塔兒山鐵礦區復雜地層的鉆探施工

改造者：韓棟材

塔兒山鐵礦區復雜地層的鉆探施工

改造者：韓棟材

社會小項目一般具有地質資料不齊全、鉆孔設計依據不足、造價低、工作量不確定等不利于鉆探施工的因素，特別是其中不乏一些復雜地層的技術問題，通過塔兒山鐵礦區某孔的施工實例，為組織設計施工提供一些參考經驗。

近年來，隨著經濟的發展，地質找礦事業不斷攀升，鉆探施工范圍延伸，除了政府項目以外，社會項目也占據了市場很大比重，特別是一些小微項目，占據了數量上的優勢。這些項目具有一些相似點：施工地點分散、地質資料不齊全、鉆孔設計模糊、造價低、工作量不確定等不利因素，處于找盲、探邊、摸底、補漏階段，在這些項目中，規模很小，利潤低，組織不全，基本屬于單兵作戰，以“短、平、快”方式來施工。這就對現場施工提出了考驗和更高要求！山西塔兒山鐵礦區某項目頗具代表性。

礦區地質概況

山西省塔兒山地區是重要的鐵礦產地，中生代以來，廣泛而強烈的堿性、偏堿性巖漿侵入活動，在塔兒山地區形成偏堿性巖有關的鐵、銅、金、鉬多金屬礦床系列與礦床組合，主要類型有矽卡巖型鐵礦。

塔兒山區域地質特征：大地構造位于中國東部，閃長巖類 為上地幔源，正長巖類與二長巖類主要為下地殼源，花崗巖類及脈巖為殼源，絕大多數巖類屬淺成相，一般蝕變較淺，巖體周圍沉積巖發生蝕變，一些規模較大的巖體與圍巖接觸形成接觸交代型鐵、銅礦。

區內構造十分復雜，褶皺和斷裂十分發育，共發現大小斷裂200余條，按體系歸屬可大致分為山字形構造，新華夏系南北向構造，祁呂系等。上述諸構造體系、構造行跡交織在一起，互相限制，遷就利用，彼此穿插干擾，在區內構成了一幅十分復雜的構造圖像。

區內地層自老而新有寒武系和奧陶系中下統碳酸巖建造，石炭系海陸交互相含煤巖系，二疊系陸相砂泥質建造，成礦圍巖主要為奧陶系中統碳酸鹽巖，尤其是富鎂的碳酸鹽。

本項目鉆探目的

項目位于曲沃縣，根據附近井下地質資料及物探成果，本項目鉆探任務為探尋奧陶系二長巖類巖體中侵入形成的鐵礦巖脈，本次鉆孔目的為穿越第二層礦脈為目標。本次勘察為初勘、詳勘結合的方式，全孔取心，鉆孔設計為3個垂直孔，孔深400m。

主要設備及配套設備

根據鉆孔設計及場地外部條件，選取XY-4立軸巖心鉆機，BW250/50泥漿泵、13.5m四角鉆塔及繩索取芯設備。

鉆孔施工工藝

根據地質資料，設計孔身結構如下：一開采用∮114口徑穿過第四系，至基巖，下入∮108mm套管護壁，二開采用JS95繩索穿越奧陶系二長巖至第一層鐵礦脈，如巖層完整，直至終孔，若基巖破碎，則下入∮89mm技術套管，變徑為JS77mm繩索穿越第二層礦脈至終孔，為防止地層破碎，還準備了JS56mm備用級繩索工藝，確立了三級繩索穿越復雜地層的工藝。

鉆孔施工過程

普鉆工藝開孔，一開∮114mm處至17m穿越第四系見基巖，在強風化帶繼續鉆進至25m遇稍完整硬塊，下入∮108mm技術套管，換徑JS95mm繩索取芯工藝。

通過已取巖心（見圖1）分析，該段地層風化程度高，節理裂隙發育，巖心呈塊狀、碎塊狀、并且伴有沖洗液漏失，進尺至68m處地層全漏失，孔內無靜水位。此時面臨一個技術難題：如何保持孔壁穩定。孔段漏失嚴重，漿液無法循環，動態水位約為20m，如采取堵漏措施，估計掃孔完畢，重新進尺幾米后又會漏失；下技術套管找不到合適的支撐層，經過現場討論后，決定采取頂漏鉆進，繼續觀察地層變化，摸索進尺一段后再采取措施。同時，采用無故相化學漿液，提高漿液粘度，利用動態水位造成的漿液孔段，盡量讓漿液在孔壁上形成膠膜，粘結住破碎巖塊，最大限度上提高孔壁穩定性。

頂漏鉆進至120m時，孔內掉塊增多，別車現象頻繁，巖心破碎易堵塞內管，提取巖心時鉆具遇卡，經過多次提下鉆、掃孔解卡，勉強進尺至165m，強烈別車、卡鉆，無法進尺，必須采取措施護壁堵漏。

針對孔內情況，決定采用水泥漿封孔。水泥漿配方：普通硅酸鹽425#水泥，水灰比0.45+食鹽+三乙醇胺，自孔底封至25m，候凝48h掃孔，掃孔至80m處，發生孔斜、鉆孔偏離原鉆孔，經測斜以及與原設計比照，認為可以達到地質要求，故沒能采取糾斜措施，繼續鉆進。

圖1　塔兒山礦區強風化圍巖

圖2　塔兒山礦區強風化帶巖心

鉆孔分枝后，自80m繼續用JS95繩索鉆進，下部孔段發生漏失，掉塊、卡鉆、別車現象嚴重，鉆至160m，按預定方案，采用水泥漿封孔，封堵孔段160～80m，候凝12h，掃孔時，最高水泥結石面在87m，自此全孔段封堵，該孔段井壁較穩定，暫時不漏失、掉塊。

自160m繼續用JS95繩索鉆進，至187m，通過巖心觀察（見圖2），自168m至187m孔段處，巖層高度風化，呈黃褐色，無節理裂隙，巖心剛出巖心管時成長柱狀、柱狀，具硬塑性，手捏可碎，遇水崩解，風干后錘擊聲啞，類似地表殘積土，預判該層會發生坍塌。繼續向下跟進至199m，地層情況類似。如何處理該段井壁，此時可采用兩種方案：一是下入∮89mm技術套管，優點是護壁效果最好，缺點是風化帶一直未能鉆穿，難以判斷下部地層有無或有幾層類似此類層位，而且管靴未接觸堅硬巖塊，會造成套管跑管，因為上部∮108mm套管已經發生過跑管；第二種方案是繼續采用水泥漿封孔，此種方案優點是，護壁完成后，還可以保持JS95mm口徑繼續鉆進，為以下可能出現的復雜地層能多預留一級技術套管，缺點是對于強風化地段，還未坍塌，孔壁成圓柱狀，水泥結石封堵效果很差。根據現場條件，決定采用先水泥封堵方案，如果水泥封堵無效，再采取技術套管方案。

按計劃，先循環清孔，用清水逐漸替代孔內高粘無故相漿液，用注漿管下至距孔底2m處，注入適量水泥漿，候凝12h后，掃孔至170m遇掉塊，水泥漿沒有結石。次日，繼續封孔，注入水泥漿，候凝24小時，水泥未結石，呈絮凝沉淀狀。更換水泥品牌后，再次封孔，候凝48h，水泥漿仍然沒能結石，而且在部分孔段積聚沉淀， 始終形不成強度。經分析，孔內環境不適應水泥漿凝固與結石，封孔方案不可行。

采取方案：下入JS95繩索鉆具清孔，鉆具掃孔至188m，泵壓開始升高，泥漿泵開始憋泵，泵壓達到7Mpa，鉆具回轉遇阻，鉆機負荷驟增，瞬間抱鉆，經長時間回轉、竄動、起拔，鉆具脫離風化帶位置，憋泵、卡鉆阻力解除。

孔內情況分析

強風化帶處發生井壁脫落、甚至坍塌，當鉆頭回轉接觸坍塌物時致其快速分解，部分分解物分解成細小鉆屑和微小鉆屑，部分崩解為較大顆粒，可大致采用顆粒分析的方法解釋，現場用目測（見圖3），小于1mm的顆粒，1mm～3mm的顆粒，大于3mm的顆粒。其中，小于1mm的顆粒分散在漿液中，被攜帶出孔外；1～3mm之間的顆粒在 鉆頭外刃及擴孔器外刃處進行二次破碎，風化嚴重的顆粒繼續崩解為小顆粒，隨沖洗液排除，部分風化程度低、具有堅硬內核的礦物成份難以短時間被研磨成細巖粉，但容易隨沖洗液懸浮到鉆桿柱與孔壁環狀間隙處（主要在擴孔器處）聚集，隨著聚集物的增多，逐漸堵塞井壁環，造成過水間隙太小而憋泵，當沖洗液不通時，這些顆粒迅速回落，卡埋住鉆具，因其堅硬不宜粉碎，所以造成鉆桿柱回轉阻力猛增，形成抱鉆。大于3mm的顆粒或因顆粒大多而沉淀在孔底，或懸浮在鉆頭以下，或接近小顆粒而在鉆頭處再次分解成小顆粒組巖屑。如果孔壁上風化物少量脫落，經過幾次循環撈粉后，這種現象可以解除；但在此孔的巖心來分析，強風化帶成為接近20m厚層，且風化程度很高，井壁不斷剝離脫落，循環排粉見效不大。

繩索取工藝的鉆具結構及螺紋連接制式決定了井壁環間隙不能太大，如果鉆孔超徑已造成鉆桿柱彎曲增大而發生脫扣、折斷。故而簡單通過加大鉆頭外徑來擴大井壁環間隙很不現實。

如果繼續采用繩索取心工藝，掃孔至孔底當作技術套管隔離風化帶，在換徑JS77繩索繼續鉆進，則帶有很大風險，一是按此種狀況鉆具很難掃孔至原孔底199m處，有埋鉆的風險；二是假設JS95能掃孔到底，停留孔內當作技術套管，順利完成鉆孔，那么JS95鉆桿柱也很難拔出，增加經濟成本。

穿越強風化帶

圖3　塔兒山礦區強風帶顆粒碎屑

針對厚層強風化帶，以及下部可能出現的多層強風化帶，決定使用普鉆工藝來代替繩索工藝，普鉆工藝的井壁環狀間隙足夠大，不會產生巖屑聚集，缺點是取心效果差，但能滿足地質最低要求即可。為了克制地層坍塌，應加大沖洗液比重，加大液柱靜壓力即對強風化層的支撐力，平衡掉地層壓力，使強風化礦物顆粒不繼續坍塌、剝離。

鉆具級配如下：94mm肋骨鉆頭+73mm巖心管+50mm普鉆鉆桿柱+主動鉆桿。

沖洗液：膨潤土+清水+純堿+羧甲基纖維素+磺化瀝青+腐植酸鉀。

鉆進參數中壓力、轉速盡量取低值，尤其鉆壓不能大，避免引起鉆桿柱彎曲對井壁的機械破壞，泵量稍大，易于攜帶粗顆粒巖屑。

泥漿：比重1.15～1.20g/cm3，粘度≧30s，失水量≤6ml/30min。

經過鉆探工藝的轉換，鉆孔憋泵、抱鉆現象得以排除，可以實現正常進尺，下部孔段繼續使用普鉆工藝，直至終孔。

實踐證明

在不漏失的條件下，通過加大泥漿比重，采取普鉆工藝，可以實現在強風化帶的護壁及鉆進。但也存在一些缺點：普鉆采取率明顯低于繩索，平均采取率約為30%；巖心被沖蝕擾動嚴重；孔壁不平滑，鉆孔軸線接近螺旋狀，給下技術套管帶來難度；泥漿固相含量高，流動性差，易抬高泵壓，且攜帶風化顆粒易造成絮凝（見圖4），流動性更差，含砂量很高，如缺少專業除砂設備，要不斷排放舊漿，補充凈漿。

結語

通過以上塔兒山礦區鉆孔的施工，淺談一下復雜地層的組織設計施工經驗。

首先，收集地質資料及附近鉆探成果，準確預判地層，在本次施工中，因為地質資料匱乏，鉆孔設計模糊，造成了很大困難，鉆孔幾乎在探摸的過程中完成，實際完成的鉆孔與以前的孔身結構設計相去甚遠。

其次，巨厚的風化帶地層很難一次性穿越，巖層破碎、漏水、坍塌、軟硬不均質、易沖蝕，沒有明顯的分層界限，即便采用多級技術套管也很難護壁，如本次施工結果，0——300m全孔段都強風化帶，一次性打穿不現實，分級下套管找不到支撐基巖，容易引起套管向下跑管。所以，需要步步為營，每打一段，就護壁一次，鞏固一段成果，不可盲目追求進度。

圖4　泥漿中攜帶的風化顆粒

在復雜地層中，節理裂隙發育、漏失的層位用水泥漿封孔相對容易實現，候凝時間一定要控制，稍有結石即可掃孔，一旦水泥結石強度較高，極易造成孔心與孔壁硬度差，發生孔斜。

在部分風化地層中，由于風化作用更顯著，巖層性質接近土層，節理裂隙被充填，該層位不漏失，遇水易崩解、坍塌，如果護壁不及時，容易造成超徑、甚至大肚子孔段，孔內靜水位較高，此種狀況下注入水泥漿封堵成功的很少，大部分都因水泥不凝固而失敗。造成水泥漿不凝固的主要原因有：沖洗液的影響（沖洗液和水泥漿的組分和理化性能存在顯著差異，一般二者的化學兼容性較差，只要接觸均存在不同程度的污染，從而造成水泥漿不凝固。）、壓力水的影響、地層礦物化學成份的影響等。而且此類孔段易發生憋泵、抱鉆現象，此時不要用泵強行 開水，而應關泵緩釋壓力，慢慢回轉、上提鉆具解卡。

在復雜地層中，孔各段性質不同，造成的事故現象也各有不同，有時則完全悖反：漏水與涌水、超徑與縮徑、坍塌與空洞等，一種處理措施難以同時滿足全孔段需求，所以應自上而下單獨及時處理各個孔段的問題，最好能用技術套管隔離地層或水泥固化井壁。處理上部層位應該考慮下部地層可能發生的風險，一定要預留下一級口徑防范風險。

復雜地層鉆探施工，應有強大的后勤供應，各種工藝、管材、設備、事故處理工具、泥漿材料、測試儀器都能及時到位，準確判斷、迅速反應、及時糾錯、果斷處理，不做無意義的拖延、等待。同時，鉆場各個崗位應嚴格遵守操作規程，不可因人為因素節外生枝，使鉆孔內部復雜化。

結束語

近年來，鉆探技術的深度研發為處理復雜地層鉆進提供了有力的技術保障，如上述鉆孔實例利用膨脹管技術、繩索反循環技術就可能更高效的解決，但因市場造價等原因不能投入使用。在此，筆者呼吁，營造良好的行業經濟前景和合理的市場格局是鉆探新技術普及的有力保障！

韓棟材

河南省有色地質礦產局第二地質大隊

韓棟材（1978—）男，河南省有色金屬地質礦產局第二地質大隊，工程師，探礦工程專業，從事鉆探技術研究生產工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.030