小秦岭金矿田2000 m深孔钻探技术

曾石友, 杨宽才, 蔡记华, 孔二伟

(1.河南省地矿局第四地质勘查院，河南郑州 450001； 2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)



小秦岭金矿田2000 m深孔钻探技术

曾石友1, 杨宽才1, 蔡记华2, 孔二伟1

(1.河南省地矿局第四地质勘查院，河南郑州 450001； 2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉 430074)

本文以小秦岭金矿田深部探矿项目ZK8302为背景，从钻孔结构、钻探设备(钻机、泥浆泵、钻具组合及钻头等)优选、深孔钻进规程参数、冲洗液和新技术新机具等方面对钻探技术进行了介绍。该钻孔积极探索了绳索取心液动潜孔锤技术，同时采用绳索取心钻杆液压钳、塔上塔下视频监控和多个起钻接头等新技术，大大降低工人的劳动强度，提高了钻探效率。该钻孔实现了河南省小口径岩心钻探金矿勘查孔深2000 m的突破，取得了良好的经济效益和社会效益。

小秦岭金矿田 深部钻探 绳索取心液动潜孔锤 视频监控 液压钳

Zeng Shi-you, Yang Kuan-cai, Cai Ji-hua, Kong Er-wei.Drilling technologies at the 2000m-deep hole in the Xiaoqinling gold field [J].Geology and Exploration, 2015, 51(1):0175-0180.

1 前言

深部钻探可以为岩石学研究提供来自地球深部的岩石样品(张晓西等，2013)，以满足地学研究或矿业公司可持续发展的需求。近几年国内深孔数量不断增加，岩心钻探深度记录也在不断被打破(胡郁乐等，2014)。云南腾冲火山地热构造带科学钻探孔(吴烨等，2013)、汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔(朱恒银等，2012)、西藏罗布莎科学钻探孔(陈师逊等，2012)、赣州科学钻探NLSD-1孔(朱恒银等, 2014)和山东莱州“中国岩金第一钻”ZK96-5(陈师逊，2013；孙建华等，2013)的终孔深度分别为1222.24 m、1502.3 m、1883.79 m、2967.83 m和4006.17 m。

小秦岭金矿田是我国主要的产金地区，横跨豫陕两省，东部位于河南省灵宝市境内。大地构造位置属华北地台西南缘的华山台穹。石英脉型金矿是小秦岭地区最主要的金矿类型，共有1000余条含金石英脉，矿床严格受构造控制，具有厚度小、品位高，易采、易选、易冶等特点，是我国三大原生成矿带之一，金储量和产量仅次于胶东，占第二位(张进江等，2003)。国务院办公厅颁布的《找矿突破战略行动纲要》(国办发[2011]57号)中明确提出了“在胶东、小秦岭等金资源富集区加强深部找矿”的要求，为小秦岭深部找矿提供了政策指引和有利保障。小秦岭金矿田深部探矿项目是河南地矿局整合勘查重点项目，该项目设计钻探工作量约25000 m，平均设计孔深超1000m。ZK8302设计孔深1750m，设计倾角90°。该孔于2012年3月28日开钻，于2012年10月3日终孔(期间由于设备调试及干旱缺水耽误46天)，终孔深度为2018.86 m，终孔口径77 mm，创造了河南省小口径岩心钻探金矿勘查新纪录。

2 地质概况

小秦岭地区经历了长期的构造变形变质作用，区内褶皱、断裂构造极为发育，晚期沿韧性剪切带活动的压扭性断裂内有含金石英脉充填，并有热液交代构造岩或围岩成蚀变岩型金矿石。0～1.80 m为第四系浮土层及风化破碎层；1.80～2018.86 m地层岩性主要有：角闪斜长片麻岩、混合片麻岩、绿帘石化黑云角闪斜长片麻岩、蛭石层、黑云角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩、角砾及条带混合岩、石英岩，其中386.5～468.6 m孔段有3层蛭石，易出现坍塌、掉块、膨胀等孔内复杂情况。

3 钻探设备

在国内，山东省第三地质矿产勘查院设计出塔式复合钻杆和同径复合钻杆，在山东莱州三山岛矿区4000 m 深孔中，取得了良好的应用效果(陈师逊等，2014)。结合ZK8302的实际情况，本次选择的钻进设备和机具为：张家口探矿机械厂生产的XY-6B型岩心钻机(钻机能力为1500～2000 m，Ф75 mm口径)、SGZ-23型钻塔、衡阳探矿机械厂生产的BW-250型泥浆泵、苏州市苏新探矿工具厂有限公司生产的SJ96mm、SJ75mm绳索取心钻具及中国地质科学院勘探技术研究所生产的SYZX96mm、SYZX75mm液动潜孔锤绳索取心钻具及总成(孙建华等，2011)。另配BW300/16型泥浆泵、自制0.5 m3泥浆搅拌机。

在施工前期(554 m以浅)选用HXY-6钻机，由于设备老化等原因，后改为XY-6B钻机，工期主体使用XY-6B钻进；孔深超过1650 m后因泵压过高(超过9.2 MPa，导致BW250型泥浆泵曲轴连续断3次)，后改用BW300/16型泥浆泵。

4 钻孔结构

根据地质设计要求、地层特点、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、冲洗液、护壁堵漏措施和设备能力等因素情况，确定该孔的钻孔结构如表1所示。

表1 ZK8302钻孔结构

5 钻进技术

5.1 钻进工艺及管材选择

根据地质情况和设备工艺等条件，ZK8302孔选择SYZX液动潜孔锤绳索取心及SJ系列绳索取心钻进工艺(朱金凤等，2008；蒋光旭等，2010；卢予北等，2012；卢予北，2014)。SYZX96液动潜孔锤绳索取心使用范围是7.5～882.09 m；SYZX75液动潜孔锤绳索取心使用深度范围为974.66～984.13 m、1105.39～1640.37 m和1779.07～1818.89 m。绳索取心钻杆选用苏新探矿工具厂生产的SJ系列钻杆，材质为XJY850(艾春娟，2005)。

5.2 钻进工艺

开孔采用Ф130 mm金刚石单管钻进，钻至15.16 m处遇较完整岩石，因孔内漏水严重且上部坍塌，下入第一层Ф127套管护壁；后采用Ф110 mm金刚石单管钻进至19.16 m处遇完整岩石，下入第二层Ф108套管；再换SYZX96液动潜孔锤绳索取心钻进至882.09 m。这一孔段地层较完整，但冲洗液全部漏失，采用顶漏方法钻进。为了提高钻进效率，经现场技术人员对岩心的分析，决定换用SYZX75mm绳索取心钻进，选用塔式钻柱结构(主动钻杆+SJ89绳索取心钻杆+SJ71绳索取心钻杆+ SJ75钻具)，钻进至1327.68 m时考虑到钻柱重量问题，将塔式钻柱结构更换为同径式(主动钻杆+SJ71绳索取心钻杆+ SJ75钻具)。孔深1818.89 m时因泵压过高(超过9.2 MPa)，导致液动潜孔锤钻具的冲击阀连续变形不能正常工作，换普通SJ75绳索取心钻具钻进至2018.86 m。

5.3 钻进规程参数

金刚石钻进参数的选择应主要考虑设备机具能力和实际需要。在设备性能允许的情况下，尽量采用高参数。实际施工中采用的钻进参数见表2。

表2 ZK8302各孔段钻进规程参数

5.4 冲洗液

在山东莱州地区蚀变岩型金矿钻探中，套管和部分水解聚丙烯酰胺无固相冲洗液组合护壁技术取得了较好的应用效果(孙丙伦等，2008)。根据ZK8302的地质资料，我们预先优选出了18种钻井液配方，以满足可能钻遇不同地层时的需求，然后根据实际施工地层灵活选用和调整。

ZK8302钻孔钻进过程中，因开孔地层较为完整，从经济成本和使用方便方面来考虑冲洗液的类型，尝试使用无固相钻井液体系，即“清水+聚丙烯酰胺+06型荧光高效润滑剂”。聚丙烯酰胺起携带岩屑，防止岩屑淤积于孔底导致重复碎岩；润滑剂主要成份为软脂酸、硬脂酸等脂肪酸盐类阴离子表面活性剂，润滑效果良好，按水:润滑剂=1000∶12的比例混合，通过搅拌罐加入水和润滑剂，直至搅拌均匀，送入循环池。

无固相钻井液的使用，有利于绳索取心液动潜孔锤的工作和绳索取心工艺优势的发挥，并保证了孔底钻具的寿命。

5.5 金刚石钻头和扩孔器

ZK8302采用SJ96mm、SJ75mm和SYZX75mm绳索取心金刚石钻头和扩孔器。为提高钻进效率，我们适当加大了选用钻头和扩孔器的外径，增大环状间隙，以减少循环阻力；同时选择适合本矿区地层的钻头参数，取得了很好的效果。

SJ96mm绳索取心钻具选用的金刚石钻头外径96mm，扩孔器外径97mm。钻头参数：金刚石品级JR6，粒度46～80目，浓度100%；胎体硬度HRC35～40，水口10个，唇面为梯齿式；SJ75mm和SYZX75mm绳索取心钻具选用的金刚石钻头外径77 mm，扩孔器外径78 mm。钻头参数：金刚石品级JR6，粒度46～80目，浓度100%；胎体硬度HRC30～40，水口10个，唇面为同心圆尖齿形(谭刚，2010)。

该孔累计使用金刚石钻头34个(Ф130 mm钻头1个，Ф110 mm钻头1个，Ф96 mm钻头15个，Ф77 mm钻头17个)，Ф96 mm钻头平均寿命58.47 m，最长寿命120.49 m；Ф77 mm钻头平均寿命64.90 m，最长寿命138.7 m。孔深1400 m后钻头寿命和时效对应关系见图1。

图1 钻头寿命和钻速与孔深对应关系图Fig.1 Drill bits’ life and drilling speed versus borehole depth

5.6 提高钻进效率的技术措施

(1) 孔底磨钻头。选用直径10 mm左右的石英砂20～25粒投入孔内，转速为95～249 r/min，钻压比正常钻进略大，时间在30 s左右，然后不停车把钻具提离孔底，如此反复4～5次即可。通过“磨粒”对钻头胎体的磨损，可以提高和加快金刚石出刃率，从而提高钻头切削孔底岩石的能力，提高钻进效率。

(2) 合理选择金刚石钻头，提高钻进时效。根据施工矿区岩石物理力学性质，开展高胎体长寿命金刚石钻头的试验，在提高钻头寿命方面取得明显效果，钻头最长寿命超过138 m，平均钻头寿命达63 m。

(3) SYZX系列液动潜孔锤绳索取心技术应用。在孔深7.5～882.09 m、974.66～984.13 m、1105.39～1640.37 m和1779.07～1818.89 m的孔段，使用SYZX系列液动潜孔锤绳索取心技术。将SYZX系列液动潜孔锤绳索取心钻具略作改动，与SJ系列绳取钻杆相匹配。使用SYZX系列液动潜孔锤绳索取心钻进技术，施工效率明显提高。根据现场的统计数据分析：不使用液动潜孔锤时，各钻头的平均时效为1.30～1.35 m/h之间；使用液动潜孔锤时，各钻头的平均时效为1.50～1.55 m/h之间(见图2)，其中1779.07～1818.89 m孔段钻头的平均时效为2.26 m/h，个别回次达到4.48 m/h(图3)，平均提高时效15%～20%。

图2 孔深-钻头平均钻速对应柱状图Fig.2 Histogram of average drilling speed vs borehole depth

图3 孔深-钻头平均钻速对比图 (1779.07 m～1818.89 m孔段)Fig.3 Comparison of average drilling speed and borehole depth (section 1779.07～1818.89 m)

(4) 新技术与新机具的应用。ZK8302全程采用SQ114/8型绳索取心钻杆液压钳，不仅能降低工人的劳动强度，还能改善钻杆接头部分的受力情况，对钻杆保护作用增加，有效提高钻杆的使用寿命。与人工拧卸钻杆相比效率能提高30%以上。

在国内，智能化多功能钻参仪系统已在山东莱州、甘肃金川、云南腾冲和安徽铜陵等多处科学钻探现场得到了成功的应用(罗光强等，2014)，这也是科学(深部)钻探发展的趋势之一。为此，我们在ZK8302钻孔安装了BS-863A型闭路监控摄像机，其夜视有效距离达25～35 m，其优良的防水设计，适用于矿区及较潮湿的环境；使用该监视设备，可实时监控泥浆池、蓄水池的水量、钻进机场以及塔上的情况，该系统还配备存储装置，以便在后期对钻进过程进行分析。塔上塔下视频可视化操作及专用起钻接头的引进应用，降低工人的劳动强度和保证起下钻的安全，起下钻效率能提高25%以上(图4给出该钻孔的计划月进尺与实际月进尺对比情况)。

图4 ZK8302月进尺对比图Fig.4 Comparison of monthly footage of the borehole ZK8302

(5) 严格控制钻进规程参数。绳索取心金刚石钻进时钻杆与孔壁环状间隙小，冲洗液循环阻力大、泵压高，起上下钻容易使孔内产生“激动”和抽吸作用，引起孔壁造失稳，造成孔内事故。因此，严格遵守钻探操作规程，也是提高钻探效率的重要措施之一。

6 钻孔质量

ZK8302终孔孔深2018.86 m，岩矿心采取率97.23%，矿心采取率98.94%，钻月效率244.7 m/钻月，台月效率423.51 m/台月，平均小时效率1.37 m/h。岩矿心采取率97.23%，满足地质要求。

图5 ZK8302三维轨迹图Fig.5 3D borehole trajectory of the borehole ZK8302

采用STL-1GW无线存储式数字陀螺测斜仪，按《地质岩心钻探规程》及地质设计要求进行孔斜测量。终孔测量数据为测深2015m，顶角3.6°，方位角87°。钻孔弯曲度符合地质设计及规程要求。根据ZK8302的顶角和方位角测试数据绘制的钻孔三维轨迹图(见图5所示)。其他质量指标均符合要求。ZK8302孔经综合验收为一级孔。

7 结论

(1) ZK8302实现了河南省小口径岩心钻探金矿勘查2000m的首次突破，取得了良好的经济效益和社会效益；

(2) 积极探索“液动潜孔锤+绳索取心”二合一工艺技术，保证了钻孔质量，同时试验了深孔钻进中液动潜孔锤的工作状态，积累了丰富的施工经验；

(3) 积极引进应用新技术与新机具。在ZK8302钻孔施工过程中采用塔上塔下视频可视化操作、多个起钻接头和绳索取心钻杆液压钳等新技术，不仅降低工人的劳动强度，提高了钻杆寿命，还大大提高了钻探效率。

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Drilling Technologies at the 2000 m-Deep Hole in the Xiaoqinling Gold Field

ZENG Shi-you1, YANG Guan-cai1, CAI Ji-hua2, KONG Er-wei1

(1FourthGeologicalExplorationInstituteofHenan,Zhengzhou,Henan450001; 2SchoolofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074)

Based on the deep drilling project in the Xiaoqinling gold field, this paper introduced the drilling technologies of the deep hole ZK8302 (over than 2000 m) covering borehole structure, drilling equipment (including drilling rig, mud pump, downhole assembly and drilling bits), drilling parameters of the deep hole, drilling mud and other new techniques and drilling tools. At this deep hole, the project explored the new technologies including the hydraulic DTH hammer plus wire line coring, hydraulic clamp for wireline coring, and the video supervisory control system covering the whole of the derrick and drilling joints. These technologies reduced the labor intensity and improved the drilling efficiency to a great extent. Furthermore, for the first time, the depth of small diameter core drilling exceeded 2000 m in the gold fields of Henan Province. As a whole, this project achieved great economic and social benefits.

Xiaoqinling gold field, deep drilling, hydraulic DTH hammer plus wire line coring, video supervisory control, hydraulic clamp

2014-07-17；

2014-11-24；[责任编辑]郝情情。

国家自然科学基金项目(编号：41072111)、中央高校科研业务费项目(编号：CUG120112、CUG130612)。

曾石友(1973年- )，男，1994年毕业于昆明地质学校，高级工程师，从事岩心钻探、水文水井钻探等技术与管理工作。E-mail: 13839881018@163.com。

TE24

A

0495-5331(2015)01-0175-06