三维技术在矿山生产勘探的应用

崔方宁

(山东金岭矿业股份有限公司，山东淄博255000)

目前，国内钻探工程当钻进到复杂地层时，多是依靠钻机机长的多年经验，采用一定方式穿过复杂的地层。钻机工作会遇到不同的复杂地层，工作环境一般比较恶劣，造成培养有经验的机长难度很大，并且此方法误差大、效率低，一旦判断失误，极有可能造成巨大的经济损失。钻探生产的关键技术难题是护壁与堵漏，虽然不同的钻孔和地层条件确定护壁堵漏措施是很复杂的问题，但对于处于生产勘探阶段的矿山来讲，常规复杂地层存在共性，也就可以对其分类处理。

随着计算机技术的不断发展，Surpac、Datamine、Micromine、3DMine、DiMine等矿业工程软件已较成熟，在矿山三维可视化方面得到了广泛应用[1-8]，三维数字技术可清晰展示矿山地表、构造、矿体赋存等信息，可以辅助进行钻探优化，使生产勘探的成功率提高、废孔率降低。

本文以新疆某铁矿为例，将前期资料通过Auto⁃CAD、3DMINE软件构建地表、矿体、构造等矿山基础模型。在此基础上，准确地获取地下地层、构造分布情况，当进行生产勘探时，能据此做出预判，采用不同的方式进行护壁堵漏，保证钻进正常进行，以期给数字化技术指导钻探工作提供一定经验。

1 三维技术指导钻进方法

三维技术指导钻进方法：利用地形地质图、剖面图、钻孔资料和平面图，对其中的目标信息进行限制约束形成基本的数据模型；再结合前期普查资料和详查资料中的岩性、构造和地层的信息处理优化，形成最基本的矿山数据库。在生产勘探时，实时利用3DMINE处理钻孔信息形成生产勘探钻孔模型，结合提取出数据库中的地表模型、矿体模型、构造模型和地层模型，共同组成数据分析模型。通过判断将要钻进的岩性、构造和破碎程度，选择与之相匹配的护壁堵漏方式，保证钻进能够持续、高效的进行。具体方法流程如图1所示：

图1 三维技术指导钻进方法流程图

2 应用实例

新疆某铁矿地处西昆仑高山区，区域地层变形强烈，断裂、褶皱发育。褶皱的表现形式多种多样，既有成分层的褶皱，又有铁矿层的复杂褶皱；在褶皱形态上，既有揉皱，又有平卧褶皱、斜卧褶皱，还有叠加褶皱。总体上反映了长期多次构造变形的结果。气候为典型的大陆型高山气候，昼夜温差大，光照时间长[9-10]。在此地区进行钻探工作有很大的风险，需要引进更为先进的技术保证钻进顺利进行。下面以新疆某铁矿为实例进一步阐明三维技术在钻探钻进中的应用。

2.1 地表三维模型构建

用测量系统形成地表实测数据，结合剖面数据，采用AutoCAD软件生成实测地形图。根据成矿背景、成矿规律确定并提取出点、线文件并导入3DMINE软件，在对点、线文件进行编辑处理后，结合矿区实测地形图，生成地形数据文件。

调入实体3DMINE三维数据，打开实体3DMINE的DTM工具模块的由当前层生成DTM子模块窗口，设置DTM参数，生成三角化网格面。在实体3DMINE下以实体的形式显示地形模型。

2.2 矿体、地层构造模型的建立

此矿山的地层大体分为为古元古界布伦阔勒群和第四系。古元古界布伦阔勒群呈北西-南东向展布，倾向北东。依据主要岩石类型暂分为a、b两段，a段：主要分布于矿区的南部。岩性以灰黑色薄至中层状黑云母石英片岩为主；b段：主要分布于矿区的北东部。岩性为褐铁矿化含阳起石黑云母石英片岩、绿泥石片岩。矿区内地层总体呈北东向陡倾斜的单斜层状，但是矿区内部分地区断裂构造发育，地层变形强烈，断裂、褶皱发育。褶皱的表现形式多种多样，既有成分层的褶皱，又有铁矿层的复杂褶皱[9-10]。

矿体、地层构造建模通常采用以下3种方法：①利用矿体边界线大概确定矿体范围；②基于勘探线剖面图的矿体模型构建；③基于钻孔数据的矿体模型构建。通常应根据建模目的来选择合适的方法，但要准确反映实际矿体形态，往往需要综合采用多种方法。

本文建立的模型主要采用勘探线剖面图的矿体、地层构造模型构建方法，具体步骤如下：①将该各勘探线的剖面图以图件进行三维坐标空间数据转换，使图形坐标和大地实际坐标相符合，再经过格式转换，最终将文件保存为.str线文件。②分别对各剖面线文件进行地质解释，生成一系列闭合线。③将各勘探线的剖面线，放入到三维空间，相邻勘探线之间按照矿体的走向趋势，连接三角网，在矿体的两端，封闭起来，就形成了实体。④验证及修正模型，实体通过有效性验证则矿体、地层构造模型建立成功（如图2～图4所示）。

2.3 方案选择

根据钻孔的实际钻进轨迹和地表模型、地层构造模型，大体分为以下5种预判情况，下面分别阐述其各自情况的类型和处理方式。

图2 矿体动态剖面切割

图3 地层中某段复杂构造模型

图4 基础三维分析数据模型

（1）一般钻机钻进时都会存在漏失问题，对于漏失量小于2.4m3/h，地层存在小孔隙、小裂隙时，采用的堵漏注浆液材料为：水、膨润土、碳酸纳，其比例为1∶0.04∶0.0002；钻杆用黄油做涂抹脂，即可保证正常钻进。

（2）结合三维分析数据模型，将正在进行的钻孔输入到模型中，预判钻进到片岩地层，裂隙发育但不大，钻进工作进行时，会有卡钻、漏孔现象。这时候采用的堵漏注浆液材料为水、聚丙烯胺（聚丙烯酰胺吸附孔壁岩石形成网状结构膜而起到护壁作用），其比例为1000∶1；钻杆用的涂抹脂为黄油。

用这种方法护壁要在钻进破碎层开始之前，利用矿山三维模型提前预判，即孔壁尚未发生坍塌时开始使用材料堵漏注浆液，如果已发生坍塌，孔壁岩石失去平衡，使用效果不好。实际工作需要根据岩石的破碎程度来改变堵漏注浆液配比，如果岩石破碎程度很大，需要更换别的方式来护壁堵漏。

（3）根据基础三维分析数据模型，当钻头即将穿过裂隙发育大，且水位不稳定的地层时。常规堵漏方法难以奏效。在施工中会遇到套管脱扣、底端漏失、套管头变形，升降钻具困难，这时候采用的堵漏注浆液材料为：沥青粉和护壁润滑剂，比例根据不同情况调整合适的配比，钻杆涂抹脂为机油、沥青、松香、石蜡，其比例为50∶4∶23∶13。

面临此类情况，应避免在破碎层中起下钻。破碎层中的钻杆起着隔离和稳定作用，提钻后破碎岩石失去钻杆的支持，会发生坍塌，最好一次穿过破碎层。

（4）根据基础三维分析数据模型，对于地层特别破碎，坍塌、掉块严重的孔段，出现掉杆等严重情况，采用的堵漏注浆液材料为水、钠土，其比例为6∶1，钻杆涂抹脂为机油、沥青、松香、石蜡，其比例为50∶4∶23∶13。该堵漏注浆液在岩石表面形成吸附膜，并填充到岩石之间，具有极强的胶结岩石性能。

用这种方法护壁要根据钻探三维分析数据模型在钻进破碎层开始以前，提前预判，遇破碎带时立即使用，如果孔壁已经出现坍塌、掉块，使用效果会明显降低。因此，利用该堵漏注浆液时，应把握提前配制、及时使用的原则，更体现出数字技术应用的重要性。

（5）对于坍塌已经形成、有大裂隙或有溶洞出现的钻孔，使用各类材料均已失效，应采用灌注水泥浆或下套管堵漏。由于在此矿山没有遇到，在此不详述。

3 结语

以新疆某铁矿为例，采用三维数字方法，建立了该矿山的三维地质模型，在此基础上进行了矿山生产勘探钻孔钻进指导，预先判断，选择最优方案进行钻进。在矿山生产勘探时，钻进10000m，没有出现废孔。对于利用三维数字技术提高矿山生产钻探成功率有一定的借鉴价值。