黑龙江嫩江县银多金属矿45°斜孔钻探施工技术

马秀春

(黑龙江省第一地质勘查院，黑龙江 牡丹江 157000)

1 工程概况及地质地层

1.1 工程概况

2016年在嫩江县二道坎村开展银多金属矿普查工作。普查区位于黑龙江省中北部小兴安岭北段，属丘陵区。普查区属寒温带大陆性季风气候，冬季严寒，夏季温热，年平均气温0.5 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-47 ℃。年平均降水量55～600 mm，年蒸发量869～1050 mm。6-8月为雨季。雨季雷电较频繁，降雨约占全年降水总量的60%～70%。区内覆盖较厚，植被发育，为森林沼泽地球化学景观区。每年5-11月为最佳野外工作时间。区内河流属嫩江水系，夏季地表径流发育，冬季冰封断流。矿区东部有泥鳅河支流，流向南，流入泥鳅河后汇入嫩江。

在普查区共施工45°斜孔8个，孔深最深为150 m，钻孔平均终孔直径≮75 mm。以地质钻探钻孔质量六大指标为指导进行施工，另外根据要求，平均矿心采取率≮85%。在钻遇目的层异常矿化时以及终孔时，都需要进行测井。每钻进50 m测定一次钻孔倾斜度。钻孔偏斜不得超出《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227-2010)[1]规定的允许范围，即顶角偏斜≯3°/100 m。

1.2 地质概况

矿区位于大兴安岭弧盆系扎兰屯-多宝山岛弧带内，区内地质构造错综复杂，在大地构造发展和演化过程中活动性和阶段性明显。地层分布明显受构造控制。工作区内岩浆活动频繁，侵入岩主要以花岗岩类为主。侵入岩在时间上具有明显多期多阶段性。

矿区内出露地层主要有：顶志留统-中泥盆统泥鳅河组(S4D2n)，在地表仅见顶志留统-中泥盆统泥鳅河组一段(S4D2n1)，在钻孔中见上志留统-中泥盆统泥鳅河组二段(S4D2n2)，即罕达气火山岩(hυ)、下白垩统龙江组(K1l)、下白垩统光华组(K1gh)。第四系全新统(Qh)。出露的侵入岩以脉岩为主，主要岩性有：花岗细晶岩脉、花岗闪长斑岩脉、石英闪长岩脉、闪长岩脉、闪长玢岩脉、辉绿岩脉等，地层划分见表1，火山岩和侵入岩面积不大。

表1 矿区地层划分

2 钻探施工难点

(1)矿区构造发育，钻遇接触带时钻孔漏失严重，有的孔甚至发生全孔漏失。钻孔漏失导致孔壁失稳，钻进过程中钻机扭矩值异常偏大，无法正常施工。

(2)接触带极易坍塌掉块。在45°斜孔施工时，孔内掉块严重，引起下钻不到底和卡钻事故。

(3)钻孔为倾角45°的斜孔，由于矿区岩层产状陡，岩浆的侵入构造带特别发育，岩层软硬互层易引起钻孔倾角和方位角变化造成孔斜。

3 钻进工艺

3.1 钻探设备

矿区钻孔全部设计为斜孔，单孔施工周期短，施工地点搬迁频繁，并且施工孔位都位于农田之中，因此，矿区内施工不适宜采用大型钻机、钻塔。为满足设计孔倾角与孔深的要求，选用加拿大MP-1000型便携式钻机进行施工(如图1所示)，主要性能参数见表2。该钻机占地小，搬迁方便。顶置驱动可以实现不提动钻具加钻杆，能够有效减小由于加接钻杆对孔壁造成的扰动，减少孔内掉块，有效控制钻孔坍塌。在矿区采用薄壁绳索取心钻杆(壁厚5 mm)施工，钻头与孔底接触面积小，可有效抑制孔斜。

图1 MP-1000型便携式钻机

3.2 施工工艺

3.2.1 钻孔施工

该矿区施工的钻孔结构简单，钻孔一开直径为91 mm，穿过第四系残坡积层后下入Ø89 mm套管，随后换Ø75 mm钻头钻进至终孔。施工时采用Ø75 mm绳索取心钻具进行取心。

开孔钻至完整地层后继续钻进，当扩孔器位置低于套管位置之后，停止钻进，并卸开钻杆，将钻杆留在孔内。为防止钻进时岩屑掉入钻杆内，在钻杆上部用木塞封堵。随后使用钻机连接套管，并将套管靴套在NTW钻杆上扩孔钻进，直至钻进到预定的下套管位置，将套管及套管靴直接留在孔内做套管。之后再连接NTW钻杆，正常钻进成孔，设计孔深最深为150 m,钻孔结构设计见图2。

1.2.3 制作mRNA模型 剪下一长条软磁贴做成1条mRNA链的基本骨架(代表磷酸和核糖)，软磁贴做的碱基直接吸附在长条磁贴上，制作出多样的mRNA。

表2 MP-1000型钻机性能参数

图2 钻孔结构设计图

3.2.2 钻进用冲洗液

针对此次矿区施工难点，钻进冲洗液需要具有良好的护壁、防漏的性能。该矿区钻孔使用低固相聚丙烯酰胺冲洗液，具体配比为:1 m3清水+10%～15%钠基膨润土+0.2%氢氧化钠+0.3%～0.6%聚丙烯酰胺+0.3%～0.6%的CMC。在现场根据搅拌容器的体积加入清水，再加入钠基膨润土进行搅拌，使膨润土充分水化，随后加入氢氧化钠、聚丙烯酰胺以及CMC，充分搅拌30 min。聚丙烯酰胺主要用作絮凝剂，能够有效改善钻井液流变性能，并且具有防塌与降低摩阻的性能。CMC能够降低滤失量，提高冲洗液粘度。低固相聚丙烯酰胺冲洗液具有良好的悬浮能力，造浆性能良好，能满足矿区大多数钻孔钻进要求。

冲洗液性能指标：密度1.02～1.05 g/cm3,粘度26～30 s，失水量7～10 mL/30 min，pH值8.5～9。

个别钻孔在开孔阶段由于地层不稳，井内坍塌掉块严重，致使卡夹钻具无法正常施工。针对这种情况，MP-1000型钻机采用跟管钻进的方式将套管下放到指定位置隔阻不稳定层，保障钻孔施工工作顺利进行。

3.2.3 钻探技术参数

为提高钻进效率、降低成本、保证质量，需要根据具体施工情况，选择合适的钻进参数。在回转钻进中主要的钻进参数包括：钻压、转速、泵量等[2]。

该钻机使用孔底压力表、扭矩表、泵压表显示钻进技术参数。操作人员要根据钻进情况调整钻进参数，保证钻机高效钻进。正常钻进时压力表、扭矩表、泵压表在不同孔深时的数值范围见表3。该钻机操作时控制孔底压力数值在7 MPa左右，扭矩≯1500 N·m ，孔壁不稳定段扭矩可达到2000 N·m，极限扭矩≯2500 N·m。当孔内扭矩长时间>1800 N·m时需要格外注意钻机进尺情况，防止孔内事故发生。钻进过程中需要冲洗液有效地排出岩粉并冷却钻头。考虑施工过程中部分钻孔存在坍塌掉块现象，施工时泵量≯20 L/min。在实际施工时发现，由于接触带地层易失稳，泵量过大使钻孔坍塌掉块现象更为严重，从而影响进尺。

表3 钻进技术参数

3.2.4 孔斜测量与校正

由于钻孔弯曲，可能造成矿体打丢、打薄或打厚，将直接影响地质资料的准确性和矿床储量的计算。所以钻孔弯曲程度是评价钻探工程质量的重要依据之一[2]。

4 遇到的问题及解决措施

4.1 钻孔漏失

钻进至地层接触带时钻孔漏失严重。在漏失严重的地层采用江西萍乡产的“堵漏王”堵漏剂对孔壁进行封堵。“堵漏王”是一种改性刚性水泥，能在有水的情况下迅速凝结，且膨胀性低于普通水泥，其中含有促凝剂硫酸钠，能够缩短凝结时间，提高早期强度。施工时取堵漏剂15 kg，再添加20 kg钠基膨润土，搅成低流动状态，随后从钻杆口倒入孔内。开泵将堵漏剂送入漏失孔段进行封堵。此方法能够基本满足矿区内钻孔堵漏要求[3-7]。

4.2 坍塌掉块

在45°斜孔施工时，孔内掉块现象尤为严重，引起下钻不到底和卡钻事故。为抑制孔内掉块问题，采用了以下技术措施[8-10]：

(1)选用优质冲洗液，控制滤失量从而抑制掉块。在矿区施工采用加入护壁剂低固相聚丙烯酰胺配制的冲洗液施工，钻孔掉块问题得到了解决。

(2)通过加大孕镶金刚石钻头胎体硬度，增加金刚石工作层厚度来延长钻头使用寿命，提高钻进时间，减少起下钻次数，并在起下钻时控制上提与下放钻具的速度，减少由于机械扰动和孔内压力“激动”引起的孔壁失稳情况发生。

(3)采取提钻回灌冲洗液措施保持孔内液柱压力，减少孔内掉块。

4.3 钻孔防斜

为避免钻进过程中发生钻孔偏斜，主要的防斜措施有[11-12]：

(1)钻机稳固。为确保钻机施工时机台的稳定性，可以使用水泥底座固定钻机，保证施工过程中钻机不偏移。在秘鲁Conymecar铜矿区采用全液压动力头钻机进行45°斜孔施工，首先为确保机台的稳定性，在钻机下铺设了20 cm厚的枕木，具有一定的减震作用，枕木下浇筑20 cm厚的水泥平台，以防止因频繁起下钻使枕木陷入地层[13]。

本次在矿区使用的MP-1000型钻机体积小、质量轻，机场占地面积小，无法使用配重稳固。常用的水泥打底座固定方式需要提前布设孔位，而实际施工时孔位较少，无法提前布设孔位，因此MP-1000型钻机也不适合使用水泥底座固定。钻机施压钻进时，不计钻具浮力，钻机受力分析如图3所示。图中，钻机所受重力为G，地面作用于钻机的支持力为G1。斜孔钻进时，钻孔倾角取α，钻机施加的钻压为F，地层作用于钻机的作用反力为F1。由于下放钻具时钻具与孔壁摩擦产生的摩擦力为F2。F3为地面作用于钻机的摩擦力。根据受力分析可知，在x方向上，F3+Fcosα=F2cosα+F1cosα, 在y方向上,G+Fsinα=G1+F2sinα+F1sinα。由钻机受力分析可知，在钻进过程中，施加钻压、起下钻具都会产生一个沿x轴方向的力。为防止孔斜，必须将钻机稳固[14]。结合实际钻进施工情况，在现场无合适的固定物体时，我们采用锚杆锚固方式稳固钻机。在钻机左右两侧以及后方各设一个锚固点，用钢丝绳将锚固点与钻机连接，保证钻机稳固。在加压钻进时锚杆可有效防止钻机顶起移位。

图3 钻机受力分析图

用于固定钻机的锚杆施工分为两步：一是钻进锚杆孔；二是将锚杆与地下岩石烧结在一起。钻进锚杆孔时采用Ø60 mm钻头钻进，锚固孔方位与钻孔方位一致，倾角要大于45°，一般以75°为宜。锚杆孔施工时要注意不能影响正常斜孔施工。锚杆孔深度一般只需几米，以钻遇到硬岩时能够通过干烧将锚杆熔化固结到地层上为准。锚杆的烧结部分用废旧钢管加工而成，便于根据锚杆孔深度任意调配长度，一般不短于500 mm。其底部加工成渐薄的喇叭口形，易于锚杆干烧固结。锚杆孔施工完成后，提出钻柱，随后用钻杆把锚杆送入孔底。钻机开高转速同时加大压力，扭矩迅速上升，钻具柱下降。当扭矩突然上升超过2000 N·m 时，钻机停止转动，等待几分钟使锚杆固结。随后可使用钻机强力起拔锚杆以测试锚固结果。

(2)开孔钻进要小压力，控制进尺保证开孔质量。开孔时轻压慢转，防止扰动土坍塌和防止钻孔倾角变化[15]。

(3)因为是大斜度施工，特别是在复杂地层、强研磨性地层和坚硬地层中施工，绳索取心钻杆和钻具偏磨较严重，造成其使用寿命降低。在钻进时，要注意合理控制钻压，防止钻杆弯曲导致钻具偏磨。选择合适的钻具组合，选用高润滑性能的冲洗液以减轻钻具的偏磨。选用高胎体钻头，延长钻头寿命，减少提下钻次数，避免掉块挤压钻具引起孔斜[15-16]。

(4)严格按地质要求测斜，发现孔斜超差要及时查找原因并采取相应措施。

5 钻探技术和经济效果

结合矿区实际情况，选用2台MP-1000型便携式钻机进行斜孔施工。通过选用合适的钻进工艺，初步克服了施工时钻孔漏失、坍塌掉块等一系列问题。在工期内完成45°斜孔8个，钻孔施工统计见表4。

表4 钻孔施工统计

6 结语

该矿区钻探施工结束后经地质验收，施工钻孔全部为优质孔。经过该矿区近2个月的施工，积累了斜孔施工经验。特别是首次施工的45°孔，对其施工难度、技术措施有了更深的了解，也对MP-1000型便携式钻机的施工能力、机动能力有了进一步认识。

(1)MP-1000型便携式钻机体积小，质量轻，采用模块化设计，适合用于无法使用大型钻机、钻塔的区域施工。根据钻机能力，选择合适的钻具组合以及施工工艺，有利于提高施工质量。

(2)矿区施工选用锚杆固定钻机能够有效稳固MP-1000型钻机，从而有效减少钻进过程中发生钻孔偏斜。

(3)根据实际钻进情况，选择合适的钻孔冲洗液能够有效解决钻孔漏失以及坍塌掉块的情况。