黑龙江省嫩北农场金铜矿普查钻探施工技术应用

刘立鹏

吉林省有色金属地质勘查局六0三队，吉林 延吉 133000

0 引言

随时科技的进步，钻探技术领域相关理论和技术研究日新月异，黑龙江省嫩北农场金桐矿普查本着理 论与实践相结合，通过普查找矿，为后期圈定矿体范围和评价质量提供直观线索，同时钻探技术为能够适应市场的需要与变革灵活打下长远的基础。

1 工程概况

1.1 勘查区交通位置

黑龙江省嫩北农场金铜矿区位于嫩江县北部门鲁河—嫩北农场一带。嫩江县有至多宝山镇铁路和至多宝山镇、呼玛县的两条公路穿过嫩北农场工作区,交通较方便。

1.2 区域地质概况

工作区位于小兴安岭西坡与松嫩平原过渡地带；大地构造位置属兴安岭－内蒙地槽褶皱区大兴安岭地槽褶皱系罕达气优地槽褶皱带罕达气断褶东、座虎滩凹陷。地质上位于晚元古代新开岭隆起与加里东期岛弧区衔接部和中生代座虎滩火山—沉积盆地西部边缘构造叠合部位；区域成矿上位于罕达气-红叶家铜、金成矿带的西南段。

普查区所处的隆—拗构造叠加部位，由基底和白垩纪火山—沉积盖层构成。

1.2.1 区域构造

大地构造位置属兴安岭－内蒙地槽褶皱区大兴安岭地槽褶皱系罕达气优地槽褶皱带罕达气断褶东、座虎滩凹陷。

区内褶皱、断裂构造较为发育，褶皱见北东向的背、向斜，断裂可分为东西、南北、北东、北北东、北西向。区域上，基底褶皱、断裂、韧性变形构造带以北东向为主，北北东向次之。北东向构造控制了上元古界—下寒武统大网子组（Pt3—Є1d）及古生代岩浆活动，构造形态褶皱、断裂均较发育；北北东向构造控制着嫩北拗陷盆地及白垩系的岩浆活动。南北向、东西向构造以断裂为主。

2 钻探目的和技术要求

2.1 钻探目的

利用前期物、化探勘查手段，对勘查区块内的金、铜矿找矿靶区继续开展普查工作，大致查明工作区地质成矿条件、主要控矿构造带分布规律、矿化蚀变带分布特征。以钻探方法对已经发现的金矿（化）体和重点物探异常进行控制和验证，大致查明矿体数量、规模、形态、产状及品位变化特征，扩大矿体规模。加强成矿规律的综合研究，对该区找矿潜力做出总体评价，为进一步勘查工作提供依据。

2.2 钻探技术要求

必须要基于以下几点要求进行施工，即：（1）岩矿芯钻探、采取率以及岩矿芯管理

在选择钻孔时，其终孔的孔径应高于75 mm。针对矿体、矿化带以及含矿层位来说，采取率必须要超过85%，在顶底板的各3～5米标准内，岩心的采取率应超过75%，对于全孔岩矿芯而言，采取率则需要超过70%。实际上，在施工的过程中，机长负责管理钻孔岩矿芯，在施工完成之后，将其交付于项目小组进行管理。在该项目竣工后，将其运回至岩心库内储存，不可出现减少。

（2）测量钻孔弯曲度

在进行钻探时，或者实现终孔之前，应基于相关的测量规定，对钻孔的顶角以及方位角进行精准测量，进而明确其在深部所处的方位。在对其弯曲度进行测量时，建议在开孔50米进行一次测量，之后可以每100米进行一次测量。与此同时，必须要对弯曲度进行合理控制，应达到每一百米不超过1°钻孔方位角偏斜距离的允许范围不能超过勘探线间距的五分之一。

（3）校正孔深

在进行校正孔深的过程中，应与测斜同步进行，测量钻杆的误差是：1/千。每当钻进一百米或者在重要矿体等应用钢卷尺对钻具进行测量，对其孔深进行验证后所产生的误差不可高于0.001%。所应用的钻具一般均为钢尺，在进行校正时，一般分成两个阶段，即下钻前与提钻后，误差不可高于0.1 m，不然则需要重新操作，若是误差超过0.2 m，则需要了解出现问题的原因，及时改正错误。

（4）简易水文观测

每班在对水位进行观测时，至少要1～2回次。在此过程中，下钻前与提钻后对水位进行测量，间隔为5 min。在钻进时将会面临很多情况，包括涌水、漏水、涌砂以及掉块等，这时候必须要正确计入其深度。

（5）原始资料以及班报表

在进行钻探时所产生的原始记录尤为关键，能够使整个施工流程得到全面反映，同时也是制作地质报表必不可少的重要组成部分，是对生产技术进行分析的基本材料，也可以为今后各项工作的展开提供有力参考。对于原始表来说，应符合以下几项标准，即：及时性、准确性、有效性以及整洁性。必须要在施工现场及时录入，由机长进行签字，完成终孔之后对其进行整理。

（6）封孔

在施工建设期间，若想进行终孔、封孔施工，则需要由相关负责人签订通知书方可开展；完成终孔后，全部所钻孔都应该依照流程而实现封孔处理。在通知书中应明确各个钻孔的封孔段范畴以及技术要求等。

3 施工难点及钻孔情况

3.1 施工难点

（1）地层上部第四系覆盖层较松散，为砂岩、含砾砂岩、泥岩、含砾泥岩、硅藻泥，砾石粒径大小不一，胶结松散，在进行钻进时，极易在砾石层出现坍塌以及漏失的情况，并且在砂土中也容易出坍塌，在粘土中则容易出现缩径套管无法提起等情况。

（2）通过对矿区岩层进行分析，其具有极高的强度与硬度，可钻性级别为10～11级，所具有的石英含量比较高，研磨性相对比较差，在进行钻进操作时，打滑情况十分常见，特别是在钻遇到花岗闪长岩、二长花岗岩、石英岩易出现卡钻等情况。

（3）在进行钻进施工时，如果在蚀变带以及构造破碎带条件下进行，岩石的软度与硬度不均匀，结构的稳定性较差，孔壁出现坍塌现象，极易出现卡钻等情况。

3.2 钻孔情况

根据激电测深异常电阻率高阻确定钻孔施工位置，地质效果向两侧或深部展开，控制矿体延深、产状。直孔钻进，开孔直径110 mm，终孔直径75 mm，开孔倾角90º,设计钻探300～1 000 m。

4 钻进设备及工艺

4.1 钻进设备

通过对该矿区钻孔进行分析后可知，其设计深度一般介于300～1 000 m这一范围内，所应用的钻机是XY-4型（配45kw电动机）和 XY-6B型（配75 kw电动机），XY-4泥浆泵冲洗液泵为BW-125型（配15 kw电动机），钻塔SGX-12.5型钻塔型钻塔，SJ-1绳索绞车，XY-6B泥浆泵冲洗液泵选择应用的是 NBB-260/7 型，钻塔选择应用的是SGZ-23 型，拧管机、搅拌机等。设备组成表见图（表1）

4.2 钻孔结构

（1）0～6.00 m,110 mm钻具施工，下108 mm套管，保证上部地层稳定.

（2）6.00～30.00 m,用91 mm钻具施工，下饱89 mm套管，对含水层以及坍塌区域起到保护作用。

（3）30.00 m-终孔，选择应用S75绳索取芯方法进行处理，饱75 mm钻具施工，钻头成孔。

4.3 钻探工艺

4.3.1 钻机工作原理

岩心钻机基本原理：借助动力机械动力，带动钻具破碎岩石，向地壳钻进的过程。工作区以XY-4为例，钻机基本构成及功用见图（表2）。

4.3.2 钻进参数的选择

（1）钻压的选择

在进行钻进施工时，当钻压提升后，金刚石的磨损量也会随之显著上升。通过对绳索取心钻头胎体壁进行分析后可知，与常规钻头相比要更厚2 mm，所以对于绳索取心钻进环状克取面积来说，与普通的取心钻进显著提升了10%不止。在该孔中，所应用的为孕镶金刚石钻头，基于地层的真实状况进行考虑，正常孔阶段75 mm口径钻压选择为11～14 KN。

（2）钻头参数

在选择钻头时，应基于地层状况考虑，采用直径与胎体硬度符合标准的金刚石钻头，进而提升其应用年限与运行效率。通过对第四系覆盖层进行分析后发现，其可钻性等级相对比较低，所采用的金刚钻头一般为胎体硬度HRC40-50，且粒度大约 50 ，提升其钻探进尺。针对硬度较高的二长花岗岩、花岗闪长岩、石英岩等，岩石具有一定的可钻性，且等级比较高，能够应用的金刚石钻头应满足这一要求，即胎体硬度 HRC25-35、粒度达到80目。胎体的硬度适当，底端则极易出刃，进而使钻进效率得到显著提升。当孔径存在差异时，所应用的钻头直径必须要高于常规直径，通常情况下，在进行操作时，饱115 mm钻头和饱110 mm钻头的适配性比较高；饱104 mm 钻头和饱89 mm 钻头的适配性比较高；饱78 mm钻头与饱75 mm钻头的适配性比较高。对于环状间隙来说，必须要对其进行科学设定，这样一来则可对钻进效率的提升产生有利影响，同时也便于套管下入。从某种程度上来看，也可产生防止孔壁缩径等孔内故障的情况，与此同时起下钻也会更加顺利。金刚石钻头磨损情况分析见图（表3）

表 1 设备组成Table 1 Equipment composition

表 2 钻机基本构成及功用Table 2 Basic structure and function of drilling rig

（3）转速的选择

在进行操作的过程中，转速将会对绳索取心金刚石的钻进速度产生决定性影响，必须要对转速进行合理把控，不管是太快还是太慢，均会产生很多不利因素。针对孕镶金刚石钻头而言，一般其圆周线转速介于1.5～3 m/s这一标准内即可，针对表镶金刚石钻头来说，一般介于 1～2 m/s这一标准内比较适当。结合实际状况进行考虑，这一孔饱75 mm的转速是500～800 r/min饱91 mm 转速则是400～700 r/min.

4.4 冲洗液的配置和要求

4.4.1 适当的密度

在施工期间，如果钻开了地层，地应力将会得到释放，对于孔内冲洗液来说，其在孔壁的压力产生作用，对所钻岩层之前对孔壁岩石的压力产生了取代作用，使地层与之前应力的均衡受到了破坏，导致孔壁四周应力的分布结构发生变化，为了提高地层的稳定性，必须要应用适当的冲洗液而致使孔内冲洗液柱和地层压力之间呈现为均衡状态，进而避免围岩对孔壁产生过多压力，致使坍塌现象出现。

4.4.2 有较好的护壁防砂性能

通过选择应用聚合物低固相冲洗液进行操作后，能够使井壁的稳定性得到显著提升，效果较佳。选用的聚合物具有一定的抑制性，能够对井壁岩粉与粘土的分散与吸水膨胀显著得到有效抑制。若想提高携砂排砂效果，则必须要具备以下几个条件，即：东茄梨比较高、塑料粘度比较低、粘度政正常，其具有多种优势特征，包括润滑性以及流变性较佳等。

4.4.3 冲洗液配置

在应用XY-4型绳索取芯钻，应尽可能选择应用无固相冲洗液或者是清水，尽量防止出现设备内壁结垢的情况。在该矿区中，基岩地层基本上均呈现为单一稳定的状态，并且比较完整，与此同时，也能使钻探进尺的运行效率得到显著提升，大约提升了50%左右。针对破碎以及漏失严重地层而言，可以选择应用低固相冲洗液进行操作，这样的话则能够使孔壁的稳定性得到保障，使漏失量下降，回次进尺长度显著提升，降低了提钻频率，满足绳索取芯液动潜孔锤所需的条件，提高工作效率。

表 3 金刚石钻头磨损情况分析Table 3 Analysis of diamond drill wear

4.4.4 冲洗液的现场维护

冲洗液材料一定要准确计量，冲洗液的使用和维护不好将会造成孔内重大事故。 定时、定人对返浆性能进行认真测试，并及时进行维护处理，有机处理剂要先浸泡依顺序加入，先无机处理剂后有机处理剂，先分子量小的再分子量大的，需要用热水的一定要用热水浸泡，要保证足够的浸泡时间，使处理剂浸泡充分，再用搅拌机充分搅拌。 冲洗液使用过程，要勤测量并认真记录，防止其他液体混入。发现性能不符合要求时要及时调整，应根据地层情况及时调整浆泥或配置新浆液替换、补充，以满足钻进施工需要，但不能随加入清水进行稀释冲洗液，确保冲洗液性能稳定。处理剂存放要得当，防止自然条件和人为原因对冲洗液的侵害，以免处理剂性能发生变化，从而影响泥浆。

5 施工效果

该项目通过前期物化探扫面确定异常区域，通过钻探手段验证异常，设计孔均在各自方向上穿过目标靶点，证实该区域属于破碎蚀变带成矿类型，金赋予破碎蚀变带以及石英脉中。该项目在施工的过程中，各方面均应符合设计规定，实现预期目标，并掌握了该区域钻进参数。

6 结论

在黑龙江嫩北农场矿区在进行普查施工时，选择应用绳索取心冲击回转钻进工艺进行操作，其具有多种优势，不管是钻进时效，亦或者是岩心采取率，均得到了显著提升；岩心拥堵的频率降低，纯钻时间的应用效率提升，明显缩短了辅助时间与项目工期。通过对该矿区进行分析后可发现，其局部岩石具有如下特点，即：致密、坚硬以及可钻性级别比较高等，在选用此种工艺方法后，能够显著延长钻头的应用年限，减少成本费用的支出，具有良好的市场效益，可以在今后的施工中对其进行广泛的推广及应用。

（1）通过进行实践后，不仅积累了钻探工艺的经验与知识，也对今后各项工作的开展创造了有力条件。

（2）对钻孔结构进行升级优化，正确选择套管以及钻头级别，对其下入深度进行合理设定，能够有效提升钻进效率。

（3）应基于不同的地层状况进行充分考虑，科学选择冲洗液与钻头，并且定期进行检验处理，可以使深孔钻进的效果更加明显，在进行操作的过程中，对岩层的变化进行观察时，不但要基于钻孔的加深情况进行考虑，同时也要对冲洗液的配方与类型进行适当调整。

（4）结合当前的发展现状来看，浅表矿产的可采储量越来越少，已经面临枯竭状况，而朝着深部探矿已经成为了大势所趋。所以，对深部找矿的工艺流程进行探讨具有一定的现实意义，也是我们今后研究的重要方向。

（5）在进行施工之前，必须要对施工环境有着细致的了解，明确基本的施工条件，制定合理的工艺流程，严格遵循操作规范，提高工作人员的责任意识，勇于提出问题，并在实践中总结经验，防止在施工期间出现安全事故，这是钻探施工成功的关键。