銅礦復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)分析
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摘要：介紹了青海省格爾木小南川銅礦復(fù)雜地層鉆探施工過程中，通過積極探索和優(yōu)化鉆探施工工藝，合理選擇繩索取芯鉆具，采取積極有效鉆探技術(shù)措施，配制優(yōu)質(zhì)泥漿，克服鉆孔漏失、坍塌、掉塊等難題，順利完成鉆探任務(wù)。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜地層；鉆孔結(jié)構(gòu)；鉆進(jìn)措施
1勘查區(qū)概況
1.1基本情況
位于青海省格爾木市納赤臺以南小南川地區(qū)，行政區(qū)劃屬青海省格爾木市管轄。區(qū)內(nèi)位于近東西走向的東昆侖山系布爾汗布達(dá)山中西端，山勢雄偉、突兀峻拔，植被不發(fā)育，海拔高度一般在3880~5300m，地勢北高南低，地形起伏大、山勢陡峻切割劇烈，屬中—深切割高山區(qū)；區(qū)內(nèi)屬于無人區(qū)。
1.2地層
勘查區(qū)地層分區(qū)屬東昆侖山南坡分區(qū)，出露地層比較單一，主要為奧陶—志留系納赤臺群上部哈拉巴依溝組。地層主要為一套變質(zhì)的基性、超基性火山巖，鈣質(zhì)板巖、鈣質(zhì)千枚巖、鈣質(zhì)長英質(zhì)千糜巖，主要賦礦層位主要為綠泥絹云石英片巖、構(gòu)造片巖等。上部第四系以沖積、殘坡積堆積礫石為主，局部見有冰積堆積物。
1.3構(gòu)造
勘查區(qū)處于昆南斷裂以北約5km，全區(qū)以韌性剪切構(gòu)造為主，即地層存在逆沖走滑斷層。巖石長期受到南北向構(gòu)造擠壓作用而變形，構(gòu)造形跡極為復(fù)雜，形成不同規(guī)模近東西向展布的韌脆性構(gòu)造帶。構(gòu)造帶內(nèi)褶皺構(gòu)造、斷裂構(gòu)造發(fā)育，特別是近東西向的構(gòu)造片理化帶、糜棱巖帶極其發(fā)育，形成密集片理構(gòu)造片巖及糜棱巖類巖石。
2鉆探工作難點(diǎn)
（1）勘查區(qū)強(qiáng)風(fēng)化地層破碎，鉆進(jìn)時(shí)泥漿漏失嚴(yán)重，鉆孔易坍塌，成孔和取芯較為困難。（2）整個(gè)礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地層傾角大，巖石破碎，孔內(nèi)漏失、掉塊、坍塌較嚴(yán)重，鉆進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)卡鉆、斷鉆桿等狀況，孔內(nèi)事故多。（3）礦區(qū)交通不便，海拔高，山高坡陡，道路艱險(xiǎn)，搬遷頻繁，運(yùn)輸困難，影響了鉆探工作正常進(jìn)行。針對以上困難，我們在鉆探施工工藝上進(jìn)行了積極探索和有效改進(jìn)，從鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)、護(hù)壁堵漏、泥漿配比等方面著手，較好地解決了施工過程中遇到的難題。
3鉆探方法
鉆探設(shè)備：該工區(qū)鉆孔孔深一般在300m左右，為80°斜孔。鉆探設(shè)備主要選擇XY-4型鉆機(jī)，動(dòng)力機(jī)為4105柴油機(jī)，BW-250型泥漿泵，9mA字鉆塔。鉆探機(jī)具選擇：根據(jù)終孔口徑要求和該地區(qū)上部復(fù)雜地層情況，上部使用普通鉆進(jìn)方法，選用⌀50mm鉆桿，采用⌀110mm鉆頭，下入⌀108mm套管。下部較完整地層采用NQ系列繩索取芯系列鉆具鉆至終孔，鉆具選擇為⌀75mm孕鑲金剛石鉆頭，⌀73mm繩索取芯鉆桿。
4鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)
4.1鉆孔結(jié)構(gòu)
該礦區(qū)地層覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，上部巖層風(fēng)化、破碎比較嚴(yán)重，鉆孔坍塌漏失嚴(yán)重，采用⌀110mm鉆至弱風(fēng)化基巖后下入⌀108mm套管。下部采用NQ系列繩索取芯系列鉆具鉆至終孔。
4.2鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)
上部覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖層采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)，由于卵石、風(fēng)化層分布不均，鉆具跳動(dòng)大，需采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、較大泵量鉆進(jìn)。一般選用：鉆壓5~7kN；轉(zhuǎn)速150~300r/min；泵量60~90L/min。下部較完整地層采用NQ系列繩索取芯鉆進(jìn)。鉆壓10~12kN；轉(zhuǎn)速400~700r/min；泵量40~70L/min。選擇鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)是應(yīng)注意[1]：（1）孕鑲雙管鉆頭按單位底面積壓力為40~80kg/cm2計(jì)算，在鉆孔彎曲、超徑的情況下或鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性、破碎巖層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)量鉆壓，鉆壓選擇按不同地層靈活掌握，不要超過最大鉆壓，鉆具跳動(dòng)時(shí)降低鉆壓。（2）根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性、完整程度選擇轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際情況靈活掌握，一般鉆頭磨料顆粒越細(xì)，轉(zhuǎn)速越高，在遇到礫巖地層、鉆孔彎曲、超徑的情況下或鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性、破碎巖層時(shí)，鉆孔彎曲、超徑、鉆具振動(dòng)大的情況下，轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)降低；在使用高轉(zhuǎn)速的情況下，應(yīng)注意泥漿固相含量和分散性，防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。（3）根據(jù)巖石的可鉆性、完整程度、鉆進(jìn)速度和鉆頭直徑合理選擇泵量，泵量的確定應(yīng)以有效清除、攜帶巖粉和冷卻鉆頭為準(zhǔn)。較小的泵量和較高的泵壓是繩索取芯鉆進(jìn)的要求，在鉆進(jìn)中應(yīng)隨時(shí)觀察泵壓變化，根據(jù)泵壓的變化判斷孔內(nèi)情況。
5鉆進(jìn)措施
5.1強(qiáng)風(fēng)化層鉆進(jìn)
上部強(qiáng)風(fēng)化地層破碎，呈碎塊狀，鉆進(jìn)時(shí)鉆孔易坍塌，泥漿漏失嚴(yán)重，成孔困難。針對以上困難主要采用優(yōu)質(zhì)黃土粉泥漿護(hù)壁。采用⌀110mm鉆頭鉆至弱風(fēng)化地層（一般深度為30~40m），下入⌀108mm套管。必須保證⌀108mm套管下到弱風(fēng)化巖層。
5.2弱風(fēng)化巖層鉆進(jìn)
下部弱風(fēng)化巖層較破碎，巖芯呈塊狀、短柱狀，掉塊較多，遇到構(gòu)造帶有泥漿漏失現(xiàn)象。為提高鉆探效率，保證巖芯采取率，防止孔斜，采用NQ系列繩索取芯鉆具鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中也遇到一系列困難，由于巖層比較破碎，有掉塊現(xiàn)象，鉆具在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，跳動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)斷鉆桿事故比較多，雖然都能很快打撈上來，但影響了鉆進(jìn)效率。礦層與構(gòu)造帶伴生，遇到礦層一般漏失嚴(yán)重，而且很破碎，采芯較為困難，而礦層的采取率是本次鉆探施工的關(guān)鍵，不能出現(xiàn)閃失。面對上述一系列問題，在鉆探工藝上不斷地探索和改進(jìn)，取得了較為理想的效果。針對鉆具跳動(dòng)、斷鉆桿事故較多現(xiàn)象，選用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時(shí)間，減少孔內(nèi)掉塊[2]；經(jīng)常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)，降低鉆壓和轉(zhuǎn)速；檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗(yàn)不合格的鉆桿不準(zhǔn)下入孔內(nèi)；鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內(nèi)鉆桿跳動(dòng)現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
5.3預(yù)防事故措施
（1）選用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時(shí)間，減少孔內(nèi)掉塊。（2）經(jīng)常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。（3）選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)，降低鉆壓和轉(zhuǎn)速。（4）檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗(yàn)不合格的鉆桿不準(zhǔn)下入孔內(nèi)。（5）鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內(nèi)鉆桿跳動(dòng)現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
5.4保證礦、巖芯采取率措施
（1）鉆孔鉆至礦層后，減小鉆頭與卡簧座的間隙，同時(shí)減小泵量，避免泥漿沖刷巖芯。（2）檢查鉆頭、卡簧和鉆具，各機(jī)構(gòu)可靠配合。（3）降低鉆壓和轉(zhuǎn)速，鉆進(jìn)平穩(wěn)進(jìn)尺，鉆進(jìn)速度適當(dāng)控制，不能過快或過慢，礦芯采取特別難地層，控制回次進(jìn)尺，每回次控制在1.0~1.5m[2]。（4）采取礦芯后平穩(wěn)打撈，避免孔內(nèi)礦芯脫落；退芯時(shí)輕放、細(xì)心，取出的巖芯應(yīng)及時(shí)清洗干凈，并按要求進(jìn)行擺放。通過采取以上技術(shù)措施，嚴(yán)格采芯過程管理，礦層采取率基本都能保證80%以上，能達(dá)到地質(zhì)要求。
5.5消除鉆桿跳動(dòng)的措施
針對鉆具跳動(dòng)、斷鉆桿事故較多現(xiàn)象，選用優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，增加泥漿的潤滑性能，增加沖孔時(shí)間，減少孔內(nèi)掉塊[3]；經(jīng)常測試泥漿，使泥漿始終保持良好性能。選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)，降低鉆壓和轉(zhuǎn)速；檢查鉆桿，挑出彎曲或絲扣有問題的鉆桿，地面檢驗(yàn)不合格的鉆桿不準(zhǔn)下入孔內(nèi)；鉆桿絲扣涂抹絲扣油，防止鉆桿連接處泥漿漏失。采取上述一系列措施后，孔內(nèi)鉆桿跳動(dòng)現(xiàn)象大為改善，鉆探效率大幅度提高。
6護(hù)壁堵漏
6.1一般泥漿配方
采用NQ系列繩索取芯鉆進(jìn)，使用低固相廣譜護(hù)壁劑泥漿護(hù)壁，隨鉆堵漏劑和大裂隙堵漏劑配合使用堵漏。見表1。
6.2泥漿性能
該泥漿固相含量低，粘度較大，潤滑效果好，減小振動(dòng)，降低失水量，提高泥漿穩(wěn)定性、潤滑性和改善泥漿流變性。見表2。
6.3堵漏措施
采用該種低固相泥漿，能保持孔壁穩(wěn)定，有效地排出巖粉，降低孔內(nèi)鉆進(jìn)阻力。遇到輕微漏失地層，加入隨鉆堵漏劑；如果地層裂隙較大，采用大裂隙堵漏劑堵漏，待有泥漿返出孔口后加入隨鉆堵漏劑，一般堵漏效果較好。每次提鉆后必須向孔內(nèi)灌注泥漿，保持孔內(nèi)壓力平衡。稀釋泥漿時(shí)，不要一次到位，泥漿比重慢慢降低，避免由于孔內(nèi)壓力變化過大而造成塌孔。
6.4泥漿維護(hù)
現(xiàn)場配備一臺泥漿攪拌罐和三個(gè)藥劑桶，將待加入的處理劑預(yù)先在藥劑桶內(nèi)水化、溶解后倒入攪拌罐攪拌，根據(jù)鉆進(jìn)中處理劑消耗情況，攪拌罐內(nèi)攪拌好的處理劑溶液有控制地加入到循環(huán)槽或泥漿池內(nèi)[4]。經(jīng)常測試泥漿性能，隨時(shí)掌握泥漿性能變化，及時(shí)進(jìn)行性能調(diào)節(jié)，并做好配制、凈化處理、撈砂工作。根據(jù)地層變化及時(shí)調(diào)整泥漿性能，加強(qiáng)凈化并適時(shí)補(bǔ)充處理劑來恢復(fù)其性能。調(diào)配好的泥漿，不得隨便加入清水。現(xiàn)場泥漿循環(huán)系統(tǒng)盡可能加長，泥漿槽設(shè)置2~3個(gè)沉淀池，及時(shí)清理撈砂，保持泥漿性能。
7總結(jié)
小南川銅礦復(fù)雜地層鉆探施工，勘查區(qū)交通條件差，氣候寒冷，地層較為破碎，鉆探施工困難。合理選擇繩索取芯鉆具，配制優(yōu)質(zhì)泥漿，采取積極有效措施，能夠在特別復(fù)雜地層完成鉆探施工任務(wù)。機(jī)組積極探索和優(yōu)化鉆探工藝，施工3個(gè)鉆孔，鉆孔質(zhì)量合格，順利完成鉆探任務(wù)，得到了業(yè)主方的肯定和好評。
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作者：張金平 汪傳武 趙建宇 單位：西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院有限公司