黑龍江嫩江縣銀多金屬礦45°斜孔鉆探施工技術

馬秀春

(黑龍江省第一地質勘查院，黑龍江 牡丹江 157000)

1 工程概況及地質地層

1.1 工程概況

2016年在嫩江縣二道坎村開展銀多金屬礦普查工作。普查區位于黑龍江省中北部小興安嶺北段，屬丘陵區。普查區屬寒溫帶大陸性季風氣候，冬季嚴寒，夏季溫熱，年平均氣溫0.5 ℃，最高氣溫40 ℃，最低氣溫-47 ℃。年平均降水量55～600 mm，年蒸發量869～1050 mm。6-8月為雨季。雨季雷電較頻繁，降雨約占全年降水總量的60%～70%。區內覆蓋較厚，植被發育，為森林沼澤地球化學景觀區。每年5-11月為最佳野外工作時間。區內河流屬嫩江水系，夏季地表徑流發育，冬季冰封斷流。礦區東部有泥鰍河支流，流向南，流入泥鰍河后匯入嫩江。

在普查區共施工45°斜孔8個，孔深最深為150 m，鉆孔平均終孔直徑≮75 mm。以地質鉆探鉆孔質量六大指標為指導進行施工，另外根據要求，平均礦心采取率≮85%。在鉆遇目的層異常礦化時以及終孔時，都需要進行測井。每鉆進50 m測定一次鉆孔傾斜度。鉆孔偏斜不得超出《地質巖心鉆探規程》(DZ/T 0227-2010)[1]規定的允許范圍，即頂角偏斜≯3°/100 m。

1.2 地質概況

礦區位于大興安嶺弧盆系扎蘭屯-多寶山島弧帶內，區內地質構造錯綜復雜，在大地構造發展和演化過程中活動性和階段性明顯。地層分布明顯受構造控制。工作區內巖漿活動頻繁，侵入巖主要以花崗巖類為主。侵入巖在時間上具有明顯多期多階段性。

礦區內出露地層主要有：頂志留統-中泥盆統泥鰍河組(S4D2n)，在地表僅見頂志留統-中泥盆統泥鰍河組一段(S4D2n1)，在鉆孔中見上志留統-中泥盆統泥鰍河組二段(S4D2n2)，即罕達氣火山巖(hυ)、下白堊統龍江組(K1l)、下白堊統光華組(K1gh)。第四系全新統(Qh)。出露的侵入巖以脈巖為主，主要巖性有：花崗細晶巖脈、花崗閃長斑巖脈、石英閃長巖脈、閃長巖脈、閃長玢巖脈、輝綠巖脈等，地層劃分見表1，火山巖和侵入巖面積不大。

表1 礦區地層劃分

2 鉆探施工難點

(1)礦區構造發育，鉆遇接觸帶時鉆孔漏失嚴重，有的孔甚至發生全孔漏失。鉆孔漏失導致孔壁失穩，鉆進過程中鉆機扭矩值異常偏大，無法正常施工。

(2)接觸帶極易坍塌掉塊。在45°斜孔施工時，孔內掉塊嚴重，引起下鉆不到底和卡鉆事故。

(3)鉆孔為傾角45°的斜孔，由于礦區巖層產狀陡，巖漿的侵入構造帶特別發育，巖層軟硬互層易引起鉆孔傾角和方位角變化造成孔斜。

3 鉆進工藝

3.1 鉆探設備

礦區鉆孔全部設計為斜孔，單孔施工周期短，施工地點搬遷頻繁，并且施工孔位都位于農田之中，因此，礦區內施工不適宜采用大型鉆機、鉆塔。為滿足設計孔傾角與孔深的要求，選用加拿大MP-1000型便攜式鉆機進行施工(如圖1所示)，主要性能參數見表2。該鉆機占地小，搬遷方便。頂置驅動可以實現不提動鉆具加鉆桿，能夠有效減小由于加接鉆桿對孔壁造成的擾動，減少孔內掉塊，有效控制鉆孔坍塌。在礦區采用薄壁繩索取心鉆桿(壁厚5 mm)施工，鉆頭與孔底接觸面積小，可有效抑制孔斜。

圖1 MP-1000型便攜式鉆機

3.2 施工工藝

3.2.1 鉆孔施工

該礦區施工的鉆孔結構簡單，鉆孔一開直徑為91 mm，穿過第四系殘坡積層后下入?89 mm套管，隨后換?75 mm鉆頭鉆進至終孔。施工時采用?75 mm繩索取心鉆具進行取心。

開孔鉆至完整地層后繼續鉆進，當擴孔器位置低于套管位置之后，停止鉆進，并卸開鉆桿，將鉆桿留在孔內。為防止鉆進時巖屑掉入鉆桿內，在鉆桿上部用木塞封堵。隨后使用鉆機連接套管，并將套管靴套在NTW鉆桿上擴孔鉆進，直至鉆進到預定的下套管位置，將套管及套管靴直接留在孔內做套管。之后再連接NTW鉆桿，正常鉆進成孔，設計孔深最深為150 m,鉆孔結構設計見圖2。

1.2.3 制作mRNA模型 剪下一長條軟磁貼做成1條mRNA鏈的基本骨架(代表磷酸和核糖)，軟磁貼做的堿基直接吸附在長條磁貼上，制作出多樣的mRNA。

表2 MP-1000型鉆機性能參數

圖2 鉆孔結構設計圖

3.2.2 鉆進用沖洗液

針對此次礦區施工難點，鉆進沖洗液需要具有良好的護壁、防漏的性能。該礦區鉆孔使用低固相聚丙烯酰胺沖洗液，具體配比為:1 m3清水+10%～15%鈉基膨潤土+0.2%氫氧化鈉+0.3%～0.6%聚丙烯酰胺+0.3%～0.6%的CMC。在現場根據攪拌容器的體積加入清水，再加入鈉基膨潤土進行攪拌，使膨潤土充分水化，隨后加入氫氧化鈉、聚丙烯酰胺以及CMC，充分攪拌30 min。聚丙烯酰胺主要用作絮凝劑，能夠有效改善鉆井液流變性能，并且具有防塌與降低摩阻的性能。CMC能夠降低濾失量，提高沖洗液粘度。低固相聚丙烯酰胺沖洗液具有良好的懸浮能力，造漿性能良好，能滿足礦區大多數鉆孔鉆進要求。

沖洗液性能指標：密度1.02～1.05 g/cm3,粘度26～30 s，失水量7～10 mL/30 min，pH值8.5～9。

個別鉆孔在開孔階段由于地層不穩，井內坍塌掉塊嚴重，致使卡夾鉆具無法正常施工。針對這種情況，MP-1000型鉆機采用跟管鉆進的方式將套管下放到指定位置隔阻不穩定層，保障鉆孔施工工作順利進行。

3.2.3 鉆探技術參數

為提高鉆進效率、降低成本、保證質量，需要根據具體施工情況，選擇合適的鉆進參數。在回轉鉆進中主要的鉆進參數包括：鉆壓、轉速、泵量等[2]。

該鉆機使用孔底壓力表、扭矩表、泵壓表顯示鉆進技術參數。操作人員要根據鉆進情況調整鉆進參數，保證鉆機高效鉆進。正常鉆進時壓力表、扭矩表、泵壓表在不同孔深時的數值范圍見表3。該鉆機操作時控制孔底壓力數值在7 MPa左右，扭矩≯1500 N·m ，孔壁不穩定段扭矩可達到2000 N·m，極限扭矩≯2500 N·m。當孔內扭矩長時間>1800 N·m時需要格外注意鉆機進尺情況，防止孔內事故發生。鉆進過程中需要沖洗液有效地排出巖粉并冷卻鉆頭。考慮施工過程中部分鉆孔存在坍塌掉塊現象，施工時泵量≯20 L/min。在實際施工時發現，由于接觸帶地層易失穩，泵量過大使鉆孔坍塌掉塊現象更為嚴重，從而影響進尺。

表3 鉆進技術參數

3.2.4 孔斜測量與校正

由于鉆孔彎曲，可能造成礦體打丟、打薄或打厚，將直接影響地質資料的準確性和礦床儲量的計算。所以鉆孔彎曲程度是評價鉆探工程質量的重要依據之一[2]。

4 遇到的問題及解決措施

4.1 鉆孔漏失

鉆進至地層接觸帶時鉆孔漏失嚴重。在漏失嚴重的地層采用江西萍鄉產的“堵漏王”堵漏劑對孔壁進行封堵。“堵漏王”是一種改性剛性水泥，能在有水的情況下迅速凝結，且膨脹性低于普通水泥，其中含有促凝劑硫酸鈉，能夠縮短凝結時間，提高早期強度。施工時取堵漏劑15 kg，再添加20 kg鈉基膨潤土，攪成低流動狀態，隨后從鉆桿口倒入孔內。開泵將堵漏劑送入漏失孔段進行封堵。此方法能夠基本滿足礦區內鉆孔堵漏要求[3-7]。

4.2 坍塌掉塊

在45°斜孔施工時，孔內掉塊現象尤為嚴重，引起下鉆不到底和卡鉆事故。為抑制孔內掉塊問題，采用了以下技術措施[8-10]：

(1)選用優質沖洗液，控制濾失量從而抑制掉塊。在礦區施工采用加入護壁劑低固相聚丙烯酰胺配制的沖洗液施工，鉆孔掉塊問題得到了解決。

(2)通過加大孕鑲金剛石鉆頭胎體硬度，增加金剛石工作層厚度來延長鉆頭使用壽命，提高鉆進時間，減少起下鉆次數，并在起下鉆時控制上提與下放鉆具的速度，減少由于機械擾動和孔內壓力“激動”引起的孔壁失穩情況發生。

(3)采取提鉆回灌沖洗液措施保持孔內液柱壓力，減少孔內掉塊。

4.3 鉆孔防斜

為避免鉆進過程中發生鉆孔偏斜，主要的防斜措施有[11-12]：

(1)鉆機穩固。為確保鉆機施工時機臺的穩定性，可以使用水泥底座固定鉆機，保證施工過程中鉆機不偏移。在秘魯Conymecar銅礦區采用全液壓動力頭鉆機進行45°斜孔施工，首先為確保機臺的穩定性，在鉆機下鋪設了20 cm厚的枕木，具有一定的減震作用，枕木下澆筑20 cm厚的水泥平臺，以防止因頻繁起下鉆使枕木陷入地層[13]。

本次在礦區使用的MP-1000型鉆機體積小、質量輕，機場占地面積小，無法使用配重穩固。常用的水泥打底座固定方式需要提前布設孔位，而實際施工時孔位較少，無法提前布設孔位，因此MP-1000型鉆機也不適合使用水泥底座固定。鉆機施壓鉆進時，不計鉆具浮力，鉆機受力分析如圖3所示。圖中，鉆機所受重力為G，地面作用于鉆機的支持力為G1。斜孔鉆進時，鉆孔傾角取α，鉆機施加的鉆壓為F，地層作用于鉆機的作用反力為F1。由于下放鉆具時鉆具與孔壁摩擦產生的摩擦力為F2。F3為地面作用于鉆機的摩擦力。根據受力分析可知，在x方向上，F3+Fcosα=F2cosα+F1cosα, 在y方向上,G+Fsinα=G1+F2sinα+F1sinα。由鉆機受力分析可知，在鉆進過程中，施加鉆壓、起下鉆具都會產生一個沿x軸方向的力。為防止孔斜，必須將鉆機穩固[14]。結合實際鉆進施工情況，在現場無合適的固定物體時，我們采用錨桿錨固方式穩固鉆機。在鉆機左右兩側以及后方各設一個錨固點，用鋼絲繩將錨固點與鉆機連接，保證鉆機穩固。在加壓鉆進時錨桿可有效防止鉆機頂起移位。

圖3 鉆機受力分析圖

用于固定鉆機的錨桿施工分為兩步：一是鉆進錨桿孔；二是將錨桿與地下巖石燒結在一起。鉆進錨桿孔時采用?60 mm鉆頭鉆進，錨固孔方位與鉆孔方位一致，傾角要大于45°，一般以75°為宜。錨桿孔施工時要注意不能影響正常斜孔施工。錨桿孔深度一般只需幾米，以鉆遇到硬巖時能夠通過干燒將錨桿熔化固結到地層上為準。錨桿的燒結部分用廢舊鋼管加工而成，便于根據錨桿孔深度任意調配長度，一般不短于500 mm。其底部加工成漸薄的喇叭口形，易于錨桿干燒固結。錨桿孔施工完成后，提出鉆柱，隨后用鉆桿把錨桿送入孔底。鉆機開高轉速同時加大壓力，扭矩迅速上升，鉆具柱下降。當扭矩突然上升超過2000 N·m 時，鉆機停止轉動，等待幾分鐘使錨桿固結。隨后可使用鉆機強力起拔錨桿以測試錨固結果。

(2)開孔鉆進要小壓力，控制進尺保證開孔質量。開孔時輕壓慢轉，防止擾動土坍塌和防止鉆孔傾角變化[15]。

(3)因為是大斜度施工，特別是在復雜地層、強研磨性地層和堅硬地層中施工，繩索取心鉆桿和鉆具偏磨較嚴重，造成其使用壽命降低。在鉆進時，要注意合理控制鉆壓，防止鉆桿彎曲導致鉆具偏磨。選擇合適的鉆具組合，選用高潤滑性能的沖洗液以減輕鉆具的偏磨。選用高胎體鉆頭，延長鉆頭壽命，減少提下鉆次數，避免掉塊擠壓鉆具引起孔斜[15-16]。

(4)嚴格按地質要求測斜，發現孔斜超差要及時查找原因并采取相應措施。

5 鉆探技術和經濟效果

結合礦區實際情況，選用2臺MP-1000型便攜式鉆機進行斜孔施工。通過選用合適的鉆進工藝，初步克服了施工時鉆孔漏失、坍塌掉塊等一系列問題。在工期內完成45°斜孔8個，鉆孔施工統計見表4。

表4 鉆孔施工統計

6 結語

該礦區鉆探施工結束后經地質驗收，施工鉆孔全部為優質孔。經過該礦區近2個月的施工，積累了斜孔施工經驗。特別是首次施工的45°孔，對其施工難度、技術措施有了更深的了解，也對MP-1000型便攜式鉆機的施工能力、機動能力有了進一步認識。

(1)MP-1000型便攜式鉆機體積小，質量輕，采用模塊化設計，適合用于無法使用大型鉆機、鉆塔的區域施工。根據鉆機能力，選擇合適的鉆具組合以及施工工藝，有利于提高施工質量。

(2)礦區施工選用錨桿固定鉆機能夠有效穩固MP-1000型鉆機，從而有效減少鉆進過程中發生鉆孔偏斜。

(3)根據實際鉆進情況，選擇合適的鉆孔沖洗液能夠有效解決鉆孔漏失以及坍塌掉塊的情況。