鉆天山礦區Φ219 mm大口徑金剛石單動雙管鉆探施工技術

蔣 兵, 汪子奇, 周智勇, 汪發文

(1.江西省地質礦產勘查開發局 贛西北大隊,江西 九江 332000; 2.中國地質大學(武漢) 地質調查研究院,湖北 武漢 430074; 3.湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430074)

鉆天山礦區Φ219 mm大口徑金剛石單動雙管鉆探施工技術

蔣 兵1, 汪子奇2, 周智勇1, 汪發文3

(1.江西省地質礦產勘查開發局 贛西北大隊,江西 九江 332000; 2.中國地質大學(武漢) 地質調查研究院,湖北 武漢 430074; 3.湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430074)

在大口徑金剛石單動雙管鉆探施工過程中,為了獲取玄武巖更多的原狀及圓形樣品,采取在原孔位加大口徑至Φ219 mm同心復鉆。選用底噴式鉆頭,設計專用的隔水與返水變徑接頭,提高巖芯采取率;采用長鉆具防斜保直鉆進;采用特制的上下同心橡皮膠圈,導正小口徑測斜儀防斜糾斜;采用與原孔巖芯同深度一起比對循證;保證新孔中心比原孔中心偏離不大。結果表明:重要巖礦段采芯率可達到95%,玄武巖層原狀及圓形樣品滿足地質設計要求。其中兩項新工藝可供類似工程參考借鑒。

巖芯鉆探;大口徑;巖芯采取率;垂直度;測斜

2012年江西省地質礦產勘查開發局開展了江西瑞昌市武山礦區及外圍銅多金屬礦遠景調查,贛西北大隊在鉆天山礦區ZK106-1孔鉆至孔深110 m處,鉆遇志留系泥質粉砂巖地層,鉆取到厚度約1.5 cm的玄武巖巖芯(圖1中黑餅),巖芯送國內及美國權威部門化驗檢定后,發現含有高品位天然金剛石礦物成分,引起了國內眾多地質專家的高度關注。

圖1 ZK106-1孔巖芯照片Fig.1 Photo of ZK106-1 hole core

為了進一步研究查證玄武巖的來源及賦存特征,2013年中國地質調查局南京地調中心決定立項論證。新增鉆探工作量,獲取玄武巖更多的原狀及圓形樣品,以作進一步的研究。于是在原ZK106-1孔周邊施工了4個取芯鉆孔,其中3個孔也許因為鉆孔距離原孔太遠而沒有鉆取到玄武巖巖樣,其中1個孔因巖礦芯采取率不夠而均沒有達到地質要求,最后不得不暫?？辈?。

2013年贛西北大隊向江西省地質勘查基金管理中心提出續作立項申請,繼續開展玄武巖金剛石來源的專項研究。經江西省地質勘查基金管理中心專家委員會專家審批決定:在ZK106-1孔原孔位同中心施工大口徑采樣孔(孔號ZK106-2),鉆孔設計孔深150 m,開孔直徑Φ350 mm,終孔直徑Φ230 mm。

在國內,目前采用Φ219 mm大口徑金剛石鉆具施工的鉆孔均是地質設計上有特殊要求的鉆孔,極其少見,文獻報道不多。即便有少量報道,但多是大口徑金剛石單管鉆具鉆進技術。單動雙管鉆進技術方面的報道更是少之又少,所以沒有經驗可以借鑒。

該孔自2014年10月27日開孔,通過不斷試驗改進,創造性地解決了巖芯采取率低、垂直度不高及測斜不準確的問題。經過精心施工,2015年3月21日順利終孔,巖芯取樣完全滿足地質設計要求。

1 地層情況與地質要求

1.1 地層情況

礦區地層主要為第四系、志留系。志留系為一套淺海相碎屑巖建造,分布于礦段F14線以北,地層產狀:走向呈北東30°～60°,傾向南西,傾角45°。礦區主要地層見表1。

表1 礦區地層表[1]

1.2 地質設計要求

通過查看原ZK106-1孔巖芯,發現在孔深65.00 m以上地層因受到地質應力作用,裂隙發育,巖芯破碎,巖芯采取率60%。因此地質設計要求:孔深<65.00 m時,巖芯采取率要達到80%;孔深>65.00 m時,其他段巖芯采取率要達到100%;保持原巖結構;鉆孔沿原孔ZK106-1軸線延伸;鉆孔開孔口徑Φ350 mm,終孔口徑Φ230 mm。

2 鉆探技術設計

2.1 ZK106-1孔測斜情況

為確保ZK106-2孔成功施工,先對原ZK106-1孔進行透孔鉆探,并采用數字式多點測斜儀進行測斜,測斜間距控制在5～10 m,然后將測斜數據輸入到地質技術人員預先設計好的軟件及MAPGIS軟件平臺,并輸出鉆孔軌跡勘探剖面投影和水平投影。

鉆天山礦區ZK106-1孔測斜數據成果見表2。

2.2 施工技術方案

圖2中大圓為Φ300 mm口徑,小圓為Φ170 mm口徑,左下角小圓為ZK106-1孔Φ91 mm口徑。從圖2可以得出,ZK106-1孔見礦點水平投影偏差∑X=-0.165 m、∑Y=-0.10 m。設Φ91 mm的半徑為r,兩孔中心最大偏心距△s,則有同心最大包絡線圓的半徑為R=r+△s。所以假如在原位同心套孔鉆進,并順著原孔延伸取芯,則巖芯管外徑宜滿足:

R≥0.091/2+(0.1652+0.12)1/2=0.238 mm,即R≥0.238 mm。

考慮到地質巖芯管的標準尺寸因素,經與地質專家協商,采取在原孔位上使用Φ230 mm(取芯管外徑為Φ219 mm)的大口徑金剛石單動雙管鉆具鉆進的方法,并采取防斜保直措施,嚴格控制鉆進參數,以確保鉆孔軸線垂直;并順著原孔延伸,且取出部分原孔巖芯的要求。該方案最后提交給江西省地質勘查基金管理中心專家評審組審查,獲得通過。

表2 ZK106-1鉆孔測斜數據成果

圖2 ZK106-1孔軌跡水平面投影Fig.2 Longitudinal projection of ZK106-1 trajectory

3 鉆探設備選擇

由于大口徑金剛石鉆探對單位來說是頭一次,國內文獻也不多見。為確保鉆孔施工成功,經討論決定選用下列設備與材料:XY-4型鉆機、GXB-1型鉆塔、BW-150型泥漿泵、數字式多點測斜儀、Φ219/Φ156單動雙管鉆具(帶取粉管長4.17 m、6.94 m)、Φ65 mm外絲鉆桿300 m。

4 鉆孔施工

4.1 設備安裝

(1) 基礎硬化:鉆塔底座四角基礎及前后底梁下用C20素混凝土澆筑、找平,基礎平面尺寸為0.7 m×0.7 m,深0.8 m,梁下條基寬0.4 m,深0.5 m,澆筑時采用水平振動板找平。

(2) 鉆機安裝:鉆機安裝完畢,應先后對鉆塔底座、鉆機基座由下向上逐一進行水平校準,符合要求后,再對鉆機立軸、機桿進行垂直度校正,垂直度采用線錘十字交叉校正,符合要求后固定鉆機立軸。

4.2 開孔鉆進與孔口管下入

4.2.1 粗徑鉆具校正

主要校正粗徑鉆具的同心度、垂直度。首先在加工車間地面將鉆具每30 m組合連接擺開,檢查其同心度,看是否在一條直線上。不合格的鉆桿堅決不用,嚴禁進入施工機臺。其次在鉆機施工時將鉆具吊起懸于空中,采用線錘校正四個正交面,確保符合要求[1]。

4.2.2 開孔鉆進

采用Φ350 mm帶外導向硬質合金鉆頭鉆進,鉆進技術參數選用高轉速、微壓力、大泵量。

4.2.3 孔口管下入

孔口管對鉆孔后續施工起導向作用,因此下好孔口管至關重要。打到換徑孔深,先將孔內沖洗液抽干,下入Φ219 mm長鉆具(圖3),用線錘校正長鉆具及機桿的垂直度,符合要求后提出長鉆具,下入孔口管。在長鉆具外上下纏繞兩層兩圈麻繩,下入到孔口管內,合上機桿,提動孔口管并用線錘校正孔口管垂直度,用C20素混凝土澆筑孔口管與孔壁環狀間隙,并搗實固定孔口管[2]。

圖3 Φ219 mm鉆具及校正孔口管Fig.3 Φ219 millimeter drilling tool and calibration orifice tube

4.3 大口徑金剛石鉆進

4.3.1 金剛石鉆頭

志留系泥質砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖屬于軟巖,地層節理裂隙發育,軟硬不均,但研磨性較強。因此在鉆頭選擇上,采用了胎體硬度HRC36,金剛石濃度100%,鉆頭底面為平底型,矩形水槽加底噴式水口熱壓金剛石鉆頭(圖4),鉆頭結構參數:外徑/內徑(Φ230 mm/Φ165 mm),高度247 mm;水口數21個。鉆頭由湖北金地探礦機械有限公司量身定做[3]。

該種鉆頭在鉆進泥質砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖時,進尺較快,時效達到0.5～1.0 m/h。胎體唇面金剛石出刃良好,但外徑磨損較快,影響到鉆頭的使用壽命。

4.3.2 鉆具結構

Φ219 mm大口徑金剛石鉆具結構自上而下:取粉管,長1.50 m,與鉆具變徑接頭處用反絲連接;變徑接頭具有單動機構、過水通道,通過1.70 m長Φ89外絲鉆桿與Φ65外絲鉆桿連接;外管上與變徑接頭連接,下與鉆頭連接;內管上與變徑接頭單動機構連接,下接卡簧座。連接后的鉆具長度為4.17 m、6.97 m兩種。

圖4 Φ219 mm金剛石鉆頭Fig.4 Diamond bit of Φ219 millimeter

4.3.3 鉆進技術參數

根據我們在多個易斜礦區的成功施工經驗,大口徑金剛石鉆進時,采取的鉆進技術參數為高轉速,微壓力,大泵量,即轉速采用三檔,壓力為平時正常鉆進鉆壓1/5～1/6,泵量為150 L/min。卡簧座底部到鉆頭胎體的間隙控制在8 mm以內。長短鉆具的選擇根據地層軟硬、裂隙發育、破碎等情況而調換使用。大泵量有利于提高沖洗液的上返速度,使鉆進時產生的巖粉及時排到孔外,保持孔底干凈,減少重復破碎,提高金剛石鉆頭使用壽命。

4.3.4 巖礦芯采取

由于地質設計要求巖礦芯采取率高,而施工這種大口徑金剛石鉆孔還是第一次,沒有先例。為了確保下部孔段的巖礦采取率達到地質要求,筆者對65.0 m以上孔段巖芯采取率進行了試驗研究。通過試驗研究,對鉆具加以改進和完善,成功地解決了巖礦芯采取率低的問題。巖芯采取率由50%～60%提高到95%以上,尤其是礦層段及其頂底板采取率達100%,原巖結構清晰可見,沒有擾動現象。圖5為巖礦層孔段巖芯照片。

4.3.5 鉆孔測斜

為及時、準確掌握鉆孔的垂直度,以及提高鉆孔測斜精度,對鉆孔施工采取了動態監控。測斜儀器使用數字式多點測斜儀,該種測斜儀對同一點可進行多次量測。測量精度:頂角±0.01°,方位角±2°。測量時,對每個點進行三次量測,測量數據采集為三次數值的平均值。當三次測量的平均值小于三個數據極差值的20%時,取其平均值,當不滿足上述要求時,重新進行測量。同時,在取得測斜數據后,還要與原孔測斜數據、取出的巖芯情況進行綜合分析對比,找出產生測斜數據誤差的原因。測斜間距控制在1.5～5.0 m之間,在淺部或地層完整性較差的孔段,做到每個回次測斜一次;在深部或地層較完整的孔段,測斜間距控制在不超過3.0 m。ZK106-2孔鉆孔測斜數據見表3。

圖5 ZK106-2孔巖礦層孔段取出的巖芯Fig.5 Core of ZK106-2 hole ore-bearing rock

4.3.6 沖洗液

鉆孔口徑大,巖粉顆粒較粗,要求沖洗液具有較高的粘度,較強的巖粉攜帶能力。鑒于此,沖洗液全孔采用高分子聚合物無固相沖洗液,材料為:聚丙烯酰胺(PHP),分子量1 600萬;高粘度羧甲基纖維素(Na—CMC);CORESMART(納米技術生產的高分子聚合物)[4]。每立方沖洗液配比為:PHP∶Na-CMC∶CORESMART=1.5%∶1.0%∶2.0%;沖洗液性能:粘度25～30 s,比重1.03～1.04,失水量<20 ml/30 min,pH值8～9[5]。

5 鉆孔施工難點及解決方法

5.1 施工中存在的主要問題

志留系泥質砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖,裂隙發育,軟硬不均,屬于軟巖系列,65.0 m以上,局部泥化嚴重,有些孔段呈粉砂狀,影響巖芯采取。同時地層傾角較陡,據以往鉆孔施工經驗,鉆孔有“頂層進”的現象。再者,地層因泥化而具有一定的吸水膨脹、失水收縮的特性,影響鉆孔垂直度。

5.1.1 巖礦芯高采取率及保持原巖原狀圓形結構

從多年鉆探施工實踐經驗及技術工藝成熟性的角度來看,金剛石單動雙管鉆進技術工藝是確保巖芯采取和保證原巖結構的最有效的鉆探技術工藝,但在大口徑金剛石單動雙管施工方面實踐經驗少,為此,筆者在國內地質、冶金等系統鉆具生產廠家開展調研,最終僅一家即湖北金地探礦機械有限公司能夠生產Φ219 mm口徑的金剛石單動雙管鉆具。

表3 ZK106-2孔測斜數據成果

5.1.2 鉆孔防斜保直

新老鉆孔中心位移不能相差太遠,必須順著原孔延伸并取出部分原孔巖芯。

5.1.3 大口徑鉆孔測斜

目前市場上使用都是小口徑鉆孔測斜儀器,對小口徑鉆孔來說測斜結果可靠。但大口徑鉆孔測斜如果解決不好,則測斜的誤差會較大,測斜數據失真,不能真實反映鉆孔軌跡空間延伸狀態。特別是如何利用小口徑鉆孔測斜儀器來對大口徑鉆孔進行孔斜測量,并保證測斜數據真實性、準確性和精確度,對鉆孔如何采取施工技術措施具有重要指導意義。

5.2 解決辦法

5.2.1 巖礦芯高采取率及保持原巖結構技術

為確保深65.0 m以下孔段的巖礦芯采取率,經與地質技術人員協商,決定在65.0 m以上孔段開展取芯采取率試驗研究,逐步提高巖芯采取率和原巖結構完整率。鉆孔施工過程中主要采取了以下三方面的措施。

(1) 全孔段(除開孔段)采用Φ219 mm口徑金剛石單動雙管鉆具鉆進,以及長短導向鉆具配合使用。

(2) 保證高標號水泥漿封孔質量。施工開始,有些回次的巖芯采取率50%～60%,與取出的原巖芯對比發現,當取出的巖芯中沒有原孔的封孔水泥心樣(空孔),則巖芯采取率均較低。主要原因是原封孔水泥標號較低,以及未進行清孔和洗孔致使封孔質量差,水泥漿未能固結,強度低,鉆進過程中破碎和起鉆時脫落所致。由于巖芯直徑大,裂隙發育,塊狀巖芯之間擠夾力較小,在起鉆過程中因輕微振動或巖芯自身重力作用下而中途掉落。所以決定對原孔重新進行掃孔、洗孔和清孔,用普通硅酸鹽水泥42.5級水泥進行封孔,鉆孔施工效果理想,巖芯采取率提高到95%[6]。

(3) 改進完善防止沖刷巖芯的專用變徑接頭。地層較松散、破碎孔段,回次巖芯采取率偏低甚至采不到巖芯。主要原因是沖洗液從內管中間流通,對巖芯造成直接沖刷,經檢查鉆頭變徑專用接頭(俗稱腦袋)與上部鉆桿直通,沒有隔水和返水裝置。因此,筆者對鉆具進行了完善,加裝了隔水和返水裝置,完善結構裝置后,巖芯采取率提高到95%以上,原巖結構基本得到了保證,能夠滿足地質要求,試驗基本成功。

5.2.2 鉆孔防斜與保直技術

通過對原ZK106-1孔測斜數據的計算處理,101.87 m在水平面的投影偏差∑X=-0.165,∑Y=-0.100。經計算決定采取鉛直孔施工,鉆孔頂角最大偏斜控制在0.3°以內,方位角控制在180°～210°之間。為此,鉆孔施工采取了防斜與保直相結合的鉆探技術措施。

(1) 防斜措施。一是固基,打牢基礎是鉆孔順利施工的根本保證;二是鉆塔、鉆機安裝要周正、穩固,確保鉆機水平、立軸鉛直;三是一定要下直下正孔口套管,保證孔口管垂直、牢固,起到導向作用[7];四是嚴格操作規程,采用高轉速、微壓力、大泵量的鉆進技術參數;五是加強鉆孔施工的動態管理和監控。做到勤測斜,及時計算和上圖。一方面測斜數據要進行上下孔段對比,另一方面還要與采取的巖芯對照(巖芯柱上有原ZK106-1孔封孔水泥芯樣);六是嚴禁小打大擴,即使用小徑(鉆頭直徑磨損較多)鉆進,大徑(新鉆頭)擴孔。

鉆頭必須排隊使用,防止因新鉆頭擴孔造成鉆孔偏斜。

(2) 保直措施。保直技術措施主要是采取長短鉆具相結合的使用方式。長鉆具的特點是導正性好,有利于保持鉆孔垂直延伸,但孔阻較大、負荷重;短鉆具的特點是孔阻小、負荷輕,但導正性差,巖芯采取率高。視具體情況現場靈活掌握。

(3) 糾斜措施。鉆孔施工過程中在孔深5.0～6.3 m、62.1～63.7 m兩個孔段出現鉆孔偏斜超差,采用向孔內灌注混凝土,封孔候凝72 h后重新用長鉆具鉆進,均取得糾斜成功。

5.2.3 大口徑鉆孔測斜技術

多點式數字測斜儀外徑Φ42 mm,而鉆孔直徑Φ230 mm。為解決大口徑測斜,專門加工了幾個導正圓模。即用20 mm厚的橡膠板在車床上加工成Φ220 mm的圓餅形模子,模子中間加工Φ43 mm的穿心圓眼。兩個圓餅必須疊在一起加工,以保證同心度一致(圖6)。

測斜數據采集。測斜數據表明,鉆孔頂角越小,方位角讀數越混亂,而且相差越大,同一個點每次測斜的方位角數據均不相同。沒有方位角,鉆孔的空間位置也就無法計算,其空間軌跡也就無法確定。因此為確保所采集數據的準確性、正確性,每個測點均進行3次測量。同時還要將測斜數據同所取出的巖芯狀態進行對比,同上部孔段測斜數據進行對比,對存在異議的點要進行重新量測[8]。

經地質技術人員計算確認,在101.87 m處兩個鉆孔中心點之間距離僅80 mm,取樣滿足地質設計要求,樣品送國內外權威部門化驗分析。

6 結論

(1) 加大直徑原位原孔同心鉆進必須透取原封孔水泥心樣,便于后期Φ219 mm大口徑取芯進行比照。

圖6 測斜儀前部示意圖Fig.6 Sketch map at the front of the inclinometer

(2) 大口徑單動雙管鉆具鉆進應選用長鉆具保直防斜鉆進。宜配套底噴鉆頭,同時鉆頭變徑專用接頭(俗稱腦袋)應安裝隔水和返水裝置,避免沖洗液直接沖刷巖礦芯,從而大大地提高巖芯采取率。其平均取芯率可以達到95%。

(3) 小口徑測斜儀應用于大口徑(Φ219 mm)井孔測試,采用上下穿心橡膠圈導向,方法簡單易行,直接了當,安全可靠,能夠保證測斜儀的測斜精度。

綜上所述,二次復鉆巖礦芯采取率高(>95%),尤其是玄武巖目的層圓形及原狀樣滿足地質設計要求,改進效果顯著。

[1] 汪發文,魏鵬飛.金礦巷道倒垂孔特種鉆探的關鍵技術探討與實踐[J].資源環境與工程,2012,26(2):165-167.

[2] 李凌,汪發文,夏彥.廊道高精度垂直鉆孔施工技術[J].地質科技情報,1999(s1):74.

[3] 阮海龍,紀衛軍,沈立娜,等.針對復雜地層金剛石鉆頭的改進與應用[J].探礦工程,2010(1):67-69.

[4] 孫丙倫,陳師遜,陶士先.復雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術探討與實踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(5):13-16.

[5] 吳景華,郝永衛.深部找礦復雜地層鉆進可控護壁漿液研制[J].長春工程學院學報(自然科學版),2012,13(3):42-45.

[6] 周榮書,謝龍誠,王國富,等.RW水泥速凝早強劑在鉆探護壁堵漏施工中的應用與研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(6):7-12.

[7] 聶衍釗,熊青山.經緯儀在測斜中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2000(4):35-36.

[8] 周策,陳文俊,劉一民,等.小直徑測斜儀的應用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(12):29-31.

(責任編輯：陳文寶)

Φ219 Millimeter Large Diameter Diamond Drilling Technology By Means ofDrilling Tool of Single Rotary and Double Tube in Zuantianshan Mine

JIANG BINg1, WANG Ziqi2, ZHOU Zhiyong1, WANG Fawen3

(1.NorthwestJiangxiGeologicalBrigadeBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationinJiangxiProvince，JiujiangJiangxi332000; 2.GeologicalSurveyInstitute,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei430074; 3.HubeiInstituteofUrbanGeologicalEngineering,Wuhan,Hubei430074)

This paper describes Φ219 millimeter large diameter diamond drilling technology by means of drilling tool of water insulation and single rotary and double tube in Zuantianshan mine. In order to get more original state and circular samples of basalt，take concentric drill in the original hole enlarging the diameter to Φ219 millimeter. The authors choose bottom spray type drill bit，design a special adaptor with functions of water-proof and water-return，improve the core recovery,keep the vertical drilling through the use of long drill tool.Using special concentric rubber aprons up and down，control and correction measures of deviation with the centralizer inclinometer , compared with the original hole and the depth of the core, the new hole center deviation compared with the original hole center is small.The results show that boring-core recovery of drilling hole is as high as 95% in important rock seam. The quality of samples of basalt with original state and circular conforms to the geological design requirements.Two new technologies can provide a reference for the similar project

core drilling; large diameter; core recovery; perpendicularity; measuring inclination

2015-11-17;改回日期:2015-12-11

江西省地質勘查基金資助項目(編號:dkjj20130127)。

蔣兵(1964-),男,高級工程師,探礦工程專業,從事探礦工程與巖土工程工作。E-mail:wdkjtj@sina.com

P634

A

1671-1211(2016)02-0231-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.021

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1057.030.html 數字出版日期:2016-03-03 10:57