峰岩矿区提高岩芯钻探施工效率的措施

徐日勇，方红亮，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

铅锌作为重要原材料，广泛应用在电气工业、机械工业、军事工业、冶金工业等领域，其中铅金属又应用于核工业、石油工业等部门，峰岩矿区从1995年开始由福建省地勘单位及我局矿勘院进行勘探工作，经过多年的勘探，探获了铅锌矿等金属矿体若干，对该矿区持续的勘探工作势在必行；我单位承接了该矿区的岩芯钻探工作，施工部门从矿区的地层、构造及岩浆岩等地质资料收集的基础上，对该矿区前期的岩芯钻探施工资料进行梳理，通过分析、对比及研究，寻找出影响该项目岩芯钻探施工效率的要点，运用合理有效的手段和方案，使得岩芯钻探施工效率得到明显提高，项目及公司获得较好的经济效益，为今后在该区域岩芯钻探施工提供借鉴。

2 矿区地质简介

2.1 矿区地层

矿区内分布的地层为中上元古界龙北溪组、侏罗系梨山组、南园组及第四系，地层由老至简述如下：

（1）中上元古界龙北溪组：中段为石英片岩、硅质岩、硅质大理岩、块状大理岩、白云片岩、薄层石英岩、白云质大理岩等，上段为绿色片岩夹大理岩、斜长片岩、石英片岩和薄层石英岩等。

（2）侏罗系梨山组：由泥质粉砂岩、含炭质页岩、石英细砂岩组成。

（3）侏罗系南园组：为凝灰熔岩、熔结凝灰岩、流纹岩及凝灰质砂砾岩、砂泥岩。

（4）第四系：由腐植土、粉砂质粘土和粘土组成。

2.2 矿区构造

（1）褶皱构造：基本构造轮廓为梅仙复背斜。矿区地层呈单斜构造。

（2）断裂构造：断裂构造较发育，主要有北东向、北西向和近南北向3组。北东向断裂较大的有：F3、F11、F12、F15等断裂，多属压扭性断裂，大部分被岩脉所充填；北西向断裂有F14，为北东向断裂的派生断裂，属张扭性平移断裂；近南北向断裂有F12，为近直立的高角度先压后张断裂，其中南北向F12、北东向F15分别穿过矿区的中部、东部。

2.3 矿区岩浆岩

在矿区北西见有北东向花岗斑岩脉出露，沿北东向断裂侵入，在岩脉与含矿地层的接触带中见有铅锌矿化，分布在岩脉周围的铅锌矿化较好，大部分矿体沿外接触带展布。

据矿区深孔施工揭露到花岗斑岩体，其附近见有磁铁矿化及微裂隙、石英脉控制的辉钼矿化。

某钻孔浅地表揭露到较为厚大的闪长玢岩脉。

2.4 矿区变质作用与围岩蚀变

（1）变质作用：最早作用于中上元古界地层，使玄武岩经区域变质形成绿色片岩、浅色片岩。

（2）围岩蚀变：花岗斑岩脉附近的围岩蚀变以硅化、阳起石化、磁铁矿化为主，次为石榴石化、黄铁矿化，远离花岗斑岩的围岩蚀变以硅化、绿帘石化为主，次为黄铁矿化、碳酸岩化。

硅化、绿帘石化、碳酸盐化主要共同产于绿帘透辉石岩、透辉绿帘石岩、巨晶透辉石岩等绿片岩系中。

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：石英片岩、硅质岩、硅质大理岩等，由于该区域褶皱构造、断裂构造等构造现象的存在，同时叠加硅化、绿帘石化、碳酸盐化等蚀变现象，在岩芯钻探施工中将可能出现岩石坚硬、地层破碎漏失、裂隙发育等岩芯钻探施工难题；矿区内主要岩石机械物理性质一览表见表1。

表1 矿区内主要岩石机械物理性质一览表

3 施工效率的影响因素

3.1 地层因素

（1）破碎漏失：由于该矿区岩浆岩侵入，使该岩浆岩与地层的接触部位极有可能呈现破碎状态，而地层中存在着的泥质粉砂岩、凝灰质砂砾岩、砂泥岩等具有较好的透水性，使岩芯钻探施工中的冲洗液将出现漏失现象。

（2）裂隙发育：由于矿区内存在褶皱构造及多组断裂构造，使得岩芯钻探施工中有可能钻遇多条裂隙，将造成岩芯钻探施工受阻等情况。

（3）岩石坚硬：由于矿区内存在硅化现象，硅化后的岩石其岩石硬度一般到达8级以上，将使岩芯钻探施工出现进尺慢、钻头扩孔器消耗快及钻头不出刃等现象。

3.2 地下空洞因素

ZK301作为该项工程施工的第二个钻孔，设计深度为500m，当施工钻进至164.6m时钻遇深度达到4m以上的盗采地下空洞（老硐）（见图1），通过了解当地该类型的盗采地下空洞（老硐）较多，且属于盗采状态，无法提前预知所施工的区域是否存在盗采地下空洞（老硐），给岩芯钻探施工带来了不确定性。

3.3 材料因素

图1 盗采地下空洞（老硐）示意图

由于存在4m以上的盗采地下空洞（老硐），使得常规采购的管材（套管）的管体及丝扣连接部分，在其回转过程中极易出现折断现象，使岩芯钻探施工受阻，从而影响施工效率。

4 提高施工效率的措施

4.1 选用合理的钻进工艺

全孔采用金刚石绳索取芯钻进工艺，开孔以∅122mm口径穿过第四系覆盖层后下入∅114mm作为井口管；第二口径以∅95mm钻穿可能存在的老硐巷道、采空区后下入∅89mm套管；最后以∅75mm口径钻至设计孔深；钻孔结构示意图见图2。

4.2 选用有效的钻进参数及钻具

图2 钻孔结构示意图

钻头及钻具的选用对地层的适应性是提高施工效率的关键因素之一，在选用钻头时尽量选用胎体硬度在HRC15～25之间、粒度100目左右的金刚石钻头，同时可考虑改变钻头唇面形状（如锯齿状、阶梯状）及增加钻头水口数量，来实现减少钻头唇面与岩石的接触面积，增大压入岩石的单位压力，达到提高钻进效率的目的；钻具选取参数详见表2。

钻进参数的有效选择也是提高施工效率的重要因素之一，钻进参数包括钻压、转速和冲洗液量3个参数。对岩石进行刻取的直接对象为孕镶金刚石钻头，其特点决定了通常采用以高转速、低转压及大泵量的钻进参数体系，这既要考虑到刻取岩石的速度，同时又要考虑到金刚石本身存在较脆和不耐高温的等特点，因此必须采用适当较低的钻压和足够的冲洗液量，使钻头既不过分损耗又得到充分冷却。通过三者相互融合，实现施工效率的提升；钻进参数表详见表3。

表2 钻具选取参数表

表3 钻进参数表

4.3 选用高效的冲洗液（泥浆）配方

选用聚合物配以降滤失剂、防塌剂组成的不分散低固相冲洗液（泥浆）体系，添加并调节聚丙烯酰胺、纤维素、腐植酸钾等添加剂的配比，使得冲洗液（泥浆）体系能满足破碎漏失、裂隙发育等不同形式的地层，同时监控并利用烧碱（或纯碱）调节该冲洗液（泥浆）体系pH值。该冲洗液（泥浆）体系应具有以下特点：

（1）固相含量低，用以提高钻进速度及效率。

（2）具有良好的流变性，较强的剪切稀释性和适宜的流型，冲洗液（泥浆）体系中分子间的桥联作用使得具有较强的结构强度，不易被破坏。

（3）具有较强的触变性，冲洗液（泥浆）在循环流动过程中，部分原有分子结构被破坏，当冲洗液（泥浆）停止循环后被破坏的分子能快速与机械破碎形成的岩石固相颗粒的分子间形成新的分子间结构，使其悬浮在冲洗液（泥浆）中，从而不易出现岩石固相颗粒堆积孔底形成沉砂，产生卡钻等孔内事故隐患或下钻不到底现象。

（4）具有较好的堵漏及稳定孔壁作用，可利用不同的配方而产生抑制岩石的吸水分散作用，减少对孔壁的冲刷现象；同时可通过添加一定量的堵漏剂，达到减小漏失量或封堵漏失的效果。

4.4 选用准确解决地下空洞（老硐）及材料方案

4.4.1 预防及处理措施

（1）准确测定钻孔坐标和方位，以确保钻孔施工轨迹避开已查明的地下空洞（老硐）位置。

（2）钻进过程中钻进至已查明的地下空洞（老硐）位置前，应采用钻孔测斜仪连续测斜的方法，加强钻孔弯曲度的检测，当出现钻孔施工轨迹偏向已查明的地下空洞（老硐）位置的风险时，应及时进行纠偏处理。

（3）如钻孔施工过程中钻入未知的地下空洞（老硐）区域时，则应及时停止钻进施工，应对如继续施工将对钻孔施工产生何种影响进行评价，如评价后认为其影响较小或无影响的情况下，可考虑钻穿该未知的地下空洞（老硐）区域，下入局部经过加强处理后的套管后，换径继续进行下一步的施工。

4.4.2 材料的准备及焊接

（1）对于∅95mm口径的钻头与扩孔器、扩孔器与钻具、钻具与钻杆以及第一与第二根钻杆之间进行焊接作业，并将连接处进行同心打磨。

（2）对∅89mm口径套管的第一与第二根间进行焊接作业，并焊接加强筋进行加固，同时进行同心打磨。

（3）准备素混凝土原料，必要时使用素混凝土灌入未知的地下空洞（老硐）内，降低未知的地下空洞（老硐）的垂直高度，加强下入的加强套管的稳定性。

4.5 选用硬岩钻进的技术手段

（1）转速：小口径金刚石钻进主要采用高回转的钻进方法，在施工时可通过采用调整泥浆液性能减小孔内阻力等措施，实现在较高转速下施工的目的。

（2）钻压：根据不同的钻头口径调节施工钻压适当高于正常钻压，使钻头金刚石能较好地出刃，提高刻取岩石的效率。

（3）冲洗液：在原有的冲洗液（泥浆）体系中适当增加高效润滑剂等润滑材料，实现减阻增效的作用。

（4）钻进效率：在条件具备的情况下，试用“绳索取芯液动潜孔锤钻探工艺技术”，用以解决钻进效率不高等问题，从而实现施工效率的提升。

5 结论及建议

峰岩矿区岩芯钻探项目共施工钻孔16个，累计进尺7460m，岩芯钻探施工质量、安全、环保等各项指标均达到相关要求，项目人员从矿区的地层、构造及岩浆岩等地质资料的收集，对该矿区前期的岩芯钻探施工资料进行梳理，通过分析、对比，寻找出影响该项目岩芯钻探施工效率的主要因素，运用有效的手段和方案，使得岩芯钻探施工效率得到提高，项目及公司获得较好的经济效益，为今后在该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）针对未知的地下空洞（老硐）施工，应对施工人员进行专门培训，选择有类似经验的施工人员进行施工作业，尽可能地减小地下空洞（老硐）对施工效率的影响。

（2）考虑到地层的特点不同，在使用钻进参数时，应协调好各个参数间的匹配关系，灵活加以应用。