宣城麻姑山—蕎麥山深部礦區鉆探綜合取芯技術應用

［關鍵詞］取芯方法；膨脹地層；膨潤土鉆井液

目前，我國大部分地區的淺表部位的礦產資源被開發殆盡，但礦產資源依然不能滿足國家快速發展的需求，使得勘查工作由淺表層向深部礦、覆蓋區中隱伏礦及難識別礦區開掘。

在這樣的背景下，經過眾多地質工作者潛心研究，安徽宣城地區受到很多資深專家的青睞，該地所處構造背景與地質條件與銅陵地區相似，但目前還沒發現跟銅陵有相同等級的礦床，先采用最新的1∶5萬高精度重力測量作為技術支持對該礦區進行系統分析和研究。

1. 區域地質概況

宣城礦區位于安徽省東南方向，處在長江中下游，分別屬于宣城市和蕪湖市，在中亞帶偏南亞一側， 緊臨銅陵礦集區和寧蕪火山巖盆地（圖1）。

長江中下游成礦帶是中國重要的金屬成礦帶之一[2]，位于揚子板塊北緣的長江斷裂凹陷帶，通過總結成礦帶內成礦規律和成礦模式，又分出中亞帶礦集區，包括鄂東南、九瑞、安慶-貴池、銅陵、廬樅、寧蕪和寧鎮7個礦集區。區內為燕山晚期第二次巖漿活動的產物[3]，主要巖體為馬山埠巖體和麻姑山巖體，巖性為花崗山長斑巖（γδπ53） ，分布于銅山—蕎麥山及麻姑山一帶，呈巖墻狀及巖株狀，沿圍巖層間滑動面、地層假整合面及斷裂侵入，為該區以銅為主的多金屬礦床的主要成礦巖體。

宣城麻姑山-蕎麥山銅多金屬礦區位于宣城礦集區的北東面（圖2），主要分布于麻姑山及馬山埠—貍頭橋一帶， 志留系—第四系均有出露。三疊系與二疊系為假整合接觸[6]， 三疊系、侏羅系、白堊系及第三系之間均為不整合接觸，地質剖面圖詳見蕎麥山東銅硫礦區20#勘探線（圖3）。

2. 巖礦層特征及鉆探取芯難點

2.1 坡積層

該礦區的坡積物厚度變化較大，歷史鉆探資料顯示該層層厚為0～40 m，多由中粗礫石，黏性土和流砂混合堆積而成[8]。風化嚴重，又因該層比較松散、含水量飽和、力學性質差，所以導致施工由于機械振動時常出現坍塌、卡鉆、孔越打越淺、取芯率低等情況。

2.2 鈣質泥質巖夾砂層

該地層的巖性以粉砂巖、碳酸鹽巖及碎屑巖為主，大部分出現在40～90 m， 厚度30 m左右，含泥質砂巖，泥質分布無規律，弱膠結性，含沙量在35%左右。該層具有膨脹性，遇水膨脹，使孔徑縮小，緊緊包裹住鉆桿外壁，使沖洗液不能及時返回，泵壓瞬間增大，使該位置孔壁表面被剝落崩解垮塌縮位，孔內巖粉和沙子迅速沉淀至孔底，包裹鉆頭， 會很快堵住鉆頭出水口，持續使得泵壓升高，無法繼續鉆進，造成多次提鉆取芯，巖芯基本上被鉆頭磨損，使得巖芯的采取率大大降低。

2.3 礦體圍巖

圍巖及礦層一般在100～1000 m構造帶中，并在裂隙構造中充填銅多金屬礦脈， 其巖性主要表現為巖芯破碎、松散、易被沖刷，軟硬不均，膠結性、穩定性差，遇水膨脹[9]。造成鉆進時護壁困難和巖芯極易堵在卡簧座或鉆頭處， 頻繁取芯，使得采取率低下、鉆進效率降低、成本升高。

結合該地區地層結構的多變性和獲取該地層信息的重要性，為了能夠獲取較高巖芯采取率，對該孔的繩索取芯施工工藝進行特別考究，通過多次試驗，最后采取分層取芯的綜合措施[10]，獲得了較大的突破，解決該礦區取芯不足的工藝難題。在這個礦區，我單位共施工6個鉆孔，累計鉆探工作量共4351.91m（表1），巖芯采取率遠遠高于其他施工單位，每個孔整體巖芯采取率達到了90%以上，且礦化層的巖芯采取率達到84%，完全符合地質工程質量要求，同時為該礦區的地層信息提供重要依據。

3. 鉆探方法和取芯工藝技術措施

3.1 鉆探施工工藝

該項目是由中國地質調查局“安徽涇縣—宣城地區礦產地質調查”出資，安徽省勘查技術院承擔總體設計，我院通過競爭性談判獲得該覆蓋區的鉆探施工，設計孔深均為300～1300 m，孔深300～700 m為中深度孔，700～1300 m為深孔，選用XY-4、XY-5H和XY-6A三種鉆機。合金鉆頭與金剛石鉆頭相結合[11]，中深度孔采用直徑?110 mm和?91 mm二級成孔，深孔采用直徑為?130 mm、?110 mm和?91 mm三級成孔， 用?77 mm的鉆頭直至終孔[12]。

3.2 鉆井液材料的選用及配比方法

在復雜地層中用一般的絮凝材料配比鉆井液是不行的，因為它的滲透性差、吸附性弱、膨脹性差[13]，不能達到護壁要求。要選用膨潤土和燒堿（或純堿）作為鉆井液的材料才能達到設計效果。

膨潤土的主要成分是以蒙脫石為主的黏土礦，呈白色粉末狀。膨潤土的種類很多，是根據膨潤土水解后溶液中所含的主要陽離子元素作為區分的依據，水解溶液中含以Na+ 陽離子為主的稱為鈉基膨潤土；水解溶液中含以Ca2+陽離子為主的稱為鈣基膨潤土；水解溶液中含以H+陽離子為主的稱為氫基膨潤土（又稱活性白土、天然漂白土-酸性白土）；水解溶液中含以有機陽離子為主的稱為有機膨潤土[14]。我們一般在配比鉆井液時，選用鈉基膨潤土，具有很好的膨潤性、膠結性、吸附性、催化性以及陽離子交換性，其晶格結構致使水分子容易進入2 個晶胞之間發生膨脹、易水化分散提高了鉆井液的黏度和切力[15]。

在施工現場利用就近的水資源配制膨潤土鉆井液，配制比例為每立方水中加入90 kg鈉基膨潤土和3 kg的燒堿（或純堿），加一定數量的燒堿或者純堿是為了減少膨潤土鉆井液中的鈣、鎂離子比例，使膨潤土水化更充分，這樣的鉆井液有更好的懸浮性。在鉆進時，膨潤土鉆井液的懸浮性能好就能提高攜巖粉率和增大堵漏的概率。有的地層巖石呈裂隙發育，失水率羧甲基高且結構松散，應加入特殊材料配制鉆井液，如羧甲基纖維素鈉（CMCC）或隨鉆堵漏劑， 防塌效果更好。始終讓鉆井液中保持較低的膨潤土含量且pH值在11.0以上。

3.3 各地層鉆探取芯工藝措施

3.3.1坡積層的取芯方法

該礦區的淺表坡積層厚40 m左右，根據鉆孔結構設計要求，開孔時應采用φ130 mm（φ110 mm）的脅骨合金鉆頭連接單管鉆具進行鉆進，鉆孔多采用干鉆取芯，干鉆時應注意回次時間不宜過長且要向上提動立軸（高度不超過10 cm），以防因無水干鉆時間過長導致燒鉆事故發生，鉆進到一定的深度時孔內會出現地下水，如果無水應該將孔內灌滿清水，通過在孔口丟入搓好的膨潤土泥球達到鉆孔孔壁穩定的目的，直至鉆進穿過不穩定地層時及時下入首層φ127 mm （φ108 mm） 套管進行隔離。

3.3.2 鈣質泥質巖夾砂及軟硬層取芯方法

在40 m以淺的地層都是以第四紀為主的坡洪積層，結構簡單，通常只需用單管鉆具配脅骨硬質合金鉆頭進行鉆進， 同時泥漿沖洗量不宜過大， 轉速也不宜過快。而在40 m以深地層就開始變得復雜起來，不能再用合金鉆頭，而是改用金剛石鉆頭進行鉆進。鉆進中若發現回轉器不往下，半天都沒有進尺，這就說明巖芯已經堵住了鉆頭和卡簧座，這時切忌提動鉆具，應及時提鉆取芯，不要嫌麻煩。另外在泥質較軟不能成形地層孔采取無泵反循環鉆具。我們采用無泵反循環接頭式鉆具。它們由分水眼和單向球閥組成連接在普通雙管的內管上端。用這種鉆具時以每分鐘5次左右頻率上下提動， 提動高度10 cm左右。如此周而復始，使孔底形成微小的局部反循環。而鉆桿中送入的沖洗液則從分水眼流出，由于流速小，對巖礦芯沖蝕作用不大，而且因為不停地提動，易破壞堵芯的牢固程度，減少或消除堵芯，在回次終止前減少提動次數或不提動， 加大壓力干鉆，造成巖芯自堵取芯。采取這些方法，可以使巖礦芯采取率達到84%以上，一般都可以基本未擾動巖芯，為地質找礦提供了第一手原始分析資料。

3.3 圍巖及礦層取芯方法

礦層及圍巖主要表現為巖芯破碎、松散、易被沖刷，軟硬不均，膠結性、穩定性差，遇水膨脹。特別是碎塊堵在短節或鉆頭處， 造成巖芯互磨消耗，巖礦芯采取率低，回次進尺少，起下鉆頻繁。我們剛開展此項工作時，采取普通單雙管隔水鉆具，難以解決地質取芯要求高問題， 為此我們借鑒處理孔內事故用的反卡振擊器的原理，對癥研制了可開式雙動雙管隔水鉆具及機械式間歇振擊解堵鉆具。根據反卡振擊器原理，以求解除巖芯堵塞，能使內管產生間歇振擊，這樣就改善了沖擊回轉連續不斷強烈沖擊振動而造成破碎巖芯更破碎現象，其振擊力比回轉沖擊鉆進的沖擊力要小得多，并且動作不連續，對巖礦芯的破壞作用很小，提高了回次進尺， 保持巖芯原生結構和取芯質量。

這些理論在ZK-03號孔也得到了應用，該孔設計孔深1300m，設計頂角0°，為垂直鉆孔。該孔于2019年12月15日開孔，用φ130 mm 的肋骨合金鉆頭，穿過坡積層鉆至38.05m，下入第一層φ127 mm 的套管，然后換徑用φ110 mm 的金剛石鉆頭鉆至55.20m（圖4），下入第二層φ108 mm的套管，在圍巖及礦層位置地層結構復雜，均采用以上鉆進方法，采取φ95 mm繩索雙管鉆具配金剛石鉆頭鉆進至571.90m，下入第三層φ89 mm的套管，罩住復雜的地層，減少孔內事故，換φ77 mm繩索金剛石鉆頭鉆進至1254.60m，共474回次，巖芯長度共計1141.6 m，采取率達到91%，符合優質鉆孔要求，終孔。

4. 結論

（1）應準備充足和齊全的工具。在本區地層結構復雜且差異較大，隨時都可能有意外情況發生（難以預料），所以在打深孔時，工地現場應配用多種取芯工具。

（2）應多預留一級套管。本區深孔我們必須用Φ130 mm及以上的鉆頭開孔， 防止孔內地層復雜，出現孔內事故，因預留套管不夠，導致將已經下好的套管全部拔出，浪費人力、物力，增加成本。

（3）全神貫注的工作態度。在鉆孔施工中，必須要求每個班次的工作人員，尤其是帶班班長在鉆進時一絲不茍、全神貫注盯住鉆機和孔內，若發現有異常，要迅速采取措施，假如本班班長修正不了，要及時通知機長或其他技術人員操作。

（4）同一地層保持同一種技術參數施工。在復雜地層鉆進過程中， 相同巖性的地層，要保持同一種鉆進技術參數，不能輕易改變，巖芯成柱狀差不能亂提升卡盤，隨意提動可能會造成破碎巖芯堵住卡簧座及鉆頭。若發現不進尺，要立馬起鉆取芯。

（5）嚴格質量管控。堅持質量第一，才能得到高質量的鉆孔，把控好鉆孔質量關，要注意每個細節，必須嚴謹，假如發現質量問題與施工設計要求違背，必須及時與地質技術負責人溝通并妥善解決。最大限度保持鉆孔地層信息的真實性、原始性，為地質找礦提供第一手原始分析資料。