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廬樅礦集區劉墩ZK01深孔鉆探工藝探討

發布時間:2013年05月16日
來源:《探礦工程(巖土鉆掘工程)》,2012年增刊2

 

廬樅礦集區劉墩ZK01深孔鉆探工藝探討

 

董向宇,李文秀,湯小仁,王慶曉,劉凡柏

(中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊 065000

 

摘要:對安徽廬江劉墩實施的廬樅礦集區2000m深孔地質鉆探的工程概況、鉆進工藝進行了介紹。

關鍵詞:深孔;巖心鉆探;鉆探工藝;鉆孔結構

 

1  概況

作為《地殼探測計劃》的培育性計劃,“深部探測技術與實驗研究專項” (英文簡寫:SinoProbe)部署了數口2000~3000m的科學驗證孔,為了驗證廬樅礦集區重要地球物理異常或深部成礦有利區,實施了廬樅礦集區磚橋巖心鉆探孔,為礦集區探測研究提供地下實物樣品,建立綜合測井通道。

工作區位于安徽省合肥市廬江縣磚橋鎮劉墩鄉石橋村。四面環山,溝谷相間,孔位定在山丘半山腰的水田中。根據既有地質資料,大致判定施工區域地質結構由地表至地下500m內多為具硅化、高嶺石化、硬石膏化、黃鐵礦化、黃銅礦化的凝灰巖、粗安巖,有裂隙,局部有膏化凝灰巖;500~750m為輝石粗安巖,具綠泥石化,高嶺石化,局部夾凝灰巖;750~1000m為粗安質凝灰巖,具硅化、弱黃鐵礦化,局部具黃鐵礦化、硬石膏化,或可見膏輝巖,黃銅礦/黃鐵礦/磁鐵礦(化)體;1000~1100m為灰巖、矽卡巖化灰巖;1100~1500m為閃長玢巖、膏輝巖化閃長玢巖,有正長巖脈穿插;1500~2000m為正長巖或斑巖型銅礦(化)體。部分巖石研磨性較高,可鉆性級別最高可達8級。

劉墩ZK01鉆孔全孔采取巖心,設計傾角90°,巖心采取率不低于85%,終孔口徑Φ77mm

 

2  鉆探工藝

深孔鉆探工程技術是一個動態復雜系統,針對地層而確定的包含鉆孔結構設計、鉆探器具配置、沖洗液配比、鉆進參數選擇及事故處理預案等技術措施,除所鉆遇的地層外,其余都需要新技術支撐,積極引進新的鉆探工藝、完善施工手段,對地質鉆探孔施工的成功尤為重要。

2.1  鉆孔結構設計

鉆孔結構設計是對施工風險的預見和防范,以終孔直徑做為擬定鉆孔結構的標準,對照鉆孔地質設計自下而上擬定各段的口徑和開孔直徑。在保證鉆孔質量和安全鉆進的前提下,盡可能地采用泥漿護孔從而減少或不下套管和少換徑,最大限度地簡化鉆孔結構。

開孔采用大直徑硬質合金或表鑲金剛石單管取心鉆進,設置孔口管,簡化套管程序,合理設置套管尺寸和間隙,提高套管柱的強度,降低環空壓降,為后續的施工提供充分的空間尺寸。基于減少深部鉆探沖洗液循環阻力損失、降低泥漿泵工作壓力等因素考慮,HQ規格鉆具鉆頭口徑為97.5mmNQ規格鉆具鉆頭口徑為77.5mm,深孔階段采用超前孔裸眼的方案,以Φ77.5mm為終孔口徑,當遇到復雜情況又無法控制時,用Φ97.5mm鉆頭擴孔后下入Φ91mm套管,再換回Φ77.5mm繩索取心鉆進。圖1為安徽廬江劉墩ZK01科學驗證孔的鉆孔結構。

1  安徽劉墩ZK01孔鉆孔結構圖

由于科學鉆探驗證孔地層復雜,鉆探工作區方圓10km內最深鉆孔深度約1000m尚無明確的深部地層地質信息,為了完成2000余米的鉆孔深度和小口徑物探測井要求,參照YDX-5型全液壓鉆機的能力,鉆孔采用四級成孔,留一級預備口徑為BQ規格。                                                  

開孔直徑152mm,采用?152 mm 硬質合金單管取心鉆進,穿過第四系表面覆蓋層,下入?146mm套管,作為孔口管,深度18.26m

一開孔徑122mm,采用繩索取心金剛石鉆進,下入?114mm技術套管,深度558.20m

二開孔徑97.5mm,采用液動錘繩索取心金剛石鉆進,下入?91mm技術套管,深度1422m

三開孔徑77.5mm,采用液動錘繩索取心金剛石鉆進,至終孔深度2012.35m

2.2  鉆具配置

    鉆具級配確定主要采用加強型HQ規格、NQ規格繩索取心鉆具。各級孔徑鉆具如圖2所示。

2  鉆具組合示意圖

鉆孔開孔鉆具組合:高速水龍頭+轉換接頭+PQ繩索取心鉆桿+轉換接頭+?146mm單管鉆具+?152mm硬質合金鉆頭(表鑲金剛石鉆頭);

P規格鉆具組合:高速水龍頭+轉換接頭+PQ(PO)繩索取心鉆桿+PQ繩索取心鉆具+?122mm金剛石鉆頭;

H規格鉆具組合:高速水龍頭+ 轉換接頭+HQ繩索取心鉆桿+HQ繩索取心液動錘鉆具(PWL繩索取心液動潛孔錘鉆具)+?97.5mm金剛石鉆頭;

N規格鉆具組合:高速水龍頭+轉換接頭+NQ繩索取心鉆桿+NQ繩索取心液動錘鉆具(NWL繩索取心液動潛孔錘鉆具)+?77.5mm金剛石鉆頭。

2.3  環空間隙確定

鉆探施工采用端部加厚無接箍鉆桿,?114mm鉆桿端部加厚外徑116mm,內徑101mm?91 mm鉆桿端部加厚外徑93mm?71 mm鉆桿端部加厚外徑73mm。鉆桿材質為XJY-850

?146mm套管壁厚5.5mm?91 mm套管為端部加厚加強型套管,端部加厚外徑93mm,壁厚6.25mm。套管材質為45MnMoB。環空間隙3~4mm,局部2 mm

 

3  鉆進方法

3.1  分層鉆進技術措施

根據礦區地層巖性特點、鉆孔孔徑、深度及YDX-5型全液壓鉆機的性能因素,制定分層鉆進技術措施。在完整的中硬以下地層采用常規繩索取心鉆進。在松散、破碎、采取率極低地層,采用繩索取心三層管鉆具、半合管鉆具并配備內管超前、攔簧卡取巖心等卡心裝置。在特硬、局部破碎易發生巖心堵塞孔段及易造斜地層采用繩索取心液動沖擊鉆具,提高鉆進效率及巖心采取率。在深孔鉆探施工中,采用繩索取心液動沖擊鉆進與普通繩索取心鉆進相比在同等鉆進條件下平均小時效率提高40%左右。繩索取心液動沖擊鉆具見圖3

3  繩索取心液動沖擊鉆具示意圖

根據巖石研磨性、完整度和可鉆性確定鉆頭類型(見圖4)。上部鉆探施工采用普通孕鑲金剛石鉆頭,深部鉆探施工采用超高胎體雙水口二次鑲焊孕鑲金剛石鉆頭。鉆頭唇面結構有半平底型、同心圓尖齒型及齒輪型。

4  使用的不同唇口形式的金剛石鉆頭

各種規格取心工具必須妥善保管,使用前要認真檢查,每次用后要清洗檢查,卡簧和卡簧座與所取巖心進行匹配,確保巖心卡取可靠,單動裝置注潤滑油。在套管底部用麻繩封固,避免泥漿侵入套管外壁的環狀間隙,同時在下入套管時,孔內注入高粘度的泥漿,同時在套管外壁涂抹適量黃油,便于施工結束后起拔套管。

3.2  鉆進參數選擇

開孔,152mm硬質合金鉆頭,鉆壓0.5-0.8kN,轉速100-200r/min,扭矩1000 N?m,泵壓0.5 MPa,排量120-150L/min

一開,122mm孕鑲金剛石鉆頭,鉆壓1.5-2.0 kN,轉速200-300 r/min,扭矩2000 N?m,泵壓2.0 MPa,排量120-150 L/min

二開, 97mm孕鑲金剛石鉆頭,鉆壓1.2-1.8 kN,轉速250-450 r/min,扭矩2400 N?m,泵壓5.0 MPa,排量90-120 L/min

三開, 77mm孕鑲金剛石鉆頭,鉆壓1.0-1.5 kN,轉速400-600 r/min,扭矩2600 N?m,泵壓8.0 MPa,排量60-90 L/min

3.3  沖洗液與護壁堵漏

礦區均為金屬礦金剛石繩索取心鉆探,沖洗液的主要作用一是減阻潤滑,二是排粉,在局部孔段存在穩固孔壁的需求。充分的鉆頭、鉆桿減阻潤滑,孔內排粉徹底,可以獲得較高的機械鉆速,減少鉆桿鉆具磨損,延長鉆頭壽命。固相泥漿<膨潤土>在繩索取心鉆桿內高速旋轉容易產生泥皮,致使內管起下不暢,不易解決。采用的的泥漿體系為無固相泥漿體系:聚丙烯酰胺+廣普防塌劑+磺化瀝青+水。PHPm3加入0.22kg,漏斗粘度2025s,泥漿密度1.02g/cm3

81~87m1130~1180m孔段出現比較嚴重的膏化地層,地層有一定的水敏性,采用添加降失水處理劑Na-CMC,提高泥漿粘度和泥漿密度,將泥漿密度從1.02g/cm3提高到1.04g/cm3,漏斗粘度為32s左右,比較有效的防止了鉆孔縮徑對泥漿上返流速的影響,減低了泥漿泵的泵壓。下入?91mm的技術套管后,地層研磨性增強,巖石硬度增大,泥漿中不再加入磺化瀝青和Na-CMC,同時減少廣普防塌劑的加入量,漏斗粘度保持在2025s,泥漿密度1.02g/cm3,以懸浮巖粉,冷卻鉆頭,潤滑鉆具為目的,至終孔。

3.4  預防鉆孔彎曲的措施

鉆機安裝是預防鉆孔彎曲的重要環節,為防止鉆機在鉆進過程中位移、過度晃動,將鉆機底座坐落在堅固的水泥地基上,并用地腳螺栓固定。反復測量主動鉆桿確定鉆孔頂角,將全液壓鉆機的桅桿落于穩固的水泥地基上,鎖緊桅桿滑移機構。鉆孔孔口澆筑600mm×600mm×600mm素水泥臺,避免上覆土層坍塌。開孔采用硬質合金鉆進,慢速給進,用膨潤土泥漿護壁,將孔口600mm深的素水泥基礎鉆透,再延伸鉆進至基巖層,下入?146mm的孔口管。在檢測孔口管的頂角后,用孔口板將孔口管與鉆機的桅桿固定,既保護孔口,又作為鉆孔的導向。各徑鉆桿安裝鉆桿扶正器,換徑時帶外導正器,采用先導鉆頭及鉆具穩定器配合進行下一級鉆孔開孔,保證滿眼接觸,確保鉆孔方向。依據地質設計當鉆孔頂角小于或等于5o時,每100m進行一次頂角測量;當鉆孔頂角大于5o時,每50m測量一次頂角和方位角。 及時測量及時調整鉆進速度。

3.5  孔內事故預防

采用優質泥漿并適當加大泥漿的密度,減少因地質因素造成的孔壁坍塌或水敏地層縮徑而發生的孔內卡鉆事故;采用合理的鉆孔級配及制訂嚴格的操作規程,特別是在深孔繩索取心鉆進時杜絕提下鉆引起的抽吸作用造成孔壁坍塌及跑鉆造成人為孔內事故的發生;減少鉆具在孔內的停放時間,在停放時堅持開泵循環,繩索取心鉆進打撈內管總成時,先沖洗干凈孔底再進行打撈,防止埋鉆事故發生;采用合理的鉆進參數,根據地層情況及鉆頭唇面面積施加鉆壓,防止鉆壓過大發生鉆桿折斷事故;由于繩索取心鉆進提鉆次數少,所以每次提鉆后特別要檢查鉆桿螺紋的磨損情況及有無裂紋,防止在孔內發生折斷事故。

孔內事故是可以預防的,又是不可避免的,開鉆前準備一些常用的事故處理工具(見圖5)及特殊事故處理工具的方案。施工現場準備了3種規格的打撈公錐、可退式打撈器、強磁打撈器、水力割刀、磨削鉆頭等事故處理工具。

5  各種形式的孔內事故處理工具

 

4  鉆探技術成果

廬樅礦集區ZK-01科學鉆探驗證孔施工,全孔取心鉆探至2012.35m孔深。完成Φ152mm的鉆孔18.26m,下入Φ146mm表層套管18.26m;完成Φ122mm的鉆孔539.94m,下入Φ114mm套管558.20m;完成Φ97mm的鉆孔864.18m,下入Φ91mm的套管1422.38m;完成Φ77mm的鉆孔589.97m。終孔頂角不大于7?。 巖心總長度1978.10m,巖心采取率 98.30%。 自2011817日開鉆至2012324日達到預定孔深,共用221天,合計7.36個月,其中有設備器具維修319.6h,泥漿泵維修420.5h,測井561h,放假、研討及其它工作時間為965.6h,鉆進臺月效率為476.86m。于201245日由深部探測技術與實驗研究專項管理辦公室組織專家進行了野外現場驗收,鉆孔質量達到優秀。

 

5  結語

通過對劉墩ZK01科學驗證孔施工的總結,綜合復雜地質條件和鉆孔施工中采取的鉆孔結構、鉆桿柱、碎巖工具、取心方法、井身軌跡控制、鉆井液及井壁保護等鉆進工藝相關參數的研究,提出了一套具有較高可靠性及可操作性的鉆進施工技術方案,為提高深部礦體勘探速度、勘探靶區精度、地質成果的準確性,也為加快尋找隱伏礦與深部礦的 第二找礦空間步伐,提供技術支持。

 

參考文獻:

[1]  張金昌,孫建華,謝文衛,等.2000m全液壓巖心鉆探技術裝備示范工程[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012,39S1.

[2]  謝文衛,蘇長壽,孟義泉.YZX127型液動潛孔錘的研究及應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程);2003,(S1.

[3]  蔣光旭唐振華李德波李偉.SYZX96/75繩索取心液動錘鉆具的應用效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,376):13-1519.

 

基金項目:深部探測技術與實驗研究專項中“重要異常的鉆探驗證與金屬垂向分布規律研究”項目(SinoProbe -03-06201011051)之工作課題“廬樅礦集區重要異常的鉆探驗證”

作者簡介:董向宇(1970-),男(漢族),河北唐山人,中國地質科學院勘探技術研究所勘探設備研究室教授級高級工程師,探礦工程專業,從事小口徑鉆探設備及工藝、非開挖技術研究工作,河北省廊坊市金光道77號,[email protected]

[責任編輯:dww]

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