句容市大华山—西银坑矿区岩芯钻探施工技术

徐日勇，杭 程

（江苏省有色金属华东地质勘查局江苏华东地质工程有限公司，江苏南京210007）

1 概述

大华山—西银坑矿区从1962年开始勘探，经过多年数次的勘探工作，获取了铜锌铁等金属矿体及硫等非金属矿体若干，随着我国工程建设的需要，对铜锌铁等金属及硫等非金属的需求不断增加，对该矿区持续有效的勘探工作势在必行；我单位通过招投标承接了句容市大华山-西银坑铜多金属矿普查项目的岩芯钻探工作，除从招标文件及施工现场踏勘获取的岩芯钻探施工所需的信息外，施工项目部又对该矿区前期的岩芯钻探施工资料进行了收集，通过分析及研究，寻找出该项目的施工难点，运用先进的钻探施工设备、合理的钻探施工工艺、有效的冲洗液配置等手段，使项目得以顺利实施，为今后在该区域岩芯钻探施工提供借鉴。

2 矿区地质情况

2.1 矿区地层

矿区内分布的地层为志留系坟头组至三叠系青龙群，以及新生界第四系，地层由老至简详述如下：

（1）志留系：坟头组为黄绿色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，夹薄层状细粒石英砂岩；高家边组为灰绿色粉砂质泥岩。

（2）泥盆系五通组：为灰白色厚层状含砾石英砂岩、砾岩；灰白色厚层状细粒石英砂岩夹少量砂质页岩、粉砂岩；黄灰色粉砂岩、粘土岩夹石英砂岩、灰质页岩，局部有透镜、瘤状褐铁矿。

（3）石炭系：黄龙组上部为灰白、肉红色厚层纯灰岩，生物碎屑灰岩，下部为粗晶灰岩、硅质岩；高骊山组为砂岩、页岩、泥岩；和洲组为灰黄色厚层状泥质白云岩。

（4）二叠系：龙潭组为黑色炭质、砂质页岩、泥质页岩、浅灰色薄层状长石石英砂岩夹透镜状灰岩；栖霞组为块状沥青质灰岩，夹生物碎屑钙质页岩，硅质岩夹透镜状灰岩，厚层状灰岩，结核状、透镜状、条带状硅质岩体、碎屑泥灰岩夹钙质页岩，薄层状硅质岩夹透镜状灰岩。

（5）三叠系：为中下统青龙群地层，上青龙群为薄—中层状灰岩，泥质灰岩、泥灰岩；下青龙群由块状、中层状灰岩和页岩、泥岩夹薄层状灰岩组成。

（6）第四系：由砂岩、少量灰岩碎块、棕色亚粘土及植被组成。

2.2 矿区构造

（1）褶皱构造：矿区位于东西向背斜南翼，地层总体向南陡倾。

（2）断裂构造：纵向断裂构造走向近东西向，随褶皱而生成，长约8km，产于泥盆系五通组顶部和二叠系栖霞组灰岩之间，断层面倾向南，倾角80°～88°，局部向北倾，倾角较陡。该类断层在地表的迹象不明显，但深部经钻探验证该类断裂是存在的；横向断裂构造北西向和北北东向，在地貌上表现为一大的冲沟，地层沿走向有错开不连续现象。

（3）接触带构造：东培山至猴子石一带存在大面积的志留系地层与岩体的接触带，以及岩体中大量捕掳体的接触带。

（4）岩体边部微裂隙构造：岩体边部的微裂隙构造较为发育。

2.3 矿区岩浆岩

（1）侵入岩：本区域岩浆岩侵入体有斑状花岗闪长岩—花岗闪长斑岩和二长花岗斑岩2种。

（2）脉岩：本区域主要脉岩有石英闪长斑岩、角闪闪长玢岩、石英二长斑岩、闪长细晶岩、斜长霏细斑岩、钠长斑岩、拉辉煌斑岩、闪斜煌斑岩、花岗岩等9种。

通过以上地质资料的收集可以看出，本矿区岩芯钻探施工中将钻遇到的主要坚硬岩石包括：斑状花岗闪长岩—花岗闪长斑岩等及石英闪长斑岩、石英二长斑岩等，由于该区域褶皱构造、断裂构造、接触带构造等构造现象的存在，同时叠加钾化、青磐岩化等蚀变现象，在岩芯钻探施工中将可能出现岩石坚硬，断裂或接触带构造产生的地层破碎漏失、缩径坍塌，地层倾角较陡产生的钻孔顺层跑斜等岩芯钻探施工难题。

3 钻孔技术及质量要求

3.1 岩矿芯采取率

全孔取芯，岩芯平均采取率达到75%以上，矿芯和近矿围岩平均采取率应达到80%以上，矿芯单回次采取率不小于80%。

3.2 钻孔弯曲度与测量间距

设计或实测钻孔顶角不大于3°时，每钻进100m测一次顶角（不测方位角）；顶角大于3°时，每钻进50m测一次顶角和方位角，直孔施工每钻进100m顶角偏斜不应超过2°，斜孔施工每钻进100m顶角偏斜不应超过3°。

3.3 孔深误差测量与校正

每钻进100m测孔深一次，进、出矿层、下套管前和终孔后必须进行孔深校正。

3.4 钻孔结构

终孔孔径应不小于∅75mm。

4 钻探施工难点

（1）岩石的差异性，矿区内除正常地层序列的岩石外，可能还有花岗闪长岩—花岗闪长斑岩等侵入岩浆岩及石英闪长斑岩等脉岩的存在，同时具有褶皱、断裂及接触带等构造现象，使岩芯钻探施工钻遇的岩石出现较大的差异性。

（2）地层的破碎漏失性，在该矿区地层的断裂和不整合接触带部位，极有可能地层呈现破碎状态，地层中的泥盆系五通组石英砂岩、砾岩等有较好的透水性，石炭系黄龙组的灰岩有可能出现溶洞现象，使岩芯钻探施工中的冲洗液出现大面积的漏失。

（3）地层岩石的膨胀性，在该矿区地层有可能出现石炭系高骊山组的页岩、泥岩，二叠系龙潭组的砂质页岩、泥质页岩等，该类型岩石具有遇水膨胀的现象，使岩芯钻探施工中出现缩径坍塌现象。

（4）地层的陡立性，产于泥盆系五通组顶部和二叠系栖霞组灰岩之间的纵向断裂构造，倾角较陡，使岩芯钻探施工中出现钻孔跑斜现象。

（5）岩石的坚硬性，矿区内花岗闪长岩及花岗闪长斑岩的岩浆岩侵入体及石英闪长斑岩及石英二长斑岩的脉岩，其硬度分别达到9～10及8～9，使岩芯钻探施工中出现进尺速度慢、钻头扩孔器消耗较快的现象，矿区内坚硬岩石主要机械物理性质一览表见表1。

表1 矿区内坚硬岩石主要机械物理性质一览表

5 钻探施工工艺

5.1 施工设备

钻机选用北京天和众邦勘探技术有限公司生产的CSD-1800型全液压动力头式岩芯钻机，CSD-1800型全液压动力头式岩芯钻机的主要性能参数见表2。

表2 CSD-1800型全液压动力头式岩芯钻机主要性能参数表

泥浆泵选用衡阳中地装备探矿工程机械有限公司生产的BW-250型三缸单作用往复活塞泵，BW-250型三缸单作用往复活塞泵的主要性能参数见表3。

5.2 钻孔结构及钻进方法

基于该地区以往岩芯钻探施工经验的了解及本次钻孔技术及质量要求，结合上述钻探施工难点的分析，本次岩芯钻探施工钻孔采用三开钻孔结构，钻孔结构设计图见图1，钻进方法主要采用金刚石绳索取芯钻进工艺。

表3 BW-250型三缸单作用往复活塞泵主要性能参数表

具体施工方案包括：

（1）一开，采用∅117mm单管合金钻进方法开孔，穿过第四系（表土）覆盖层（0～10m左右），下入∅114mm井口套管并进行止水工作；

（2）二开，利用∅95mm金刚石绳索取芯钻进技术穿过破碎带至完整基岩（10～50m），下∅89mm套管；

（3）三开，选用∅76mm金刚石绳索取芯钻进技术钻至终孔。

5.3 钻具及钻头

钻具钻头依据施工顺序由上往下选用方案如下：

（1）第四系（表土）覆盖层，采用∅114mm单管钻具及∅117mm合金钻头；

（2）破碎地层，采用∅95mm系列钻具及孕镶金刚石绳索取芯钻头；

（3）花岗闪长玢岩及石英闪长斑岩等基岩地层，采用∅76mm系列钻具及孕镶金刚石绳索取芯钻头；

孕镶金刚石绳索取芯钻头可选用40～60目，浓度为100%，HRC25°～35°高胎体长寿命孕镶金刚石钻头，可减少提钻次数，增加提钻间隔，降低辅助时间，提高生产效率。

5.4 钻进参数

根据不同的地层条件及施工口径选用不同的钻进参数值，并根据现场的实际情况加以调整，不同施工口径的钻进参数详见表4。

表4 钻进参数表

5.5 冲洗液

根据该矿区地层特点及以往岩芯钻探施工经验的了解，本次钻孔技术及质量要求，岩芯钻探施工难点的掌握，冲洗液配置方案如下：

（1）一开、二开（第四系覆盖层及破碎带）采用低固相冲洗液系统，选用优质膨润土并加入纯碱、Na-CMC等添加剂的配方，其作用主要为保护孔壁，防止孔内漏失、缩径等孔内事故隐患的存在，其性能控制为：粘度20～30s，pH值8～9.5，密度1.05～1.08g/cm3。

（2）三开（花岗闪长玢岩及石英闪长斑岩等基岩地层），采用无固相冲洗液系统，在清水中加入适量PAM、纯碱及润滑剂等添加剂的配方，其作用主要为悬浮岩粉、保护孔壁、润滑钻具等，其性能控制为：粘度为18～20s，pH值为7～8.5，密度为1.03～1.05g/cm3。

6 主要施工难点技术措施

6.1 破碎漏失地层

针对该类型地层可采取的方法为：如地层位置位于钻孔的浅部时，可根据地层破碎程度采取扩孔下套管法或水泥浆封孔法，待处理结束后扫孔继续施工；如地层位置位于钻孔深部时，可考虑配备低固相冲洗液，在选用优质膨润土的基础上，添加高浓度聚丙烯酰胺1%+锯末屑等添加剂方案或着腐植酸钾10%+植物胶10%+纯碱1%等添加剂方案，可以达到较好的护壁效果。

6.2 缩径坍塌地层

该类型地层关键在于防止地层岩石的水化作用，可考虑要使用固相冲洗液并配备适当的添加剂进行施工，达到保护孔壁、防止水化作用，从而避免发生地层缩径坍塌现象。

6.3 钻孔跑斜地层

针对该类型地层可采用绳索取芯钻进工艺，因钻具钻杆与其钻孔孔壁的环状间隙较小，使其具有较好的导正作用，同时还应采取以下措施，防止钻孔跑斜现象的发生。

（1）加强机台生产技术管理，增强工作人员责任心；严格执行各项规章制度，遵守施工方案及操作规程，杜绝违章作业。

（2）当出现绳索取芯钻杆磨损大于1mm，螺纹副出现旷动，螺纹磨损出现严重裂纹，钻杆体偏磨严重等现象时，则严禁下入孔内。

（3）提下钻要平稳，合理控制速度，提钻过程应及时回灌，特别是在断层、接触带等构造存在及岩层破碎的孔段更应引起重视，当孔深超过500m时下钻应使用水刹系统。

6.4 坚硬岩层

该类型地层主要是由于钻头胎体硬度不适合刻取岩石，钻头金刚石不出刃等现象而产生的，针对该种现象可采用硫酸烧或打磨钻头胎体、孔内投入磨料等技术手段加以解决。

7 结论及建议

句容市大华山—西银坑矿区岩芯钻探项目共施工钻孔5个，累计进尺2740m，岩芯钻探施工质量、安全、环保等各项指标均达到地质设计及相关要求，取得的在该地区岩芯钻探项目施工的经验，探索出类似地区有针对性的项目实施方案，通过对先进钻探施工设备的使用、钻探施工工艺技术的实施、有效的冲洗液配置的运用等手段，使项目得以顺利实施，为今后在类似区域岩芯钻探施工提供借鉴，同时提出以下建议供同行们共同探讨：

（1）对于漏失量中—大的钻孔，可加大冲洗液浓度直接从孔口倒入孔内，再利用泥浆泵送至漏失处进行封堵，也可考虑采用水泥封孔或下入套管（飞管）等措施。

（2）钻进参数的选择上，应充分考虑地层的特点及各个参数间的匹配关系，结合不同的岩石进行灵活应用。

（3）在解决坚硬岩石问题上，除使用上述的技术方法外，也可试用“绳索取芯液动潜孔锤”钻探工艺技术。