江西省浮梁縣朱溪礦區(qū)深孔鉆探施工技術研究

黃忠高,李志強,楊啟文

江西省浮梁縣朱溪礦區(qū)深孔鉆探施工技術研究

黃忠高1,李志強1,楊啟文2

(1.江西省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊,江西鷹潭 335000;2.山東萊蕪鴻豐探礦工程有限公司,山東萊蕪 271100)

詳細介紹了朱溪礦區(qū) 3個深孔鉆遇地層、鉆探設備、鉆孔結構、鉆頭使用、起大鉆、沖洗液使用、護孔堵漏、套管使用等具體情況。重點分析和總結了鉆孔結構、鉆頭使用、沖洗液使用、護孔堵漏等鉆探工藝技術,并提出今后深孔施工需慎重配套鉆探設備、增大鉆頭外徑、提高鉆探效率、重視深孔孔斜尤其是方位超差和灰?guī)r溶洞問題等建議。

深孔鉆探;繩索取心;金剛石鉆頭;工藝技術;朱溪礦區(qū)

1 礦區(qū)地質簡介

江西省浮梁縣朱溪銅多金屬礦預查,是江西省地質勘查基金管理中心項目。2010年工作任務是:以朱溪銅礦深部及外圍為重點,進行鉆探工程揭露,了解礦體沿深部延伸情況,進一步圈連礦體。2010年設計鉆孔 4個,設計鉆探工作量 3000 m。實際施工并完成鉆孔 3個,完成鉆探工作量 3176.20 m,開孔傾角分別為 80°、87°、75°,臺月效率分別達 790、720和 826 m。

礦區(qū)位于江西省東北部景德鎮(zhèn)—樂平之間,欽杭接合帶江西萍樂凹陷帶之北緣、江南造山帶東南部、贛東北深大斷裂北西側、宜豐—景德鎮(zhèn)深斷裂帶南側,塔前—賦春推覆構造帶從礦區(qū)中部呈北東向通過。區(qū)內經(jīng)歷了多期次多階段的構造運動,中元古代褶皺造山作用強烈,加里東期褶皺疊加和韌性變形,印之—燕山期構造活動強烈而廣泛,推覆構造發(fā)育,伴隨中酸性巖漿的侵入,構造十分復雜。

礦區(qū)出露地層有:

①第四系,由淺黃色亞粘土層、砂、砂礫石組成;

②上三疊統(tǒng)安源群,為灰、灰黑色粉砂質頁巖、粉砂巖、中細粉砂巖,局部見燧石礫巖或炭質頁巖及煤層;

③上二疊統(tǒng)長興組,上部為灰、灰白色灰?guī)r夾白云質灰?guī)r,下部為灰、深灰色硅質巖、燧石灰?guī)r;

④上二疊統(tǒng)樂平組(原稱龍?zhí)督M),灰白色中細粒長石石英砂巖、粉砂巖、含炭頁巖;

⑤下二疊統(tǒng)茅口組,上部為灰色薄層狀硅質巖,中部為灰、灰黑色薄層至中厚層狀灰?guī)r,下部為灰黑色薄層狀硅質巖;

⑥下二疊統(tǒng)棲霞組,上段為深灰色厚層狀含燧石灰?guī)r,中段為灰、灰綠色中厚層狀含炭質灰?guī)r,下段為灰、灰白色石英砂巖;

⑦上石炭統(tǒng)船山組,灰、灰白色灰?guī)r,上部泥質增多;

⑧上石炭統(tǒng)黃龍組,為灰白、肉紅色厚～巨厚層狀中、細粒白云巖,底部局部有 1 m厚粘土巖及 0.5～0.8 m厚石英細礫巖,為主要含礦層;

⑨中元古界雙橋山群,構成本區(qū)褶皺基底,主要巖性為灰、灰綠色絹云千枚巖、砂質千枚巖、變質砂巖、絹云板巖夾變余沉凝灰?guī)r。

總之,本區(qū)巖石主要為灰?guī)r、厚～巨厚層狀中細粒白云巖。灰?guī)r、白云巖可鉆性中等,但巖石裂隙發(fā)育,局部破碎比較嚴重,常見風化段,遇水分解、松散剝落,鉆孔掉塊、垮渣、漏水。

鉆孔施工質量要求主要有:巖心采取率≥65%,礦心采取率≥80%;每 50 m鉆孔測斜 1次,且要求頂角偏差≯3°/100 m,方位角偏差不超過勘探網(wǎng) 1/ 3～1/4;600 m以淺鉆孔口徑≮75 mm,600 m以深鉆孔口徑≮56 mm。

2 鉆探施工難點

(1)鉆孔淺部漏水 (但未遇溶洞)。如 ZK2808孔孔深 70 m漏失不返,ZK5404孔在下 262.10 m“89 mm套管前,全孔漏失。

(2)灰?guī)r、白云巖局部破碎,裂隙發(fā)育,蝕變明顯。如 ZK4207孔孔深 530～570 m巖石松散、怕水、垮塌,孔內沉渣近 60 m;ZK2808孔孔深 360 m見2 m厚斷層泥。

(3)鉆孔方位角偏差不超過勘探網(wǎng) 1/3～1/4,這是非常高的要求。

(4)大頂角斜孔施工。ZK5404開孔傾角 75°, ZK4207開孔傾角 80°。

(5)鉆孔深度較大。ZK5404孔終孔深度將近900 m,ZK4207孔終孔深度達1085.20 m,ZK2808孔終孔深度更大,為 1207.80 m。

(6)地質設計孔深加深嚴重。ZK4207孔終孔深度較設計孔深增加了 135 m,ZK5404孔也增加了83 m,ZK2808孔更是增加了 457.80 m,增加了 61%的鉆探工作量。

3 鉆探工藝技術

3.1 鉆探設備

選用的鉆探設備情況見表 1。

表1 鉆探設備選用情況

3.2 鉆孔結構

合理設計鉆孔結構,用表層套管、技術套管封隔膠結松散、垮塌、漏失地層,以減少鉆孔上部復雜地層對下部施工的影響 (鉆孔下部采用性能優(yōu)越的磺化瀝青無固相沖洗液,具有很好的護孔堵漏效果),這是順利鉆進的關鍵,也是提高鉆探效率、降低鉆探成本的關鍵。

朱溪礦區(qū)采用的鉆孔結構是 (見表 2):“110 mm口徑開孔,鉆穿第四系表土層后,下 “108 mm套管,改 S95繩索取心鉆進,至 250 m左右,地層完整下 “89 mm套管 (鉆桿作套管),再改 S75A繩索取心裸孔鉆進至終孔。事實證明,這種鉆孔結構,簡單且完全適用朱溪礦區(qū) 1000 m左右深度的鉆孔施工(灰?guī)r地層未遇溶洞的情況)。

表2 鉆孔結構

3.3 鉆頭選用

深孔鉆探施工,一定要采用機械鉆速高、壽命長的金剛石鉆頭,盡可能延長鉆頭在孔底的工作時間,最大限度減少起下鉆次數(shù)。不要因為鉆頭價格原因而放棄對鉆頭質量的要求,因為金剛石鉆頭費用在深孔鉆探施工總費用中所占比例很小,而提高機械鉆速和鉆頭壽命會帶來明顯的經(jīng)濟效益。而且,深孔鉆探使用繩索取心鉆進工藝,由于鉆桿外徑與孔壁環(huán)狀間隙較小,沖洗液在孔底循環(huán)時壓力損失較大,隨著鉆孔的不斷加深,泵壓會急劇增高,影響正常作業(yè)。根據(jù)孔深、巖石松軟破碎程度、是否使用泥漿等具體情況,應適當加大鉆頭外徑尺寸,可控制在1～3 mm之間。

我們主要采用廣東佛山市南海希而超硬材料工具有限公司生產(chǎn)的希而金剛石鉆頭,直徑 95/63.7 mm、壁厚 15.5 mm、胎體高 10 mm,和直徑 7615/ 4814 mm、壁厚14 mm、胎體高10 mm,取得了令人滿意的效果,創(chuàng)造了 “75 mm口徑金剛石鉆頭壽命達510 m和開孔傾角 75°、終孔深度近 900 m、全孔平均金剛石鉆頭每米費用約 2元等一系列新紀錄。事實證明 (見表 3和表 4),希而鉆頭確實具有鉆進時效高、鉆頭壽命長、導向性和保徑性好、廣譜性佳的特點。

表3 金剛石鉆頭使用情況

3.4 沖洗液選用

針對朱溪礦區(qū)地層特點,選用聚丙烯酰胺無固相沖洗液和磺化瀝青無固相沖洗液,既符合繩索取心鉆進開高轉速要求的“三低一好”(低粘度、低密度、低切力、潤滑性好),又能滿足復雜地層護壁要求的需要,取得了很好的效果。

3.4.1 聚丙烯酰胺無固相沖洗液

聚丙烯酰胺是一種線狀非離子型高分子聚合物,可用于絮凝、聚沉、清除鉆進沖洗液中過多的固體顆粒,使膠體粒子凝聚為不同程度的粗分散或非分散狀態(tài),同時還能防止或減輕水敏地層的水化不穩(wěn)定,抑制地層自然造漿。

在朱溪礦區(qū) ZK4207和 ZK2808兩鉆孔淺部下“89 mm套管前(ZK5404孔漏水不返),在清水中加入 0.5%～1.5%的聚丙烯酰胺,通過泥漿攪拌機攪拌配制成聚丙烯酰胺無固相沖洗液,使用效果為:孔內比較干凈,排渣情況良好。

3.4.2 磺化瀝青無固相沖洗液

磺化瀝青無固相沖洗液由江西萍鄉(xiāng)市博新實業(yè)有限公司生產(chǎn)的低瑩光特效防塌護壁降失水劑、磺化瀝青、聚丙烯酸鉀(KPAM)、防塌潤滑劑 FK等 4種泥漿處理劑加水配制而成。低瑩光特效防塌護壁降失水劑對膠結松散地層有較強的抑制泥頁巖水化膨脹和穩(wěn)壁功效,可防止坍塌,是目前市場上較理想的防塌護壁產(chǎn)品,同時有潤滑和降濾失作用;磺化瀝青是鉆井液處理劑中很強的一種頁巖抑制劑,能阻止頁巖水化膨脹和分散,封堵裂縫,防止孔壁剝落性坍塌,并有較好的潤滑能力和降濾失能力;聚丙烯酸鉀(KPAM)是由烯酰類單體聚合而成的含 K離子的高分子聚合物,主要用于聚合物不分散低固相水基鉆井液的絮凝劑,具有抑制頁巖水化分散、改善流變參數(shù)、提高剪切稀釋能力、降低濾失量和抗鹽、抗鈣、抗溫能力;防塌潤滑劑 FK為瀝青類頁巖抑制劑,能抑制泥頁巖水化膨脹和分散,封堵裂縫,防止剝落性坍塌,且能達到理想的潤滑效果和濾失量。

在朱溪礦區(qū) 3個鉆孔下部 “75 mm口徑鉆進中,都是使用磺化瀝青無固相沖洗液,各處理劑的加量均為 0.5%～1%,取得了很好的效果:孔壁穩(wěn)定,孔內干凈。尤其是在 ZK4207孔孔深 608 m處孔內垮渣近 60 m的情況下,2個希而鉆頭基本都是掃孔報廢而使用磺化瀝青沖洗液 (先是添加了粘土粉,掃孔到底后一直使用磺化瀝青無固相沖洗液),12 h后孔內恢復正常,而且直至終孔,孔內都很干凈、穩(wěn)定和安全。

表4 起大鉆情況統(tǒng)計(除校正鉆孔深度外)

鉆探實踐驗證了磺化瀝青無固相沖洗液在朱溪礦區(qū)使用中取得很好的效果。沖洗液使用情況見表5。

表5 沖洗液使用情況

3.5 護孔堵漏措施

護孔堵漏是深孔巖心鉆探最為重要的工藝技術之一(其實淺孔鉆探也不例外)。護孔堵漏的成功與否,很大程度上決定了鉆孔施工效率的高低、施工成本的大小、施工質量的好壞,甚至決定了鉆孔施工成功與否。在朱溪礦區(qū)施工,主要采用了套管護孔堵漏、堵漏劑堵漏、泥漿 (無固相)護孔堵漏和清水頂漏鉆進這幾種護孔堵漏措施(見表 6)。

表6 護孔堵漏情況

3.5.1 套管護孔堵漏

如前所述,采用 “108 mm表層套管和 250 m左右的 “89 mm技術套管,有效封隔了鉆孔淺部地層的松散膠結和垮塌漏失,為下部鉆孔施工創(chuàng)造了有利條件(見表 7)。

值得一提的是套管起拔問題。采用套管底部投粘土球、中部抹黃油、頂部管口外灌聚丙烯酰胺并塞封嚴密的技術措施,可大幅度減輕套管與孔壁之間的阻力,使長套管的起拔工作順利而輕松,值得推廣。

3.5.2 堵漏劑堵漏

ZK2808孔孔深 70 m處漏失不返。先把內管打撈上來,再將鉆頭提離在漏失孔段以上2 m左右,后采用粘土粉加水拌合 801堵漏劑,形成有一定流動性的粘稠狀物,并開泵從鉆桿內把堵漏材料送入漏失段,泵壓持續(xù)升高并孔口返水,即表明堵漏成功,則投入內管繼續(xù)鉆進。這種堵漏方法,適用局部裂隙漏失地段,簡單而實用,效果很好。

3.5.3 泥漿(無固相)護孔堵漏

深孔繩索取心鉆進普遍存在著不同程度的鉆孔漏失和垮塌,這是由于鉆孔地層系統(tǒng)壓力不平衡造成的,能且只能采用并依靠泥漿護孔堵漏措施,以確保鉆孔正常施工。

如前所述,在朱溪礦區(qū)3個鉆孔下部“75 mm口徑鉆進中,都是使用磺化瀝青無固相沖洗液,起到很好的護孔堵漏作用。

表7 套管使用情況統(tǒng)計

3.5.4 清水頂漏鉆進

ZK5404孔上部長孔段漏失不返,采用堵漏劑堵漏、水泥堵漏,未能根本解決問題,后改用清水頂漏鉆進,穿過長孔段漏失層后,及時下入 “89 mm技術套管,取得了成功,值得今后借鑒。

4 認識和建議

(1)以 “95 mm和 “75 mm兩級口徑的鉆孔結構(不計鉆進第四系表土層的 “110 mm口徑),選用性能優(yōu)良的金剛石鉆頭、優(yōu)質的聚丙烯酰胺和磺化瀝青無固相沖洗液,250 m左右的 “89 mm技術套管,配合XY-44A型鉆機和 SG13型鉆塔及BW250型水泵的繩索取心鉆進工藝方法,是完全適合朱溪礦區(qū) 1000 m左右的深孔巖心鉆探的。

(2)考慮到今后地質設計鉆孔更深,建議選用鉆進能力更大的不停車連續(xù)倒桿立軸鉆機。因為不停車連續(xù)倒桿立軸鉆機具有長行程不停車倒桿連續(xù)給進、無主動鉆桿、無須讓車和無須提出孔內鉆桿、機上加接鉆桿等全液壓動力頭鉆機功能,以及立軸鉆機的價格、高鉆進效率、低使用成本等一系列優(yōu)點。與此同時,最好并聯(lián)兩臺較小的柴油發(fā)電機組作動力,以節(jié)約能源,降低成本。總之,在深度更大的鉆孔施工中,包括鉆機、動力機、水泵、鉆塔和鉆桿等鉆探設備的選型配套工作,意義重大,務必慎之又慎。

(3)鑒于 “75 mm口徑的金剛石鉆頭外徑為“76.5 mm,在鉆進 1000 m深孔中,泵壓高達 5～6 MPa,建議稍為加大至 “77.0 mm。

(4)為進一步提高鉆探效率,應考慮采用長 4.5 m左右的繩索取心鉆桿,以增加回次長度。尤其是深孔鉆進,打撈內管 (巖心)時間很長,鉆桿即回次長度的增加 (當然還有其他因素影響回次長度增加),可明顯減少輔助時間,提高純鉆進時間,從而顯著提高鉆探效率。

為進一步提高鉆探效率,還應考慮推廣使用中國地質科學院勘探技術研究所研制開發(fā)的、集繩索取心與液動沖擊回轉鉆進為一體的 SYZX75型液動潛孔錘。該鉆具將繩索取心和液動沖擊回轉鉆進的優(yōu)勢相互結合,能防止巖心堵塞,提高小時效率,增加回次進尺,從而產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益。

(5)高度重視深孔孔斜尤其是方位超差這一帶有普遍性的施工難題 (對直孔深孔而言,這一問題更甚)。雖然繩索取心鉆進技術本身就具有不錯的防斜作用,斜孔開孔也有很好的定向導向作用,但還不夠。除了孔斜前應把好設備安裝關外,采用繩索取心液動潛孔錘鉆進,可收到明顯的保斜穩(wěn)斜效果(亦可明顯提高鉆進效率)。鉆孔超斜后,應推廣既能造斜又能繩索取心的繩索定向造斜及取心的先進的高新鉆探技術,以達糾斜目的。

(6)作為技術儲備,需研究制定灰?guī)r溶洞鉆進技術方案。

[1] 趙均文,等.承德黑山礦區(qū)鉆孔糾斜技術及防斜技術措施[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(5).

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Study on Deep HoleDrilling in ZhuxiM in ing Area of Jiangxi

HUANG Zhong2gao1,LI Zhi2qiang1,YANG Q i2wen2(1. 912 Brigade,Jiangxi Province Bureau of Geology andMineral Exploration and Development,Yingtan Jiangxi 335000,Chi2 na;2.Hongfeng Exploration Co.,Ltd.,La iwu Shandong 271100,China)

The paper introduced 3 deep holes construction in Zhuximining area about the drilling formation,drilling equip2 ment,borehole structure,bit application,drill string lifting,washing fluid application,wall protection&lost circulation control and casing situation.Analysis and summery emphasized the drilling technologies of borehole structure,bit applica2 tion and wallprotection&lost circulation control.Some suggestionswere made for deep hole construction on drilling equip2 mentmatching;outside bit diameter increasing;drilling efficiency improvement;hole deviation,especially az imuth out of tolerance and karst cave.

deep hole drilling;wire2line coring;diamond bit;technology;Zhuximining area

P634

A

1672-7428(2011)05-0023-05

2010-11-07;

2011-03-05

黃忠高(1968-),男(漢族),江西撫州人,江西省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊,探礦工程專業(yè),從事探礦工程生產(chǎn)與技術管理工作,江西省鷹潭市月湖區(qū)梅園大道 16號,hzg681022@126.com。