河南柳關鉛鋅礦區復雜地層鉆探施工技術

李大鵬，郝金玉

（1.河南省地礦局第四地質勘查院，河南 鄭州 450001；2.河南省小口徑鉆探工程技術研究中心，河南 鄭州 450001）

1 項目背景

河南柳關鉛鋅礦勘查項目是為增加柳關鉛鋅礦儲量，延長礦床開采期限而勘探的。該項目位于河南省盧氏縣東坪鄉柳關村，介于前柳關組和后柳關組之間，經過緊張施工，共完成7 個鉆孔，鉆探工作量3427.94m。

2 地層情況

河南柳關鉛鋅礦鉆探工程施工項目地處華北地臺南緣，構造區劃屬崤山～熊耳山斷隆區。工區鉆孔地層從上到下可以分為四層：上部黃土及殘坡積物、中部白云巖及鉛鋅礦構造帶、下部角礫巖和底部花崗巖。黃土及殘坡積物段巖性較軟，而鉛鋅礦構造帶巖石破碎，漏漿嚴重，其余白云巖、角礫巖和花崗巖局部破碎。

3 主要技術難點

（1）沖洗液易漏失。鉆孔上部10m～30m為第四系覆蓋，與基巖接觸帶，裂隙發育、巖石松散，鉆進過程中易發生微漏，甚至全漏失現象。

（2）白云巖層段巖石破碎，裂隙發育。在鉆進過程中由于鉆桿回轉擾動，造成孔壁坍塌、掉塊現象，一旦碎塊掉進環空間隙，易造成卡鉆事故。鉛鋅礦構造帶松散，無膠結，易發生埋鉆事故。

（3）取心難度大，采取率低。鉛鋅礦構造帶為白云巖蝕變造成，基本成塊狀，部分松散，無膠結，取心難度大。

4 施工設備

5 鉆進工藝

5.1 鉆孔結構

結合工區地層特點，該項目選擇的鉆孔結構主要有兩種：①用Φ150mm 金剛石單管鉆具開孔，見較完整基巖2m 后下入Φ146mm 孔口管護壁；然后采取SJ122 繩索取心鉆進工藝，穿越坑道3m～5m 后下入Φ114mm 技術套管護壁；最后改用SJ96 繩索取心鉆具鉆進至終孔；②選用Φ130mm 復合片單管鉆具開孔，穿過覆蓋層見完整基巖2m 后，下入Φ127mm 套管護壁，然后改用Φ110mm 金剛石鉆具裸眼鉆進3m～5m（該徑為備用孔徑，根據具體情況再決定是否擴孔），最后使用SJ96 繩索取心鉆具鉆進至終孔。

5.2 鉆進方法

主要采用金剛石單管鉆進、復合片單管鉆進和SJ122、SJ96 金剛石繩索取心鉆進四種方法。

5.3 分層鉆進技術

5.3.1 第四系黃土和殘坡積物覆蓋

一般為黃土和殘坡積物，可鉆性低，常采用金剛石單管或復合片單管鉆進。鉆進參數采用金剛石鉆進時經常使用中鉆壓、中轉速、大泵量或者復合片鉆進時使用低鉆壓、低轉速、大泵量。

5.3.2 白云巖

該層位主要存在的問題是巖石破碎和裂隙發育，易發生卡鉆和漏漿現象。因此，該層鉆進時，護壁和堵漏措施顯得尤為重要。主要是通過添加優質的鈉土、CMC、植物膠和燒堿來達到效果。鉆進參數采用常規鉆進參數，主要以鉆速為基礎進行適當調節。

5.3.3 鉛鋅礦構造帶

該層因地層應力作用基本擠壓成塊狀，部分松散呈顆?；蚍蹱?，主要鉆進問題是保證巖（礦）心采取率。為此，該層段主要采取SJ96 金剛石繩索取心鉆進工藝，鉆進參數嚴格按照巖心鉆探規程要求，并結合實際情況加以適當調整。為了保證孔底干凈，提高巖粉的攜帶能力，配合使用無固相泥漿沖洗液。即水+CMC+腐殖酸鉀+聚丙烯酰胺等配成沖洗液。

5.3.4 花崗巖

花崗巖巖石較完整，硬度中等，研磨性強，存在數層軟巖。存在的難點主要是軟巖遇水膨脹及保障巖心采取率。沖洗液主要采取低失水量的低固相泥漿，來防止軟層縮徑。工藝方面采用SJ96 金剛石繩索取心鉆進技術，保障巖心的高采取率。鉆進參數采用常規金剛石鉆進參數[1]。

5.4 取心技術

根據巖石的物理、力學性質和巖石層完整程度和業主要求，該項目主要采用了單管取心和繩索取心的方法。

5.5 鉆進技術參數

鉆進參數見下表2。

表2 鉆進參數表

5.6 沖洗液

配方：(單位：1m3)。

鈉土粉30-40Kg ＋1%植物膠+1.5%CMC(高粘)＋0.5%Na2CO3+潤滑劑。

泥漿性能：粘度(s)：25-35 比重（g/cm3）：＞1.10 失水量(ml3/30min)：＜15 含砂量(%)：＜4；

6 解決施工難點采取的關鍵技術及取得的效果

6.1 SJ122 繩索取心鉆進工藝的應用

根據生產條件，在“保留一級口徑”的原則下，項目采用SJ122 繩索取心鉆進工藝，投入400mΦ114mm 繩取鉆桿和兩套SJ122 繩取鉆具，完成鉆探工作量466.09m。經統計，使用SJ122mm 繩取鉆探工藝完成的工作量占總工作量的13.60%，孔內事故次數明顯減低。

6.2 SQ114/8 型液壓鉗的應用

應用的鉆桿有SJ114、SJ89 和SJ71 繩取鉆桿，鉆桿外徑大，起下大鉆時，自由鉗擰卸費時、耗力，絲扣擰合緊，有時需用錘子震松，極易損害鉆桿絲扣，難以保持鉆桿的同心度，而應用的SQ114/8 型液壓鉗能夠很好的解決這些問題，滿足地質繩索鉆桿快速卸扣的需要，并且具有結構緊湊、重量輕、效率高，便于搬遷等優點[2-5]。

6.3 高胎體鉆頭

鉆探施工中，最為關鍵的是如何提高鉆進效率，鉆頭選擇方面我們進行了重點研究，試驗了鄭州高胎體鉆頭。在鄭州某家超硬材料有限公司生產的ZFDN-75A 型鉆頭的基礎上，設計生產高胎體鉆頭，要求胎體工作層高度從10.00 增加到16.00mm，胎體硬度HRC30～35，同心圓尖齒形唇面，熱穩定性聚晶金剛石，金剛石粒度60～80 目，濃度90%，沿用10 個水口的設計，每個水口寬度為5mm，實踐證明，該類型鉆頭平均進尺103.21m/只。在同等地層情況下，鉆進效率提高20%，壽命提高104%以上。

7 結論

7.1 利用Φ122mm 新規格口徑，簡化鉆孔結構，提高鉆進效率

ZK301 用Φ150mm 金剛石單管鉆具開孔，見較完整基巖2m 后下入Φ146mm 孔口管護壁；然后采取SJ122 繩索取心鉆進工藝，穿越坑道3m～5m 后下入Φ114mm 技術套管護壁；最后改用SJ96 繩索取心鉆具鉆進至終孔。這不僅簡化了鉆孔結構，而且可利用SJ122 繩取工藝的技術優勢提高鉆進效率，減少孔內事故。

7.2 試驗高胎體金剛石鉆頭，鉆進效率明顯提高

通過生產試驗，選定的鄭州高胎體鉆頭適應該礦區的地層鉆進，具有適應性強、進尺快、壽命平均長等特點，在同等地層情況下，鉆進效率提高20%，壽命提高104%以上，不但降低了單位成本，而且大大縮短了鉆探施工周期。

7.3 頂漏快速鉆進效果好

該工區地層斷裂構造發育，漏失嚴重。為了解決這個問題，采用了頂漏快速鉆進方法，其效果良好，降低了鉆桿與孔壁的摩擦阻力，提高了轉速，節省了時間，同時有效防止了燒鉆事故的發生，臺月效率明顯上升，最高達到614.95 米/臺月。