，應(yīng)根據(jù)地層情況及時調(diào)整漿泥或配置新漿液替換、補充，以滿足鉆進(jìn)施工需要，但不能隨加入清水進(jìn)行稀釋沖洗液。

(3)隨時預(yù)防掉塊地層對漿液的侵蝕。

(4)防止自然條件和人為原因?qū)_洗液的侵害。

(5)認(rèn)真及時清除沖洗液中的巖屑。

4 施工技術(shù)管理

(1)機臺嚴(yán)格按照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)規(guī)定和鉆探施工設(shè)計精心組織施工。

(2)場地平整、堅固。設(shè)備安裝牢固、周正，設(shè)備安全防護設(shè)施齊全有效。

(3)鉆機立軸中心、天車、主動鉆桿在一條直線；確保鉆孔的垂直度，預(yù)防孔斜。

(4)機臺嚴(yán)格執(zhí)行班前會、班后會，交接班制度，分工明確，落實崗位責(zé)任制。

(5)定期召開技術(shù)交流會。結(jié)合施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、交流，研究分析出現(xiàn)的問題原因，制定出技術(shù)方案和技術(shù)措施。

(6)做好事故預(yù)防和排除孔內(nèi)事故隱患等安全工作外，做到安全、高效、文明生產(chǎn)。

5 施工效果

在鉆探施工過程中，根據(jù)不同的地層，采用不同的鉆進(jìn)方法。采取的措施得當(dāng)，鉆進(jìn)效率有了明顯的提高，采取多種鉆探工藝與單一鉆探工藝的效率對比如表1所示。

表1 鉆進(jìn)效率對比表

6 結(jié)語

白澗鐵礦區(qū)地層復(fù)雜，斷層發(fā)育，巖石破碎，地層軟硬不均，溶蝕、溶洞發(fā)育嚴(yán)重，煤系地層有采空區(qū)，鉆探施工難度相當(dāng)大。根據(jù)不同地層采用不同的鉆進(jìn)工藝技術(shù)，極大地提高了鉆進(jìn)效率、提高了鉆孔質(zhì)量，實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)、高效、安全、文明生產(chǎn)，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益，為我隊積累了更加豐富的鉆探施工經(jīng)驗。

[1] 張彥海,李光宏,白明.河北省沙河市白澗鐵礦詳查報告[R].河北邢臺：河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊，2010:13-15.

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ApplicationPracticeofSeveralDrillingTechnologiesinBaijianIronOreArea

LIGuang-hong,LIHong-mei

(No.11 Geological Brigade, Hebei Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Xingtai Hebei 054000, China)

The various complex formations with folds and faults development made the drilling construction very difficult in Baijian mining area, several drilling technologies are adopted, including ball-down single pipe drilling, PDC wire-line core drilling, drilling with casing and diamond wire-line core drilling. According to the different formation conditions, different slurry preparation schemes are adopted and flexibly used in the construction process with good construction effects and experience.

complex formations; flushing fluid; diamond wire-line core drilling; PDC wire-line core drilling; drilling with casing; Baijian iron ore area

2017-08-07

李光宏，男，漢族，1969年生，副隊長，高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)管理工作，河北省邢臺市鋼鐵北路416號，670341272@qq.com。

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1672-7428(2017)09-0049-04