梅州找矿靶区验证项目钻探施工技术

谢远彬

(广东省地质局第八地质大队，广东梅州 514089)

1 项目概况及地层特征

1.1 项目概况

“浙闽粤火山岩区铜金矿产地质调查”是由中国地质调查局牵头实施的重要矿集区矿产地质调查子项目之一，由中国地质科学院矿产资源研究所承担。“广东梅州地区找矿靶区工程验证”属“浙闽粤火山岩区铜金矿产地质调查”子项目的委托业务，由广东省地质局第八地质大队承担施工，主要工作内容是470 m机械岩心钻探工程施工。

项目目标任务是协助核心业务工作组系统收集分析工作区已有资料、成果和图件，特别是1∶200 000和1∶50 000区调及物化探成果、矿床勘查报告、矿产资源勘查规划、开发利用与保护等相关资料；配合项目圈定预测靶区，按时保质完成钻探施工任务(包括施工方案、征地、便道施工、机台平整、回填清理等)，获取深部矿化信息；完成岩心编录、采样和样品邮寄工作；保管岩心；完成野外验收，提交年度成果报告和下一步工作建议。

1.2 靶区地层特征

靶区为广东金雁工业集团有限公司玉水硫铜矿范围，该矿区位于梅县区城东镇玉水村，于1985年建成投产，设计开采能力5万吨/年，主要产品为铜、铅、锌精矿。该矿是国内罕见的特富矿山，斑铜矿和辉铜矿品位高达60%，并伴生丰富的铅锌矿和金银等贵金属矿。该项目共布置两个钻孔，分别为ZK1和ZK2，终孔深度分别是240.85 m和280.05 m。

从揭示的地质资料显示，ZK1孔上部为一套石炭系壶天群的灰岩地层，部分层位白云质含量较高，常夹有白云质灰岩，裂隙多被方解石脉充填，可见少量绿泥石化与黄铁矿化。100～140 m为泥盆系老虎头组的石英砂岩，黄铁矿化较为明显；107～109 m为黄铁矿化构造带，黄铁矿化、硅化、绿泥石化较为明显；140～226 m为辉绿岩侵入岩脉；在226 m以深重新出现石英砂岩。孔内稳定水位约3.0 m。

ZK2孔除了上层少量坡积土以外，均为风化程度不同的二长花岗岩。140 m以上皆为全风化的二长花岗岩，其中易风化矿物已完全风化成土，岩体极易破碎，下部为中风化和微风化二长花岗岩。在196～198 m出现蚀变带，硅化、绿泥石化、黄铁矿化较为明显；198～280 m为微风化二长花岗岩。

2 钻孔施工技术路线

2.1 施工设备

本次钻探项目采用的是一台套中地装重庆探矿机械有限公司生产的XY-1000型钻机。该钻机是中地装重庆探矿机械有限公司在目前国内千米钻机系列基础上开发设计的新产品，可使用于金刚石或合金钻头进行岩心钻探以及工程地质勘探、水文、水井、大口径工程施工孔钻进。钻机使用直径75 mm绳索取心钻杆，最大钻深能力达1000 m，采用输出功率为42 kW的柴油机驱动。

采用衡阳中地装备探矿工程机械有限公司生产的BW250泥浆泵，泥浆泵由8.8 kW的柴油机驱动，配备10 kW的柴油发电机一台，用于驱动绳索取心绞车、取水泵以及其他设备的供电。

采用上海地学仪器研究所JTL-40GX光纤陀螺测斜仪，仪器性能参数见表1。

表1 JTL-40GX光纤陀螺测斜仪性能参数

JTL-40GX光纤陀螺测斜仪采用光纤陀螺仪测量方位，不受地磁场等干扰，具有精度高、可靠性好、性能稳定、应用范围广等特点。

2.2 技术路线

本次钻探工作在以往区域施工基础上，系统收集并深入分析本区已有的钻探施工成果资料，使用XY-1000型钻机，采用金刚石绳索取心工艺，配合低固相冲洗液进行钻孔施工。

开孔采用直径130 mm或110 mm钻具干钻开孔，钻穿地表风化层后下入套管作为孔口管。采用少一级的普钻向下钻进至钻进困难时，下套管后再改小一级的钻头向下钻进。直径95 mm及75 mm口径采用绳索取心工艺，其他口径为普通钻进，最后终孔口径为75 mm。

3 钻探施工难点

ZK1孔地层为裂隙发育的灰岩，全孔段破碎、漏水，且出现多个充填溶洞，充填物为土中带石英砂。钻进过程中出现掉块、坍塌垮孔、全孔段漏水、缩径等诸多难题，易造成钻具折断、卡钻、烧钻、埋钻等事故，钻进阻力大，润滑剂消耗严重，钻进参数异常，钻进困难。

ZK2钻孔覆盖层过厚，0～196 m均为中风化地层，风化花岗岩遇水变砂，容易出现孔壁垮塌、缩径等情况，造成埋钻、断钻杆等孔内事故，钻进阻力大，施工难度高。

4 主要技术措施

4.1 针对复杂底层技术措施

主要是解决钻进过程中扭矩大的问题，避免阻力过大出现断钻杆、卡钻等孔内事故。由于该灰岩地层裂隙发育，全孔破碎、易掉块，且几乎全孔漏失，特别是ZK2孔，近180 m的覆盖风化层，钻进阻力非常大，材料与燃油消耗也很大。为避免发生孔内事故，我们主要采取了如下技术措施。

4.1.1 合理配制冲洗液

在复杂地层的钻探过程中，冲洗液所起到的作用至关重要。由于绳索取心钻孔的环空比小，孔底的钻压高[1]，所以保证冲洗液良好的润滑性能，就可以有效降低摩擦阻力及回转阻力，能够避免发生卡钻、黏附等情况，从而减少材料与燃油消耗，延长钻具的使用寿命。本项目采用2种配方的冲洗液，如表2所示。

表2 冲洗液配方

ZK1孔第四系覆盖层是坡积土，采用普通单管干钻方法，确保岩心的采取率。9.70 m到达基岩面后，改用配方1冲洗液进行直径96 mm的绳索取心，钻进至32.00 m深后改用直径75 mm的绳索取心钻至100.76 m。后因出现孔内事故，孔内出现有多层充埋的溶洞，充填物含有砂土，钻进过程中，有岩块及砂土落入孔内，且漏失泥浆液，造成钻进时阻力大，出现孔内事故风险大。经分析研究，采用扩孔钻头进行至100.76 m，再改用直径96 mm的绳索取心钻头向下钻至127.46 m的相对完整基岩层，最后用76 mm口径钻至终孔。由于全孔漏失，随着钻孔的加深，逐渐减少了膨润土的含量，保持冲洗液的黏度及润滑性能。

ZK2孔吸取了ZK1孔的经验，开孔采用直径110 mm钻具开孔，钻至33.79 m，扩孔至130 mm后，下入直径127 mm的套管；使用96 mm口径绳索取心钻具继续钻进至80.06 m后，扩孔至110 mm并下入直径108 mm的套管；继续用直径76 mm绳索钻具钻至146.20 m，扩孔后下入直径89 mm的套管钻至146.20 m；最后用直径76 mm的绳索取心钻至终孔。

该孔从地面起至孔深142 m为全风化花岗岩，142～180 m为中风化花岗岩，采用配方2无固相冲洗液，冲洗液的漏失量随着钻孔的深度加深而增加，至180 m左右以后全孔漏水。钻进过程中，钻进阻力非常大，小幅调整Na-CMC含量，寻求一种阻力最小且经济实用的冲洗液配方。

4.1.2 增加套管的埋深

套管作用是封隔地表浅水层及浅部疏松和复杂地层，减少钻进阻力，是保护孔壁最有效的措施[2]。本次施工的2个钻孔均采用直径96 mm的绳索取心钻杆预留在孔内当套管的方法，使用时要充分了解地层情况、钻机工况及提下钻杆情况，一般用于复杂且易垮塌的地层。

使用直径96 mm的绳索取心钻杆钻至稍完整地层，整个钻具包括岩心外管和钻头，一套钻具全部留在孔内作为套管，用于保护孔壁。然后再用直径75 mm的绳索取心钻具放在直径96 mm的钻杆内继续往下钻进，解决下套管受阻和起钻塌孔的问题。ZK1孔在钻进至孔深100 m时，出现了一个约3 m的充填溶洞，充填物为灰黑色的砂质黏土，且裂隙非常发育，出现破碎掉块情况，钻进过程中钻机工作异常，钻进阻力大。当钻至127.46 m时，钻杆头部正好平孔口时，把直径96 mm整套钻具留在孔内作套管用，为下入直径75 mm绳索取心创造了条件。

采用该方法时，一定要先测量直径96 mm绳索取心钻具外管的扶正环及卡簧内径大于直径75 mm的取心钻头，保证钻头能够通过外管。此外，由于75 mm钻头的外径大于96 mm钻头的内径，所以最好计算好钻头的磨损情况，预留钻杆时，钻头磨损达到极限，减少直径75 mm钻头穿过直径96 mm钻头时的磨损。

4.1.3 钻杆涂抹润滑脂

岩心钻探遇到漏失地层，特别是严重漏失地层，水位又很低时，由于普通冲洗液润滑对钻具起不到润滑作用，不能提高转速，致使钻进效率明显降低。通常采用钻杆上涂抹润滑脂的方法，减少钻杆与孔壁的阻力，提高钻进效率，减少孔内事故。同时润滑脂还具有一定的护壁堵漏功能，涂抹在钻杆上的润滑脂在孔内随钻杆高速转动，部分会被甩到孔壁上，充塞到地层缝隙中，既防止了冲洗液的漏失，又阻止了冲洗液中的水分渗入到地层中，从而保护孔壁不被水分浸泡和冲刷。该项目两个钻孔均采用了这种方法，由于解决了漏失钻孔的润滑问题，相对节省了护壁堵漏的人力、物力和财力，也提高了钻进效率。

4.2 水泥球堵漏护壁技术

ZK1钻孔地层为裂隙发育的灰岩，全孔漏失，当钻至孔深98 m处时，发现钻机振动特别强烈，且钻进困难，无进尺。经分析是由于地层中出现多个充填溶洞，充填物中含有砂，砂不断地掉到孔内，使孔底存有大量的砂，造成卡钻和进尺缓慢。

现场开始采用孔内注水泥浆的办法，用PC 425普通硅酸盐水泥加入1%的NaCl作速凝剂，调制成水灰比约0.5∶1的水泥浆，通过泵送到孔底方法[3]，24 h后钻进时，发现水泥已经漏失，未能形成柱状的水泥柱块，扫孔至98 m深后，研究决定使用投水泥球办法进行护壁堵漏。

水泥球的制作按常规做法要加入脲醛树脂，以控制水泥球在下落过程中被水稀释的速度[4]，但是现场条件有限，短时间无法采购到脲醛树脂和速凝剂，考虑到钻孔不深，决定就地采购PC 425普通硅酸盐水泥4包和普通未加碘食盐4 kg，用作堵漏材料。

准备好40 kg的水，放入4 kg食盐，充分搅拌溶解后，与水泥充分搅拌，做成直径约70 mm的水泥球，水泥球宜边做边投，直至全部投入孔中，因食盐是速凝剂，水泥球的制作及投放动作要快。投下去的水泥球靠自身的重量压实，投完后再用钻杆向孔内下压，防止变径处堵塞或者孔内架桥堵塞。水泥球在下落的过程中水泥会稀释扩散，形成一个完整的水泥柱状体，达到护壁堵漏目的。根据既往施工经验，1包水泥约可以封墙4.5 m左右，4包水泥即可达到18 m左右。经过24 h凝固后即可下钻钻进，从取上的水泥心看，水泥心结构完整，敲击声清脆，强度高，钻进阻力小，转速快，已达到了护壁堵漏目的。图1是取出的完整水泥柱心。

图1 取出的完整水泥柱心

4.3 钻具脱落事故的处理方法

岩心钻探工作过程中，出现孔内事故不可避免，常见的孔内事故有埋钻、烧钻、卡钻、钻具折断、钻具脱落、跑钻、工具物件落入等[5]。

发生事故后，应沉着冷静，先查清孔内情况，包括孔内事故钻具结构(规格、种类、数量)、钻孔结构、孔内岩石性质、孔壁稳定性、岩粉和钻粉多少、有无其他残留物以及事故发生起始过程中有关征兆，这些都是判断事故情节和确定处理方法及步骤的重要依据[6]。

ZK1孔在98 m深采用投入水泥球方法进行护壁堵漏后，继续采用直径96 mm钻具向下钻进，钻进过程中回转阻力大，钻机振动严重，只能釆用慢速钻进。原计划在进入较完整地层后，把直径96 mm的钻具预留在孔内作套管用，再改用直径75 mm的绳索取心钻具至终孔。当钻至孔深126 m时，钻进不进尺，钻机振动减弱，继续通水10 min后起钻发现钻杆连接螺纹脱落，岩心外管总成落入孔内，如图2所示。

图2 螺纹磨损的脱落钻杆

事故发生后，从取出的岩心看，地层破碎且有充填的小溶洞，充填物中含有砂，孔内含有掉块和砂，会卡住钻具。此外，钻杆是旧钻杆，螺纹已部分磨损。综合来看，地层及钻杆螺纹磨损是造成这起事故的主要原因。

经测量钻杆长度，确定遗留在孔内的是3.3 m的取心钻具外管总成，决定采用直径89 mm通天公锥进行处理。在处理过程中，孔内会出现掉块及掉砂土现象，所以会出现公锥一次下不到位，需要起钻进行扫孔，处理事故难度增加。经过多次对位对上断头后，上紧公锥，使用液压升降机无法起拨，后改用吊锤冲打，通过振动力使钻具周围的挤卡物松动，开始时钻具上提的速度较快，但半小时后，几乎无法旋转，总计提上约20 cm。之后采用向下钻进再向上提起的办法，往下钻进10 cm后，向上提起30 cm，这样不断地重复，经过一个晚上的处理，终于提出脱落的钻具，成功处理此次事故。

处理完孔内事故后，用直径96 mm的金刚石绳索取心打钻至127.66 m，将直径89 mm的钻杆预留在孔内作套管，再用直径76 mm金刚石绳索取心钻具钻进。经多次变更孔深后，最终的孔深为240.85 m，达到委托方的要求。

5 钻探成果

本次承接的“广东梅州地区找矿靶区工程验证”项目，从2020年9月2日开钻至2020年12月4日顺利完成全部钻探工作量，中途因其他原因停工35 d，共施工2个钻孔，钻探进尺共计520.90 m。岩矿心长共计477.71 m，平均采取率为91.7%，钻孔偏斜率均在允许偏差范围内，钻孔合格率100%，一次性通过质量验收。

该项目作为玉水矿区靶点验证钻孔，严格按委托方的要求进行施工取得的全套岩心资料，完善了该区域深部地质构造资料，为开展寻找金属矿床地勘工作创造有利条件。

6 结语

通过“广东梅州地区找矿靶区工程验证”2个典型地层中的钻探作业，总结了在裂隙发育灰岩以及厚覆盖地层的绳索取心钻进方法。在实际的钻探施工往往是在交通不便的边远地区，施工进场时很难备齐所有的管材、工具、泥浆材料等钻探物资，所以在现场就地取材非常重要，这样才能提高钻进效率。事故处理过程中，要迅速上报并确定处理事故的方法，组织工作要迅速落实，处理事故要快，操作要稳、准，不要忙乱和蛮干，避免事故进一步恶化。同时要根据实际变化情况，调整原来制定的处理方法。实践证明，只有严格遵守操作规程并采取有效的预防措施，才能降低孔内事故的发生率。