吉林省通化县新华矿区多金属矿钻探施工技术

高贵山，张延龙，纪 楠，徐捷伟

1.吉林省第二地质探矿工程大队，吉林 吉林市 132013；2.吉林省第二地质调查所，吉林 吉林市 132013

吉林省通化县新华矿区多金属矿勘查工程施工时间是2012 年5 月29 日至2012 年10 月8 日。施工期在本矿区开动3 台钻机，共完成勘查钻孔10个，完成钻探工作总量为5 868 m。该矿区地层复杂，勘察施工难度较大。施工采用的是金刚石绳索取心钻进工艺，特殊地层配用绳索取心液动冲击器钻进，使用高性能低固相冲洗液，并根据地层情况采取了相应的技术措施，取得了较好的成果。下面简单介绍一下在该矿区所采用的的勘察施工技术措施。

1 地质及环境条件

该区位于吉林省东南部，属中低山区。海拔500～1 100 m 之间，相对高差在500 m，属长白山脉之龙岗山脉。区内有国道302、省道103 和乡间公路，交通较为方便。气候属温润气候，年平均气温-3～7 ℃，全年无霜期120～150 天，年平均降水350～1 000 mm，属鸭绿江水系。

勘查区中北部大面积出露含磁铁建造的中新太古界表壳岩组合茨沟岩组、红透山岩组，并构成基底。西部、南部出露侏罗系小东沟组、果松组、鹰嘴砬子组、果松组。

茨沟岩组、红透山岩及雪花片麻岩：由变粒岩、斜长角闪岩、角闪条痕状混合岩，片麻岩、浅粒岩夹“鞍山式磁铁矿层”。

小东沟组：位于勘查区北西部。多出露在盆地边缘，属盆地早期的红色类磨拉石建造。由页岩、紫色粉砂岩、杂色砾岩组成，产植物化石。

果松组：位于勘查区中部，出露面积较大。下部为多斑安山岩，上部为安山质凝灰熔岩、集块岩，顶部为流纹岩、流纹质凝灰岩。

鹰嘴砬子组：位于勘查区西南部。属含煤碎屑岩系，由砾岩、砂岩、粉砂岩、页岩及煤系组成。林子头组：位于勘查区中部，多不整合覆盖在茨沟岩组、红透山岩及雪花片麻岩之上，下部为灰色安山岩、英安岩上部为流纹岩、流纹质角砾熔岩。

2 钻探施工技术及质量要求

2.1 岩心要求

要求岩心直径不能小于Φ46 mm。

2.2 岩矿心采取率与整理。

（1）矿心及其近矿围岩（矿体上、下盘各5 m）采取率必须大于85%。如因地层等特殊原因确实不能达到此标准，需经发包方书面同意，并作为验收依据。

（2）回次岩心采取率不小于75%。全孔平均岩心采取率要达到80%以上。

（3）取出的岩矿心，应洗净后自上而下按次序装箱，不得颠倒或任意拉长，岩心应按规定编号，每回次应填放岩心票（包括没有岩心的回次），岩心箱应进行编号，规格要符合地质要求。

2.3 钻孔弯曲度与测量间距

（1）直孔每100 m弯曲度不大于2°，斜孔每100 m弯曲度不大于3°，可以按孔深累计计算；

（2）方位角偏差不超过勘探网度的1/3～1/4；

（3）直孔每钻进100 m 测一次顶角，斜孔每钻进50 m测一次顶角和方位；

（4）终孔测斜地质编录员应在现场监测。

2.4 简易水文观测

（1）在以清水为冲洗液的钻孔每班至少要测1～2 次孔内水位，没下好孔口管的孔段和普通泥浆钻进的孔段可以不测孔内水位；

（2）每次观测，应在提钻后、下钻前各测量一次，其间隔时间应大于5 min；

（3）钻进时遇有涌水、漏水、溶洞等现象应及时记录其孔深。

2.5 孔深误差的测量与校正

（1）每钻进100 m、进出含矿层、终孔后均要进行孔深测量，误差小于1 ‰者可不修正孔深；

（2）测量要使用经过校正的钢尺；

（3）见矿与终孔校正，地质编录员应在现场监测。

2.6 原始班报表

（1）在现场用钢笔及时填写，真实准确；

（2）有交接班班长和机长亲笔签字,不得代签；

（3）班报表保持整洁，终孔后装订成册。

2.7 封孔

（1）要有封孔通知书和封孔设计书；

（2）水泥封孔要用325 号以上水泥，水灰比要符合设计要求；

（3）每封完一层要在封孔段顶部位置取水泥浆样证实；

（4）封孔后必须在孔口中心设立水泥标志桩，并保证其质量；

（5）机长将《钻孔封孔设计和封孔记录表》送交项目技术负责。

以上是地质设计要求，本矿区实际完工的10个钻孔，完全满足了上述要求，优质孔率达100%。

3 施工设备的选择

根据矿区的地质要求及施工条件，设备选择情况如表1：

表1 设备选择Table 1 Drilling equipment selection table

4 钻孔结构、钻进方法及钻进参数的选择

4.1 钻孔结构

根据每个钻孔的岩层情况，施工中采用Φ110硬质合金钻头开孔，穿过土层及风化岩石进入较完整岩层后下入Φ108 套管，然后再采用Φ91 金刚石钻具钻进进入完整岩层后下入Φ89 套管，下套管的长度根据孔内岩层的实际情况而定。最后用Φ75金刚石绳索取心钻具钻进至终孔。

4.2 钻进方法与钻进参数

由于该矿区岩层变化较大，岩矿心采取率要求较高，岩矿心直径要求不小于46 mm，因此采用Φ75 金刚石绳索取心钻进。根据岩石的性能选择金刚石钻头胎体硬度HRC35～42，粒度80～120目。

正常钻进参数∶钻压8～12 kN ；转速300～800 r/min；泵量60～80 L/min。

由于地层情况不同，钻进参数随之变化，在完整地层钻进中按照正常参数控制，在不完整或研磨性较强的岩层中钻进要适当的改变钻进参数。根据岩层情况及钻头磨损情况和钻进效率事调整参数。在钻头刚接触孔底时用低转速轻压力钻进，进尺100～200 mm 后再用高转速和正常压力钻进。

金刚石钻头扩孔器排队使用，先用外径大内径小的钻头，后用外径小内径大的钻头。在不进尺的情况下或岩心堵塞时立即提钻，以防造成岩心采取率降低和其它孔内事故的发生。

5 钻进技术措施

5.1 开孔

开孔时，根据每个钻孔的地层特点选择不同的开孔方法。

（1）在冲积层、堆积层或松散的砂土层开孔时，使用肋骨钻头、刮刀钻头并使用普通泥浆作冲洗液，有时也使用普通硬质合金钻头干钻。孔壁坍塌严重时，就从孔口灌注稠泥浆或分段投入粘土球，捣实后再钻进。钻进预定深度后，及时下入孔口套管。

（2）在砾石层开孔时，用冲击钻头钻进或在孔口挖坑、灌注水泥后直接钻进，或先挖掘一定深度，埋入孔口管后再钻进。钻进中除用普通泥浆护壁外，还采用跟套管、注入快干水泥等方法，分段护壁、分段钻进。

（3）在硬岩层开孔时，应先用硬质合金钻头钻进300 mm 深，然后用旧的孕镶金刚石钻头钻进。

5.2 下套管

在钻进不稳定地层、遇到溶洞、大裂隙、含水层时，无法采用泥浆护壁时，便及时下入套管，采用下多层套管的方法护壁。

（1）下套管遵守的规定∶①仔细检查套管丝扣。套管丝扣应用粘结剂（如松香、沥青或环氧树脂）粘牢、拧接严紧。 ②下套管要轻稳，防止跑管，禁止强墩硬拧。③套管应座在基岩硬盘上，套管底部应用粘土或水泥封固。套管上端亦要严密封闭，防止岩粉沉入。④套管外部要涂高粘润滑油脂，减少起拔时的阻力。

（2）起拔套管遵守的规定∶①孔内套管数量较多时，先用起重机起拔松动后，再用升降机提升。②套管起拔困难时，用割管器将套管分段割开，分段起拔。

5.3 金刚石钻头、扩孔器的选择和使用

（1）选择金刚石钻头、扩孔器时按照金刚石的品级，金刚石钻头与扩孔器的规格性能必须符合《DZ2-78 地质岩心钻探金刚石钻头、扩孔器》标准的要求。

（2）根据岩石的可钻性、研磨性和完整程度来选择钻头、扩孔器的类型、金刚石粒度、浓度及胎体硬度。

（3）在硬的、坚硬的、可钻性级别高的和裂隙、破碎的岩石中钻进时，选用细粒表镶或细目数孕镶的钻头、扩孔器。

（4）在中硬的、可钻性级别低的和均质、完整的岩石中钻进时，选用粗粒表镶或粗目数孕镶的钻头、扩孔器。

（5）在研磨性强的岩石中钻进时，选用硬胎体的钻头、扩孔器。

（6）在研磨性弱的岩石中钻进时，选用软胎体的钻头、扩孔器。

5.4 钻头与扩孔器及卡簧之间要合理配合使用

（1）扩孔器外径比钻头外径大0.3～0.5 mm，岩层坚硬时应采用下限数值。

（2）卡簧的自由内径比钻头内径小0.3～0.4 mm。

（3）钻进时，按钻头和扩张孔器外径的大小，排好顺序轮换使用，即先使用外径大的，后使用外径小的；对于钻头来说，还应同时考虑先用内径小的，后用内径大的。

（4） 新钻头到达孔底后，进行“初磨”，即轻压（为正常钻压的1/3 左右）、慢转（100 n/min 左右）钻进10 min 左右，然后再采用正常参数继续钻进。

（5）减压钻进倒杆时，先用升降机将孔内钻具拉紧（不得提离孔底），倒杆后用油缸减压并在小于正常钻压的情况下平稳开车。

（6）坚持“五不扫”，即不用金刚石钻头扫脱落岩心、不用金刚石钻头扫残留岩心、不用金刚石钻头扫掉块、不用金刚石钻头扫探头石、不用金刚石钻头扫孔。做到“三必提”，即遇下钻受阻轻转无效、岩心堵塞、钻速骤降时必须提钻。

（7） 钻头出现以下情况时，不得再下入孔内∶①表镶钻头内外径尺寸较标准尺寸磨耗0.2 mm以上的；孕镶钻头内外径尺寸较标准尺寸磨耗0.4 mm 以上的；②表镶钻头出刃尺寸超过金刚石颗粒直径1/3 的；③表镶钻头有少数金刚石脱落、挤裂或剪碎的；④孕镶钻头出现石墨化现象的；⑤钻头出现明显偏磨的；⑥钻头水口和水槽小于标准尺寸的；⑦胎体有明显裂纹、掉块、沟槽或严重被冲蚀的；⑧钻头体变形，丝扣损坏的。

5.5 避免钻头非正常损坏的措施

（1）根据岩石物理机械性质选用金刚石钻头和扩孔器。

（2）孔底应保持清洁，当发现有硬质合金、胎块、金刚石、金属块、脱落岩心及孔壁掉块时应采用冲、捞、抓、粘、套、磨、吸等方法加以清除。

（3）钻具通过换径、探头石、孔壁掉块等部位以及在斜孔和干孔中下钻时，必须放慢下降速度。

（4）换径后应用锥形钻头修整换径台阶。

（5）地层由硬变软时应减压并控制钻进速度。

（6）钻进过程中应有专人，定时观察冲洗液消耗情况。

（7）使用金刚石钻头及扩孔器时，要填写使用卡片，及时记录每回次的各种有关数据及磨耗情况。钻头或扩孔器停用后，应及时作出评述，并连同卡片一起交技术部门保存。

6 冲洗液的选择及管理

本矿区施工的10 个钻孔，开孔下套管期间，全部采用普通泥浆钻进，普通泥浆的配制标准是：

基浆：配制1 m3泥浆加膨润土150 kg，纯碱3 kg，漏斗粘度22～27 s 之间。

待套管下完后采用绳索取心钻具钻进时，换成低固相泥浆。

6.1 低固相泥浆的配制

基浆：配制1 m3泥浆，加30～40 kg 粘土，搅拌均匀后，再加入预先泡好的聚丙烯酰胺溶液两水桶约36 kg（干粉1.5～2 kg），搅拌均匀后再加入0.1～0.4%的Na-CMC。

根据地层的不同泥浆的配制加量也略有不同，正常钻进时泥浆粘度控制在18～20 s 左右，在漏失层及破碎岩层可适当加大Na-CMC 的含量，使泥浆粘度达到20～25 s 之间。

6.2 低固相泥浆的性能指标

密度在1.05 g/㎝³以下，固相含量（按体积计）低于4%，岩粉与膨润土的比值（按质量计）不超过2，动切力（10-5N/mm2）与塑性粘度（mPas）的比值（动塑比）在4.8 以上。

6.3 泥浆循环系统的现场管理

机台设置三个泥浆沉淀箱，循环槽不得短于15 m，要在循环槽内设置纱网挡住杂物。每班至少要清理循环槽两次以上，每日清理沉淀箱一次。技术员每天测一次泥浆的性能，并随时指导机台配制适合不同地层钻进用的泥浆。

随着钻孔的加深泥浆也在不断的减少，往水源箱内加浆时一定要加入按配方配好的新泥浆，不得往水源箱内加不符合要求的泥浆或清水，避免因孔内岩粉增多出现埋钻事故。

7 保证钻探施工质量措施

7.1 保证施工质量的技术措施

（1）教育工作人员树立质量第一的观念，认真做好各工序的质量检查工作。

（2）安装时要保证钻孔中心、钻机立轴、钻塔天车中心在一条直线上，并用水平尺测量钻机安装的是否周正水平、平稳牢固。

（3）不使用旷动的立轴导管，要选择直的机上钻杆，开始压力要小，随钻孔的加深，逐渐加长钻具。

（4）遇有倾斜岩层钻进时要轻压慢转，选用出刃锋利的钻头和长、直、厚钢度较大的取心钻具。

（5）发现岩心堵塞或进尺突变时，不得继续钻进，应提钻查明取心情况及其突变原因。

（6）在矿层，矿顶底板和重要标志层中，应特别注意岩矿心采取情况是否满足地质要求，如岩矿心采取率偏低时应及时查明原因，并采取补救措施，同时控制钻进参数和回次进尺的长度。

（7）在取心困难的破碎地层中，使用绳索取心冲击器进行钻进，以提高回次进尺长度及岩矿心采取率。

（8）保证冲洗液的质量，选择相应的钻进参数（压力、转数和泵量）适当控制回次进尺的长度和时间。

（9）机台配齐所需的各种钻进工具及附属工具。

（10）退取岩心时要尽量避免人为破碎，并严格禁止岩矿心从上到下顺序颠倒。

（11）准确掌握封闭孔深及隔离位置，选用有一定强度的架桥材料，并将其牢靠的固定在隔离孔段位置。

（12）使用泥浆做冲洗液的钻孔，应根据情况自下而上的清洗封闭段孔壁的泥皮后在进行封孔。

（13）用水泥封孔采用泵注法，将水泥搅拌均匀，水灰比控制在0.5 左右。钻孔封闭结束后再起拔套管。

7.2 提高岩矿心采取率措施

（1）根据各矿区地质条件、岩矿层的物理机械性质和技术因素，正确地选择取心方法和工具。

（2）各类专用取心工具必须妥善保管，使用前要认真检查，每次用后要清洗检查、注润滑油。

（3）在取心困难的矿层中钻进时，应限制转速、压力和泵量，适当控制回次进尺长度和时间。

（4）钻进时回次进尺不得超过岩心管长度。

（5）在矿层、矿层顶底板和重要标志层中，岩、矿心没有采取上来时，须专程捞取，不应继续钻进，必需钻时每回次不得超过0.5 m。捞取岩、矿心时应尽量采用喷反、无泵或钢丝钻头等有效方法。

8 结语

通过该矿区的勘察钻探施工体会到，在复杂地层进行钻探施工，必须根据地层情况采取相应的技术手段，灵活运用现有的钻探施工工艺，选择合理的钻进方法，配备能力较强的施工设备及机具，使用适应该地层的钻进冲洗液。总之，只要采取有效的技术措施，认真抓好每个施工环节中的细节，严格执行国家颁布的地质岩心钻探规程，无论遇到什么样的复杂地层，都能得到解决。

[1] DZ/T 0227—2010,地质岩心钻探规程[S].

[2] 王 生.钻探工艺与设备[M].长春：吉林科学技术出版社，2009.