敦化大蒲柴河金礦區弱研磨性巖層的綜合鉆探技術

呂洪富，宋 健

(1.吉林省第五地質調查所，吉林九臺130500;2.遼寧環宇礦業咨詢有限公司，遼寧沈陽 110033)

敦化大蒲柴河金礦區弱研磨性巖層的綜合鉆探技術

呂洪富1，宋 健2

(1.吉林省第五地質調查所，吉林九臺130500;2.遼寧環宇礦業咨詢有限公司，遼寧沈陽 110033)

堅硬弱研磨性地層鉆進效率低一直是敦化大蒲柴河金礦區鉆探難題，通過投磨料、調整鉆頭技術參數等措施得到了一些改善，尤其是液動潛孔錘的成功應用，徹底解決了該礦區鉆進效率低下難題;此外，對復雜坍塌、漏失、涌水不穩定地層采用重晶石粉加水泥灌注的技術措施，解決了孔壁嚴重垮塌問題。

繩索取心;液動潛孔錘;胎體硬度;弱研磨性地層

1 工程概況

大蒲柴河金礦區坐落于吉林省敦化市大蒲柴河鎮附近的長白山麓，地形山高谷深，林木茂密。區內地層主要有太古宙花崗綠巖地體，下元古界新開河組，中元古界色洛河群，中生代侏羅系及白堊系，新生代第三系及第四系。主要巖性為:斜長角閃片巖、斜長角閃巖、石英巖、變質砂礫巖、角閃糜棱片巖、黑云糜棱片巖、長英質片麻巖等。在局部地段夾有鎂質大理巖透鏡體。整體上看，巖石硬度較大，且普遍研磨性較弱，可鉆性9級左右，局部石英含量高的夾層可鉆性可達10級以上。有的鉆孔漏失或涌水，給鉆探施工帶來一定難度。2011年施工完成鉆孔14個。其中200～650 m鉆孔11個，700～850 m鉆孔3個。累計完成鉆探工作量7376.24 m。

2 鉆探設備

鉆孔全部設計為直孔，深度在200～1000 m之間，根據孔深及地形情況，選擇 XY－5型鉆機，BW250型泥漿泵(鉆機和泥漿泵均以柴油機為動力)，SG－18管塔，集材－50拖拉機。開動鉆機2臺套，分別獨立作業。

3 鉆探工藝

正常情況下用HQ口徑(鉆頭外徑95.6 mm，擴孔器外徑96 mm)開孔，穿過上部覆蓋層及風化破碎層后(一般為30～50 m)，將HQ鉆桿(外徑88.9 mm，內徑77.8 mm，無接頭)下入孔內做套管，之后換NQ繩索取心鉆探工藝鉆至終孔(鉆頭外徑75.3 mm，鉆頭內徑47.6 mm，擴孔器外徑75.7 mm)。如果遇到特別嚴重的破碎坍塌層，則用HQ口徑鉆至下套管深度后，不提鉆，直接下一特制NQ鉆頭將孔內HQ鉆頭破壞掉，再換NQ口徑正常鉆進。

4 鉆探施工中遇到的主要問題

(1)礦區巖石普遍較硬、致密且顆粒較細，研磨性弱，金剛石鉆頭胎體消耗少，金剛石不易出露，鉆進效率低。

(2)部分鉆孔的部分孔段破碎嚴重，巖性無膠結，孔壁坍塌，伴隨漏失、涌水，護壁存在一定難度，影響了施工進度。

5 解決鉆進速度低下的幾點措施

5.1 孔底投磨料

通過對金剛石鉆頭破碎巖石的機理進行分析可知，要獲得高的鉆進速度，必須滿足2個條件，一是金剛石的抗壓強度要大于巖石的抗壓強度，這樣在施加鉆壓時不至于把金剛石壓裂或壓碎;二是胎體的消耗速度要略超前于金剛石的消耗速度，如此才能使金剛石及時連續地保持出露以便克取巖石。由于是新礦區，對巖性未作詳細了解，選擇的孕鑲金剛石鉆頭胎體硬度過大(HRC35～38)，巖石的研磨性又弱，致使胎體消耗速度極低，金剛石不能及時出露，故而導致鉆進效率低下。因此，為使金剛石能及時出露，在每次提內管取心后，通過繩索鉆桿向孔底投入一定量的碎石(先不投內管)，開動鉆機上下串動鉆具對鉆頭進行預磨損，之后投入內管正常鉆進，如果操作得當，預磨一次鉆頭可進尺1.5～2.0 m。對于胎體較硬的鉆頭，這是使金剛石及時出露的一種較有效的方法。但此法有一定的缺點，一是每次提完內管投碎石后必須接上主動鉆桿才能對鉆頭進行預磨，磨好后又得卸開主動鉆桿投入內管方能正常鉆進，操作繁瑣浪費時間;二是因操作水平不盡一致，投入石塊的硬度及粒度也有差異，有的由于操作不當使鉆頭過早磨損降低了鉆頭的使用壽命，還有的直接造成鉆頭損壞(如掰掉塊、胎體脫落等)。因此這是一種不得已而采取的方法。

5.2 調整鉆頭的技術參數

鑒于投磨料的方法有諸多缺陷，決定從調整鉆頭技術參數入手，解決鉆進效率低下問題。具體做法是:(1)將金剛石濃度由100%降至85%，其用意一是增加胎體與巖石和巖屑的接觸機率，加速其磨損;二是增加單粒金剛石與巖石的接觸比壓;(2)調整胎體硬度為HRC15～18，降低胎體的耐磨性;(3)采用高品級金剛石(鉆進時適當增大鉆壓，以防壓裂壓碎金剛石);(4)在胎體中摻入一定量的磨料，鉆頭工作時磨料能促使胎體加速磨耗。經過如此調整后鉆進效率得到較大幅度的提高，進尺效率由原來的0.9～1.2 m/h提高到1.9～2.3 m/h，效果明顯，鉆頭壽命一般80～100 m。

5.3 采用液動潛孔錘

5.3.1 液動潛孔錘選型

通過調整鉆頭技術參數使鉆進效率有了較大幅度的提高，但是否還能通過采用液動潛孔錘使鉆進效率進一步提升呢?根據相關文獻資料介紹，沖擊回轉鉆進方法適用于堅硬地層和破碎地層，在堅硬地層能提高鉆進效率，在破碎地層提高鉆進效率的同時，還能提高回次進尺長度和巖心采取率，減少巖心堵塞機率，此2種地層本礦區都存在，因此通過技術論證后，決定在1號機臺試用液動潛孔錘，2號機臺仍使用普通繩索取心鉆進方法，進行對比驗證。

選用中國地質科學院勘探技術研究所生產的SYZX75繩索取心液動潛孔錘，其特點是:(1)結構簡單，使用維修方便;(2)結構參數可調，能滿足多種鉆進要求:(3)工作泵量、泵壓較低，不需配備附加裝置。該鉆具的主要技術參數為:沖錘行程15～25 mm，自由行程5～8 mm，工作泵量60～90 L/ min，工作泵壓0.5～2.0 MPa，沖擊頻率25～40 Hz，沖擊功10～50 J，長度5210 mm，質量75 kg。

5.3.2 對比試驗成果

1號機臺使用液動潛孔錘的幾個鉆孔，鉆探效率明顯提高，且在破碎地層中回次進尺長度亦明顯增加，具體情況見表1和圖1。

5.3.3 液動潛孔錘使用中應注意的幾個問題

5.3.3.1 鉆頭的選用問題

表1 不同地層繩索取心液動錘和普通繩索取心鉆進效果對比

圖1 破碎地層取出的巖心

從繩索取心液動潛孔錘開始使用，我們就把工作重點放在了鉆頭的選配上，經過幾個鉆孔的觀察發現，對于顆粒細小致密、研磨性弱的堅硬巖石，金剛石顆粒大、濃度低的鉆頭鉆進效率要比金剛石顆粒小、濃度大的鉆頭鉆進效率要高，而二者壽命相差不大，鉆頭選用情況見表2。

表2 SYZX75繩索取心液動潛孔錘鉆頭選型

5.3.3.2 較高的鉆進效率與輔助時間增大的矛盾問題

從表2數據中可以看出，與使用普通繩索取心鉆進工藝相比，使用繩索取心液動潛孔錘之后，雖然鉆進效率顯著提高，但純鉆時間所占比例卻下降了，這主要由3方面原因:(1)由于是第一次使用繩索取心液動潛孔錘，操作人員還不夠熟悉，現場人員還沒能完全掌握一些技術要領，出現故障不能及時處理;(2)繩索取心液動潛孔錘的內管總成比普通繩索取心內管總成長，但是內管上面的單向閥出水口較小，造成即使使用水泵送內管，內管到位的時間也較長，隨著孔深加大，該現象更加明顯;(3)液動潛孔錘的彈卡機構是靠漲簧控制伸縮的，而漲簧本身沒有定位裝置，加上漲簧的加工質量差異較大，這就增加了故障發生率，彈卡板收不回來提拉不動內管，以致造成提大鉆。

6 解決護壁困難問題的措施

6.1 一般不穩定孔段的處理

液動潛孔錘工作時其沖錘不斷往復運動，頻率很高，因此，要求沖洗液具有低粘度、低密度、潤滑性、流變性好等性能。該礦區大部分鉆孔地層較完整，對沖洗液護壁性能要求不高，這時沖洗液以潤滑及攜粉能力為主，沖洗液配方采用:清水+PHP (30%水解度)+皂化油。但個別鉆孔因地層變化頻繁、巖石破碎，孔內壓力不平衡時，坍塌、掉塊等現象時有發生。為了維持孔內壓力平衡，需要適當提高沖洗液的密度，提高密度簡捷有效的方法是加入固體造漿材料，在保證液動潛孔錘能正常工作的情況下，盡量加大泥漿的固相含量。具體配方如下: LBM－1增效粉40 kg，PHP 0.2 kg(干粉加量)，KP共聚物6 kg，皂化油3 kg(以上均為1 m3的加量)。性能指標為:粘度21 s，密度1.04 g/cm3，失水量6～8 mL。不是特別嚴重復雜的孔段，此泥漿基本能維持孔內的壓力平衡，滿足液動潛孔錘的鉆進要求。

6.2 特別嚴重復雜孔段的處理措施

對于特別嚴重的坍塌、漏失、涌水孔段，單靠泥漿不能完全解決問題，下面以ZK708孔為例簡述治理的技術措施。

該孔鉆進至266 m發生漏水和涌水現象，鉆進時發生漏失，停泵卸開主動鉆桿后，即從繩索取心鉆桿往外返水，鉆進至276 m發生孔壁嚴重坍塌現象，經水泥+水玻璃等加重泥漿處理后仍不見效，用巖心管抓撈(巖心管前端制成鋸齒狀，下到孔底坍塌部位后不給水輕轉輕壓，到位后加大壓力將前部爪子壓彎收攏)上來的全部是無膠結、松散的巖石顆粒，顆粒直徑多為1～2 mm，幾次抓撈鉆具都下至同一孔深，據此判斷孔壁發生嚴重坍塌(邊抓取邊坍塌)。經研究決定用水泥灌注坍塌部位，灌至坍塌部位以上10～15 m。按計算好的體積灌完水泥漿后，卸開主動鉆桿準備提鉆時，孔內灌注的水泥漿從鉆桿內全部返出來，此情況表明孔內坍塌部位水路已經與外部承壓水路連通，外部水頭高度大于鉆孔水頭高度，將灌注的水泥漿壓出孔外。要想止住涌水現象，必須增大液柱壓力。最后在1 m3水泥漿(0.5水灰比，加減水劑以增加流動性)中加入300目重晶石粉100 kg，進行全孔灌注(以加大液柱壓力)，止住涌水獲得成功。待上部水泥稍有強度后即可透孔(為加快透孔速度，不必等待完全硬化)，透孔至坍塌部位以上15～20 m，停鉆等待水泥完全硬化后再繼續透至孔底。鉆頭穿過坍塌部位時不要立即換輕質泥漿，也不使用液動潛孔錘(以防振開已封閉的巖石裂隙通道)，待穿過該部位30 m后如無異常情況發生，再逐步換輕質泥漿恢復使用液動潛孔錘。

7 結語

對于堅硬弱研磨性及破碎地層，液動沖擊回轉鉆進是提高鉆進效率的有效技術手段。就本礦區而言，當鉆頭選擇合理時，鉆速可成倍提高，在破碎地層中回次進尺長度提高1～3倍，節約了施工成本，經濟效益十分顯著。本工程的實踐證明，液動沖擊回轉鉆進技術是很有發展前景的先進的鉆進方法，值得推廣應用。由于該技術對操作人員的技術水平有一定要求，開始使用時容易出現使用方法不當的情況，建議廠家加大宣傳和服務力度，可舉辦學習班或到現場實際指導應用，使這項先進適用的鉆探技術得到更廣泛的推廣應用。

［1］劉 廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京:地質出版社，1991.

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Comprehensive Drilling Technology for Weak Abrasiveness Formation of Dunhua Dapuchaihe Goldmine

LV Hongfu1，SONG Jian2(1.Jilin Fifth Geological Institute，Jiutai Jilin 130500，China;2.Liaoning Huanyu Mining Consulting Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110033，China)

The low drilling efficiency has been a drilling problem in compact and weak abrasive formation，which is partly improved by casting abrasives and adjusting the technical parameters of the bit and completely solved by the successful application of hydro-hammer.The serious wall collapsing is overcome by barite powder and cement grouting technologies in the complex collapse，leakage and instable water gushing formations.

wire-line coring;hydro-hammer;matrix hardness;weak abrasiveness

P634

A

1672－7428(2012)08－0026－03

2012－04－19;

2012－07－12

呂洪富(1977－)，男(漢族)，吉林長春人，吉林省第五地質地質調查所施工處處長、工程師，鉆探工程專業，從事鉆探工程施工管理工作，吉林省九臺市師范街51號，lvhongfu7732@163.com;宋健(1985－)，男(漢族)，吉林樺甸人，遼寧環宇礦業咨詢有限公司助理工程師，勘查技術與工程專業，從事鉆探工程技術管理工作，遼寧省沈陽市皇姑區北陵大街37號，DrillSong@163.com。