某礦區深孔鉆探施工技術研究

陳方尤，陳 帥

（廣西壯族自治區地球物理勘察院，廣西壯族自治區 柳州 545005）

1 引言

隨著礦業勘探的不斷深入，淺部勘探已經不能滿足對于深部礦層信息的需求。深孔鉆探作為一種高效且準確的勘探手段，在獲取深部地質信息和優化資源開發方面具有十分重要的現實意義。因此，針對廣西某礦區的深孔鉆探施工技術進行研究，不僅可以為該礦區的資源開發提供有力支持，還可以為類似地質情況下的礦區勘探提供借鑒經驗。

2 地質背景與工程目的

2.1 礦區地理位置與地質概況

廣西某礦區位于南丹縣芒場鎮北面，距離縣城19 km，孔明村附近，隸屬于芒場鎮管轄。交通便利，黔桂二級公路和黔桂鐵路貫穿于工作區的東側，距離南丹火車站17 km，芒場鎮4 km，而孔明村至芒場之間還有便捷的簡易公路相連。礦區地層主要包括石炭系的巴平組、羅城組、黃龍組以及馬平組。工作區整體呈現出一種單斜構造，從東到西依次分布著大埔、黃龍組、馬平組地層。大埔和黃龍組主要分布在工作區的北東部和東部，其巖層傾向在260°～280°，傾角相對較平緩，約為13°～35°；馬平組則主要分布在工作區中西部地區，其巖層傾向在240°～270°，傾角較緩，約為10°～25°。此外，北西向斷裂F1以及北東向F2斷裂也在該地區發育，其中以北西向斷裂F1為主，北東向斷裂被其所切割，斷層破碎帶及兩側的次一級斷裂也較為發育，同時還具有明顯的方解石化特點。

2.2 工程目標與要求

工程目的為鉛鋅礦的詳細勘查。礦區希望通過深孔鉆探，了解礦層的厚度、埋深以及品質等關鍵參數。設計孔深為1 200 m，頂角傾角為90°，并要求巖心采取率不低于70%，礦心采取率不低于80%，以滿足對礦層信息的全面獲取與分析需求。這一目標將有助于為礦區資源的進一步開發和利用提供科學依據，從而促進礦區的可持續發展。

3 設備、材料選取與現場施工布置

3.1 設備、材料選取

（1）鉆機及鉆塔選用。在本次深孔鉆探工程中，為滿足鉆探深度和鉆進要求，選擇了HXY-6B型鉆機和HCX-18型鉆塔進行施工。HXY-6B型鉆機作為主要設備，其鉆孔設計孔深達到1 200 m，鉆孔全孔取心直徑不小于Φ75 mm。這款鉆機具備足夠的動力和穩定性，能夠滿足深孔鉆探的需求。而HCX-18型鉆塔作為支撐設備，能夠支持鉆機的運行，使鉆機能夠在鉆進過程中保持穩定的位置和角度。

（2）泥漿材料與性能測試儀器選擇。由于鉆遇地層復雜多變，對泥漿性能的要求較高。因此，在現場選擇了一系列泥漿材料，并配備了相應的性能測試儀器，以便進行實時監測和調整。泥漿材料主要包括：PHP聚丙烯酰胺、GLUB高效潤滑劑、PVA聚乙烯醇、GLA改性瀝青防塌劑、GPC防塌型隨鉆堵漏劑、LBM-1低粘增效粉、羧甲基纖維素鈉鹽等。這些材料的選擇是基于地質情況和鉆進需要，以保證沖洗液的性能穩定和適應性強。此外，現場還配備了泥漿性能測試儀器，用于對沖洗液的性能進行測定，包括pH值、黏度、密度等參數的監測。通過實時測試和調整，保證沖洗液的性能符合施工要求，從而確保鉆探工程的順利進行。

3.2 現場施工布置

（1）鉆孔場地選擇與準備。鉆孔場地的選擇與準備是保障鉆探工程順利進行的重要步驟。本次工程選擇了農田作為鉆孔場地，具體布置如下：鉆場面積為（10×20） m2。在選定的農田區域，進行了地表平整、雜草清理和場地清掃等準備工作，以確保鉆探設備的穩定擺放和施工的順利進行。

（2）鉆塔基礎構造與設備擺放。為了支撐鉆機的穩定運行，鉆塔基礎的構造和鉆探設備的擺放尤為重要。鉆塔基礎采用混凝土地基，基臺由型鋼地梁組成，分為上下兩層，這種設計能夠提供足夠的穩定性和承重能力，以保證鉆機在施工過程中不會出現傾斜或搖晃現象。在基座的主要著力點下方放置了枕木，以分散載荷并防止地基沉降。鉆探設備擺放在連成一體的基臺上，以確保設備的穩定性。鉆機、鉆塔等設備的擺放位置符合施工要求，使得鉆進作業能夠在穩定的環境下進行。

4 鉆孔結構與鉆進策略

4.1 鉆孔結構設計及參數

在本次鉆探工程中，鉆孔的結構設計以及相應的參數選擇是確保鉆孔的穩定與高效進行的關鍵。工程選擇了要求Φ75 mm的鉆孔口徑終孔，鉆孔設計深度為1 200 m。為了應對不同地層特性，鉆孔采用了多級結構，具體的鉆孔結構設計如下。

鉆孔結構按照Φ150-Φ130-Φ95-Φ77的四級結構進行，根據地層特性和設計要求，靈活選用不同口徑的鉆頭，以實現鉆進的高效和精準。鉆孔的設計結構能夠在不同地質情況下保障鉆進的穩定和巖芯的有效采集采取。此外，鉆進過程中的鉆具選擇、沖洗液體系以及鉆進參數的調整，都是根據實際情況進行的，以保證鉆進的安全和高效。

4.2 不同地層的鉆進方式與鉆頭選擇

鉆進過程中，針對不同地層的特性和巖性變化，選擇合適的鉆進方式和鉆頭，是保證鉆探工程順利進行的關鍵。在研究區域中，地層特性多樣，因此采用了多種鉆進方式和鉆頭選擇策略。

（1）在第四系及殘坡積層中，鉆進過程中遇到了砂質土、含砂黏性土和松散破碎地層。為了保障巖心的采集采取率，選用了Φ150 mm口徑的品字型合金鉆頭進行鉆進，使用了干鉆方式。此種方式能夠較好地應對地層破碎性和顆粒物的產生，保證巖心采集采取的有效性。

（2）在微風化破碎帶中，地層呈現松散破碎特性。因此，選用了Φ130mm口徑的品字型合金鉆頭，同時采用了潤滑型沖洗液。潤滑液的使用有助于降低鉆頭與地層之間的摩擦，保障鉆進的穩定性。

（3）對于鈣質泥巖等完整巖層，選擇了金剛石繩索取心鉆具進行鉆進。由于地層完整，鉆頭磨損情況較為嚴重，金剛石繩索取心鉆具能夠在高硬度地層中保持較好的鉆進效率。

（4）在鈣質砂巖和鈣質石英砂巖地層中，由于地層的堅硬性和存在的擠壓破碎帶，采用了S77金剛石繩索取心鉆具，同時調整沖洗液的成分，增加了銨鹽和改性瀝青防塌劑的含量，以降低失水量并保護孔壁穩定。

（5）對于含鈣石英砂巖、含鈣泥質粉砂巖等地層，根據地層特點選擇了適當的沖洗液體系，并使用S77金剛石繩索取心鉆具。在面對含鈣泥質粉砂巖吸水性強的情況，采用了低黏增效粉和其他添加劑以控制泥漿性能。

5 沖洗液體系與性能維護

5.1 沖洗液體系配制原則

沖洗液在深孔鉆探中起著冷卻鉆頭、清除孔底碎屑、穩定孔壁等重要作用。為了確保鉆進的效率和鉆孔質量，沖洗液的配制需要遵循一系列原則。首先，根據不同地層的特性選擇合適的基礎液體?；A液體通常是水，但在含鈣地層中可以考慮使用含鈣離子的水，以維持地層的穩定性。根據地層的特性和鉆進過程中產生的碎屑選擇適當的添加劑，如黏土、改性瀝青等，以提高沖洗液的黏度和稠度，防止孔壁塌陷。其次，根據鉆進目標和地層的特性選擇合適的沖洗液。對于需要保持巖心完整性的地層，沖洗液的黏度和流變性能需要調整到適當的范圍，以保證巖心的采集采取。而在一些硬巖地層中，沖洗液需要具有較低的黏度，以提高沖洗效率。再次，沖洗液的配制還需要考慮環境保護和安全性。選擇環保型的添加劑，減少對周圍環境的影響。同時，確保沖洗液中的添加劑不會對工作人員的健康造成危害。最后，沖洗液的配制需要根據實際施工情況進行實時調整。在鉆進過程中，根據鉆探速度、鉆孔直徑、地層變化等因素，及時調整沖洗液的配方和性能，以保障鉆探工程的順利進行。

5.2 不同地層沖洗液的選擇及配制

首先，在軟弱泥質地層中，為了穩定孔壁并防止孔底塌陷，通常需要采用高黏度的沖洗液。配制時可以選擇添加適量的黏土和聚合物，以增加沖洗液的黏度和稠度，從而有效地控制孔壁的穩定性，防止地層塌陷對鉆孔質量的影響。其次，在含水量較高的砂礫地層中，沖洗液的選擇應注重沖刷作用，清除鉆孔中的碎屑，防止孔底積聚。常見的沖洗液配方包括水和一些清洗劑，以確保有效地將碎屑帶出鉆孔，保持鉆孔的暢通。

5.3 沖洗液性能維護與調整方法

在施工過程中，維護和調整沖洗液性能的方法如下。

（1）定期性能監測。在鉆進過程中，應定期對沖洗液的性能參數進行監測，包括黏度、密度、懸浮物含量等。通過實驗室測試和現場檢測，確保沖洗液的性能與預期目標保持一致。

（2）添加劑控制。根據實際施工情況，隨時調整添加劑的用量和種類。如果發現沖洗液黏度降低導致地層塌陷，可以適量添加黏土或聚合物來提高沖洗液的黏度；如果沖洗液黏度過高影響鉆進速度，可以適當減少添加劑的用量。

（3）循環與替換。在連續鉆進過程中，沖洗液會逐漸受到地層碎屑和污染物的影響，從而降低性能。及時采取沖洗液循環和替換的措施，可以清除孔底的堆積物，保持沖洗液的清潔度和性能穩定。

（4）pH值調節。沖洗液的pH值會影響到其穩定性和對地層的侵蝕性。需要通過適當的酸堿調節劑來維持沖洗液的pH值在合適范圍內，避免對地層產生不良影響。

6 鉆進過程與技術控制

6.1 鉆進參數的實時調整與監測

通過準確監測和調整鉆進參數，可以保證鉆孔的穩定性、鉆頭的性能和沖洗液的有效性。鉆進參數主要包括以下幾個方面。

（1）轉速和進給速率。鉆進機鉆機的轉速和進給速率是影響鉆頭鉆進效率和鉆孔質量的重要因素。通過實時監測鉆進機鉆機的轉速和進給速率，并根據不同地層的情況進行調整，以確保鉆頭在不同地質條件下都能保持適當的鉆進速度，避免過快或過慢。

（2）沖洗液流量和壓力。沖洗液的流量和壓力對于清除鉆孔底部碎屑、冷卻鉆頭和穩定地層都至關重要。實時監測沖洗液的流量和壓力，可以根據地層的不同特點進行調整，確保沖洗液能夠充分發揮作用，防止地層塌陷和其他問題。

（3）鉆頭類型和尺寸。鉆頭的類型和尺寸應根據地質情況選擇，不同的鉆頭適用于不同的地層。在鉆進過程中，關注實時的地質反饋信息，如果發現鉆頭磨損過快或效果不佳，可以考慮調整鉆頭類型或尺寸，以提高鉆進效率和質量。

（4）沖洗液成分和性能。沖洗液的成分和性能對鉆進過程中的潤滑、冷卻、清潔等起著重要作用。通過實驗室測試和實際應用，可以監測沖洗液的性能，并根據不同地質條件進行調整，以確保沖洗液的配制滿足鉆進的要求。

（5）鉆進壓力和扭矩。監測鉆進機的鉆進壓力和扭矩可以了解鉆頭與地層的相互作用情況。通過實時監測這些參數，可以判斷地層的硬度和穩定性，從而調整鉆進的策略和參數。

6.2 地層異常情況的處理與應對策略

（1）軟弱地層處理。當鉆進機在軟弱地層中遇到困難時，可以適當降低進給速率和轉速，以避免過快造成卡鉆或地層塌陷。在特別軟弱的地層，可以考慮使用擴孔器或鉆進套管來增加孔的穩定性，同時通過調整沖洗液的性能來提高冷卻和潤滑效果。

（2）巖層變化應對。在地層巖性變化較大的情況下，鉆頭可能會因為不同硬度的地層而磨損或失效。此時，可以根據地層巖性變化的情況，選擇合適的鉆頭類型和尺寸，并適時更換鉆頭。同時，針對不同地層特點，調整鉆進參數，保持穩定的鉆進過程。

（3）水涌涌水處理。鉆進過程中可能遇到水涌涌水現象，這可能會影響到鉆進機的穩定性和沖洗液的效果。在發生水涌涌水時，可以通過增加沖洗液流量和壓力來排除孔底的水，確保鉆進工作不受阻礙。同時，應及時調整鉆進參數，防止因水涌涌水引起的地層塌陷等問題發生。

（4）卡鉆處理。當鉆進機卡鉆時，應停止鉆進，避免強行操作導致設備損壞?？梢圆捎梅崔D鉆桿、提升鉆桿等方法來解除卡鉆。在遇到復雜卡鉆情況時，應根據實際情況考慮采用專業救援設備和技術。

7 結語

文章結合某礦區深孔鉆探施工技術進行了全面深入的研究，為實際工程施工提供了有力的技術支持。在今后的深孔鉆探施工中，需要充分考慮地質背景、合適設備與材料的選取、鉆孔結構與鉆進策略的制定、沖洗液體系的合理應用，以及地質異常情況的應對策略，以確保施工安全高效地進行。