吉林省苇砂河铁矿深孔岩芯钻探技术

杨春柳，皮微微

(吉林省第六地质探矿工程大队，吉林延吉133401)

吉林省苇砂河铁矿深孔岩芯钻探技术

杨春柳*，皮微微

(吉林省第六地质探矿工程大队，吉林延吉133401)

吉林省苇沙河铁矿区第四系覆盖层及风化层厚度大，地层复杂，钻探存在坚硬打滑，构造发育、断裂破碎带多等现象。针对该矿区地层特点，从设备选型、钻孔结构、钻进参数、冲洗液等方面采取相适应的施工工艺及技术措施，取得了较好的效果，对今后的钻探施工有所帮助。

绳索取芯+SYZX76型绳索取芯液动锤钻进；第四系覆盖层；复杂地层；钻探技术

1 概况

1.1 矿区

吉林省苇沙河铁矿位于吉林省临江市苇沙河镇境内，在临江市西南约15km的东沟中。2014年我队受探矿权人——临江市东峰有色金属股份有限公司委托，对该矿区投入了大量的人力、物力进行地质勘探找矿普查（续作）工作，地质设计续作钻探工作量15100m，设计钻孔深度主要在1200～1600m，平均孔深在1370m左右，设计倾角80°～85°。通过对该矿区的深部找矿勘探，为吉林省再次提交一处大中型矿山提供了强有力的资源保障。

1.2 区域成矿地质条件

矿区所处大地构造位置：华北地台（Ⅰ）级北缘乐段，辽东台隆（Ⅱ）级，大子河—浑春陷褶皱断束（Ⅲ级），老岭断块（Ⅳ级），中段之南东翼，按以往找矿经验及本区目前发现的已知矿体的规律，矿体产于大栗子组地层中，与岩层产状一致。

1.3 地质特征简述

1.3.1 地层

矿区内全部被第四系覆盖，依据施工钻孔揭露第四系厚度为120.10m，以冲积物为主，表层为耕土，以深依次为石英砂岩、粉砂岩、页岩等。第四系下段地层自下而上划分为临江组和大栗子组，岩性为二云片岩、绢云千枚岩、白云大理岩及石英岩。

1.3.2 构造

区域内总体构造格架属老岭断块中段南东翼的一部分，由早元古代老岭群地层组成基底构造，晚元古代青白口系地系地层组成盖层构造，由于区内经历多次构造运动影响，尤其是吕梁时期和燕山期构造运动，使构造更加复杂多样化。

2 钻探技术要求

2015年矿区设计钻孔全部为斜孔，倾角80°～85°，终孔直径不小于76mm，孔深在1200～1600m之间。钻孔技术要求如下：

（1）不经现场地质技术人员同意，钻孔的位置不得移动，移动大于20m需要请求项目主管部门同意。

（2）矿化带重要标志层以及矿体和矿体顶底板围岩5m范围内的采取率不小于85%，在矿层中钻进时，回次进尺一般不大于2m，若连续2个回次或进尺1～2m矿区采取率小于85%，要及时采取补救措施，全孔岩层平均采取率不小于75%，终孔直径不小于Ø76mm。

（3）钻孔终孔后，对见矿部位用水泥封孔，孔位用水泥经桩做标记。

（4）其他技术要求严格按照《地质岩心钻探规程》（DZ/T0227-2010）执行。

3 钻探施工中存在的主要问题

（1）第四系覆盖层及上部风化层较厚，120m左右，主要为砾石层及砂土互层、亚砂土、亚粘土。因结构松散，胶结性差，钻进过程中在砾石层中易发生坍塌及漏失、在砂土中易发生坍塌、在粘土中易发生缩径、套管提不上来等事故。

（2）矿区构造极其发育，每个钻孔都遇到多处构造，最多一个钻孔遇到了5处构造。构造带岩石破碎，钻探施工出现了坍塌、掉块、漏水、缩径等不良地质现象，造成卡钻、夹钻、埋钻、钻杆折断等众多孔内事故，施工进度缓慢，钻探成本大幅增加。

（3）钻孔深，岩石可钻性等级高。1200m左右及以深钻孔存在2层磁铁矿，厚度在8～21m之间，埋藏深度在980～1400m之间。岩石可钻性等级达到10～12级。每班12h进尺一般不超过2m，是业内公认的坚硬、致密、打滑地层。由于需要经常上下钻处理钻头上金刚石出刃问题，一方面带来孔壁不稳，另一方面造成辅助时间过长、钻进效率低、职工劳动强度大，成本上升。

4 主要钻探设备及器具

根据孔深、地层及现场情况，施工设备主要选用XY-5型钻机3台，XY-6B型钻机2台，BW250型泥浆泵5台，SGX-17型四角塔3部，HCX-23型四角塔2部，JSJ型绳索取芯绞车5台，高扬程水泵5个。

钻杆：为适应深孔复杂地层钻进，选用强度高、抗扭能力强的唐山金石超硬材料有限公司生产的加厚接头镦粗的绳索取芯钻杆，并配置泥浆搅拌机等。

钻具：开孔钻具为Ø127mm、Ø108mm单管钻具，正常钻进钻具为Ø76mm绳索取芯钻具及SYZX76型绳索取芯液动锤钻具。

5 钻进工艺技术措施

5.1 钻孔结构

由于该矿区地层十分复杂，第四系覆盖层及上部风化层较厚，达120m左右，往往每级套管都不可能下到位，必须预留较宽的换径余地。因此，采用“三级套管四级成孔”钻孔结构才能顺利达到施工要求，即Ø130mm-Ø110mm-Ø95mm三级钻进后，下入Ø127mm-Ø108mm-Ø89mm套管，最后换Ø76mm口径终孔。

5.2 钻进方法

上部第四系覆盖层及风化层，采用普通金刚石单管钻进，选用粘度大、失水量小、携带岩粉能力强、护壁性能好的冲洗液。

深部石英砂岩、二云片岩、粉砂岩、石英岩等地层，采用绳索取芯液动锤金刚石钻进。

硬、脆、碎及打滑地层（矿层及上部脉岩）采用绳索取芯金刚石钻进或绳索取芯液动锤金刚石钻进。

5.3 钻进技术参数

钻进技术参数优化组合的确定受到钻遇岩石的物理力学性质、钻孔结构、钻孔直径、设备性能、钻头类型及结构参数、冲洗液类型、班长技术水平等约束。鉴于制约因素较多，各种组合较多，依据本矿区实际情况，使用的钻进技术参数见表1，SYZX76绳索取芯液动锤钻进技术参数见表2。

表1 绳索取芯钻进技术参数

表2 SYZX76绳索取芯液动锤钻进技术参数

5.4 绳索取芯液动锤的推广应用

相对绳索取芯钻探工艺，SYZX（76、96）系列绳索取芯液动锤钻探工艺，不但具有钻进效率高、岩矿芯质量好、钻头寿命长、劳动强度低等优点，而且具有广泛的适应性，能适用于钻进6～9级的中硬层，尤其适应10～12级结构致密、颗粒细小、弱研磨性的极坚硬岩石或强研磨性的硬、脆、碎岩石。

5.4.1 绳索取芯液动锤应用效果（表3）

表3 绳索取芯液动锤应用效果表

5.4.2 绳索取芯液动锤钻进与普通绳索取芯钻进使用效果对比（表4）

通过生产实践证明，同口径的绳索取芯液动锤与普通绳索取芯钻相比有如下特点：针对强研磨性的硬、脆、碎地层，台月效率提高1.64倍，可提高岩芯采取率，延长回次进尺，由1.60m/回次提高至3m/回次。

5.5 冲洗液的选择和应用

在应用SYZX型绳索取芯液动锤取芯钻进中，为避免钻杆、钻具和液动锤内壁结垢，应尽量采用清水或无固相冲洗液。临江苇沙河铁矿区大部分地层完整且单一，因而选用了无固相冲洗液，但在第四系覆盖层及破碎、坍塌、掉块地层，选择使用了优质泥浆和PAB无固相冲洗液。

表4 绳索取芯液动锤钻进与普通绳索取芯钻进使用效果对比表

5.5.1 第四系覆盖层及风化层

第四系覆盖层及风化层即有砾石坍塌层、漏失层，又有粘土缩径层，且具有造浆功能，选用粘度大、失水量小、携带岩粉能力强、护壁性能好的冲洗液，具体配方为：10%～15%优质钠基膨润土+0.25%NaOH+0.3%磺化沥青+0.3% CMC+0.016%KPAM；若漏失可加入锯末5kg/m3。

冲洗液性能：密度1.02～1.06g/cm3，粘度30～33s，失水量10～12 mL/30min，pH值为8.5～9。

5.5.2 断裂破碎带，蚀变带地层

矿区断裂破碎带、蚀变带多，破碎带胶结强度不够，排列疏松，整体表现不稳，前期使用的PAM+CMC无固相冲洗液一直存在掉块、坍塌现象，后采用PAB无固相冲洗，具体配方：PA粉1%～2%，PB粉0.24%。

冲洗液性能：密度1.02～1.06g/cm3，粘度22～24s，失水量6.6～8mL/30min，pH值为7.5。

PA·PB处理剂造价高，约2.5万元/t，配制1000L该冲洗液其成本360～400元。若全孔循环使用，浪费严重，因此，当钻穿破碎带、蚀变带地层后，便将预制好的PAB无固相冲洗液泵入该层段，停钻2～4h后，即可使用PAM+CMC无固相恢复正常钻进。

实践证明，该冲洗液适用于钻进高岭土、绿泥石化等蚀变带，断层泥与角砾、粉碎状破碎带、泥质和炭质页岩层、流砂和风化层等复杂地层，效果较好。

5.5.3 冲洗液配置应注意的问题

（1）要购置正规厂家生产的处理剂，而市场上采购的部分材料达不到规定性能，如PHP大部分用于污水处理，分子量低且含食盐。CMC用于房屋装修，粘度不够等，因而导致按配方配制，但性能指标达不到理想效果。

（2）钙膨润土要预先浸泡加碱钠化处理。有机处理剂要先浸泡，并要保证足够的时间。如PA·PB预浸泡时间必须大于20h，CMC浸泡时间至少8h等。

（3）处理剂一定要准确计量，依次加入，为避免各处理剂之间阻溶和不理想交联而导致絮凝现象，按先无机后有机，先分子量小后分子量大的。

（4）搅拌要充分，各种处理剂之间的交联作用必须具备充分的接触条件，每一种处理剂加入后，至少用搅拌机保持10～15min搅拌。

（5）勤测量。冲洗液循环使用后，要勤测量并认真记录，防止其他液体混入，及时检测性能指标，发现不符合设计要求时要及时调整，确保冲洗液性能稳定。

6 结束语

在临江苇沙河铁矿深孔钻探的施工实践表明，针对复杂地层的不同孔段，必须采用合理的钻进技术，提高钻进效率，降低施工成本和孔内事故的发生，通过该矿区的施工，积累一定的经验，以期对今后的钻探施工有所指导。

（1）任何钻探施工都要充分了解矿区地层、构造等地质资料，尤其是深孔施工设计要精、细、全，这是保证施工顺利进行的前提。对可能碰到的问题既要预测全面，又要做好应对措施，制定好施工应急预案。

（2）优化钻孔结构，合理选择钻进工艺参数。对破碎孔段采用优质泥浆钻进，同时要加强冲洗液的配置和维护是关系到整个钻孔成功与否的前提。

（3）针对硬、脆、碎地层，使用绳索取芯液动锤钻进，充分发挥新工艺、新技术的最优性能，是提高施工效率和经济效应的直接手段，先进的科学的施工工艺能大大降低事故发生率，降低施工成本。

[1]柴世刚，等.小秦岭灵宝金矿田整装勘查第一深孔钻探工艺[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（9）：23-26.

[2]董国明，等.河北省古马铁矿深孔岩心钻探技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（5）：26-30.

P634.15

B

1004-5716(2016)12-0063-03

2016-03-01

2016-03-10

杨春柳（1976-），男（汉族），吉林永吉人，工程师，现从事探矿（岩土）工程管理与技术研究工作。