试析深部找矿钻探施工技术要点

宋彬滨

（山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队，山东 临沂 276002）

深部钻探施工不仅对施工技术有较高要求，而且对设备能力、工艺水平以及技术要点等方面也有很高的要求。因此，合理的施工技术以及储备处理事故的关键技术要点对于钻探施工至关重要[1，2]。

1 钻探施工技术发展概述

钻探技术作为地下资源勘探和开采的技术手段，在古埃及和欧洲早有应用。至今在埃及尼罗河谷地还保留下来许多古人钻成的水井，有的至今仍在为沙漠中的人们提供水源。欧洲有记载的第一口水井是1126年在法国南部钻成的，从此诞生了一个现代名词“自喷井”。1818年法国农业部创立了钻探基金，1830年巴黎钻探技师杰古谢在图尔地区钻成了第一口120m深的自喷井。到1839年后开始用套管加固孔壁，从而进一步加深了钻孔深度。1855年在巴黎钻成528m深的水井，日产水量1.5万m3。其他国家也在工业化之前开始了地下水的钻探工作。俄罗斯还通过改善水井钻探工艺并用于其他工程目的——开采岩盐矿床。俄罗斯人于17世纪完成了第一部关于勘探与开采岩盐的钻探工艺手稿，详细的描述了所用钻探工具、设备和工艺。该手稿中首次出现了起源于俄罗斯的128个钻探专用术语，表明当时其钻探技术达到了相当高的水平。1859年美国的塞尼加石油公司用机械钻探方法打成了第一口石油开发井，位于宾夕法尼亚州泰特斯沃尔镇（钻孔深约21m，每日产油4.8t）。

直到上世纪50年代，由于钻探技术在开发地下矿产资源方面的不可或缺性，同时对矿产资源的需求日益增大，西方发达工业国，从二战的阴霆中复苏并强势崛起，并开始进行深部地质勘探计划。深部地质勘探对于研发钻探机具、配置钻探装备以及研究钻进工艺等多方面有了更高的新要求。现阶段发达国家通过多年对钻探技术的关键技术研究以及突破，己经研制出一套完备的技术手段与装备体系，不管是钻探工艺或泥浆技术，还是钻探设备以及钻探工具应用等方面均日趋完善。

2 深部找矿钻探施工技术要点

2.1 深部用水泥浆技术要点

水泥浆流变性：良好的流变性是设计水泥浆配方要考虑的主要问题，同时也是灌注水泥浆进行固孔、堵漏的前提，尤其是在深部堵漏施工中，要求灌注的水泥浆在可泵期内具有良好的流动性。常用的硅酸盐水泥，主要成分是硅酸盐化合物，包括硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙，与水混合后发生强烈水化作用，粘度逐步增加，流动性逐渐变差，随时间发展水泥浆逐渐开始丧失流动性，最终凝固成为整体。

影响水泥浆的流变特性因素主要有温度、水灰比以及各类添加剂，准确把握个因素对水泥浆流动性影响对于水泥浆的设计具有重要意义。

2.2 影响水泥浆的流变特性因素

2.2.1 温度对水泥浆流变特性影响

水泥浆在不同温度条件下流变性变化差异较大，同时温度也会对固结速率产生一定影响，主要表现在水泥浆的流行指数n以及稠度系数K值，在一定的温度范围内，温度的升高会导致流性指数n逐渐增大，并使稠度系数K逐渐减小，流变特性曲线如图1所示。由图可以看出50℃以下流性指数n以及稠度系数K变化幅度小；温度高于50℃时，水泥浆内部水化速度变快，水泥浆体系具有较强的结构能力，因此流变参数变化幅度较大，导致流变性急剧下降。

2.2.2 水灰比对水泥浆流变特性影响

水泥浆的水灰比的不同主要决定体系中各组分离子的浓度、密度的不同，从而影响水泥浆水化作用，导致水泥浆流动性与固结速率的变化，水灰比对水泥浆流变特性影响曲线如图2所示。水灰比的增大，会使水泥浆在一定时间内具有较好的流动性，改善水泥浆的可泵性。但水灰比的增大还会使水泥浆的凝结时间延长。特别对于深部施工，事故孔段位置较深时，候凝时间过长会严重影响钻进效率。因此在保证水泥浆具有良好流动性的同时，尽量控制水灰比在合理的范围内。

图2 水灰比对水泥浆流变特性影响曲线

2.2.3 添加剂对水泥浆流变特性影响

为加速水泥浆的凝固，缩短候凝时间，提高钻探施工效率，在配置固孔、堵漏水泥浆时加入一定量的速凝剂，速凝剂的加入会影响水泥浆内各组分间的反应。其中以CaCl2作为速凝剂配置水泥浆，在形成新的水泥孰料矿物后，能够增加水化作用生成物的溶解度，同时使水泥水化速度以及硬化速度得到提高。水泥浆体系中生成的AICI3.nH2O，会减少自由水的存在，并使水分子更多的以化学结合水形式存在，从而保证水泥具有良好的不透水性、早期强度以及密实度。

2.2.4 水泥浆固结时间与后期强度

固孔、堵漏处理使用的速凝水泥浆应具有初始流动性好、初终凝时间间隔短以及安全施工等特点。水泥浆的可泵期以及凝结时间需依据事故孔段深度、灌注方法等情况进行合理选择，以满足施工要求，并提高事故处理效率。

对于水泥浆固结后强度要求，随着水泥浆固结反应的发生，至水泥浆达到终凝失去塑性，此时水泥具有的早期强度不足以满足固孔要求，一般需再进行养护20～24小时，使水泥获得足够强度方能进行透孔施工。另外为避免水泥强度过高导致透孔过程中发生孔斜事故，应在适当抗压强度范围内以及水泥早期强度增长过程中钻取水泥塞。

3 固孔、堵漏水泥浆技术要点

固孔、堵漏时应根据具体事故情况，配置满足处理要求、性能良好的水泥浆。深部灌注使用的水泥浆应保证初始状态流动性能良好，初凝与终凝时间间隔较短，强度符合要求。

针对矿区破碎坍塌孔段的漏失及地层情况，对水泥浆的配方进行试验研究，水泥浆主要采用CaCl2作为速凝剂，试验用水泥为800型超细硅酸盐水泥，灌注方法利用钻杆通过泵送方法进行注浆。根据深部固孔堵漏水泥浆的流变特性、孔内温度情况以及后期强度要求，通过试验对不同水灰比以及添加剂加量情况下，水泥浆的可泵时间、初凝时间、终凝时间与后期强度等参数进行分析，选择性能良好的水泥浆配方用于施工处理。

4 注浆施工技术要点

（1）应仔细查看孔内提取岩心，分析岩石破碎程度，即破碎地层孔隙以及裂隙大小等，计算事故孔段的深度以及漏失坍塌地层厚度。

（2）为防止孔内原有冲洗液中化学材料对速凝水泥浆的性能造成影响，以及保证事故段孔内清洁，需反复扫孔，用清水换浆1～2小时，替换孔内原有冲洗液。

（3）对灌浆设备进行仔细检查，确保其完整性与安全性。

（4）严格按照配比配置水泥浆，并用过滤网，去除大颗粒物块，预制好的水泥浆需要不停搅拌，避免水泥凝固。

（5）使用清水替浆后，尽量在不停泵的状态下，直接将水泥浆泵送至孔内。灌注结束后，将预先计算好的替浆水压入孔内，停泵后，卸开连接钻杆，使钻杆内外压差保持平衡，保证水泥浆顺利压入事故段。最后缓慢提升钻杆，防止抽吸作用的发生。

（6）灌注后，每隔一定时间测定浆面位置，预防水泥浆渗入裂隙大量流失。针对大裂隙地层，配置水泥浆时可加入适量细粒材料，会取得更好的封堵效果。

5 结语

目前来说，正在开采的矿山的矿产资源已经远远不能达到工业和生活的需求量了，迫使矿山开采公司不得不去勘测和寻找出更多的矿产资源的矿山。开采公司要不断地去改革、创新勘测和找矿技术，从而帮助开采公司可更为有效的勘测和开采矿产资源，推动矿业公司可以更好的发展。