组合双管绳索取心钻具在羊石山金矿勘查中的应用

2018-07-14李洪鹤毛益林

钻探工程 2018年6期

李洪鹤，毛益林

(江西省核工业地质局二六七大队，江西九江 332000)

1　矿区概况

1.1　地理交通条件

云南省芒市上芒羊石山金矿位于西南三江地区中南段，北起潞西市三台乡，南止瑞丽市畹町镇。勘查区地处云南的怒江以西地区，属典型高原地貌，属中等切割的中山区。最大高程1501.60 m、最低高程793.10 m，相对高差708.50 m。区内周边有国道和高速公路，交通方便，用水、用电较为方便。

1.2　矿区地层

1.2.1勘查区地层

勘查区地层由二叠系下统沙子坡组及侏罗系中统勐戛组、柳湾组，上统弄坎组组成。

沙子坡组(P1s)：该组呈北东向长条状分布，纵贯全区。主要岩性为白云岩，次为白云岩夹灰岩及泥砂质灰岩—白云岩。

勐戛组(J2m)：分布范围与沙子坡组相同(北东向纵贯全区)，与下伏沙子坡组为平行不整合至微角度不整合，接触面为凸凹不平的古岩溶面。主要岩性为砂质页岩、钙质—泥质粉砂岩夹少量泥灰岩透镜体，白云质灰岩、泥砂质灰岩夹粉砂岩，页岩、细砂岩，泥岩、粉砂岩、细砂岩夹泥质灰岩透镜体。

柳湾组(J2l)：上部为薄—中厚层状含泥质生物介壳灰岩；下部为页岩、砂质夹泥质灰岩，底部偶见砾岩。

弄坝组(J2n)：岩性为页岩、砂岩及砂砾岩。

1.2.2勘查区地质构造

勘查区断裂构造十分发育。龙陵—瑞丽大断裂往东南7 km距离内发育6条北东向次级断层，这些断层均呈北东—南西走向，延伸都达20 km以上。除上芒岗断层上部较缓，其余断层倾角都较陡，微向西倾。断裂破碎带宽度都在十几米以上，由压扁透镜体、石香肠、碎裂岩、构造角砾岩、糜棱片岩带组成。这些断裂主要微压扭性右旋平移走滑性质。

2　钻孔设计和施工计划

钻孔开孔前需对照地质组提供的钻孔柱状图的岩层、深度等信息来设计钻孔结构施工图，为钻探施工提供依据。施工单位应根据钻孔结构施工图预估复杂地层下套管深度和各层位的泥浆护壁处理办法，并编制事故的应急处理方案，确保钻探施工的顺利进行。钻孔设计如下。

(1)钻孔深度500～700 m，钻孔26个，工作量14000 m，方位角135°，顶角0°和15°，视钻孔地层层位变化和见矿情况适当调整加深孔深。

(2)钻孔结构设计开孔孔径≮130 mm，上部覆盖层和破碎岩层孔径110 mm，孔深350 m之内口径≮95 mm，终孔口径≮75 mm。钻孔结构设计见(图1)。

图1　钻孔结构设计

(3)钻探六项指标符合地质要求，强调覆盖层采取率≮85%，矿层和矿化带地段采取率≮90%。

(4)施工计划要求安排钻机4台(XY-4型钻机2台、XY-44型钻机2台)，2014年4月开始钻探工作，2014年10月28日结束野外作业。

3　施工中存在的问题

在承接任务的起初，我们采用的是常规硬质合金及金刚石单管钻进施工工艺，用Ø130 mm开孔，钻穿覆盖层后，下入Ø127 mm孔口管，再用Ø110 mm普通金刚石钻进等工艺，由于岩层倾斜，地层破碎，冲洗液漏失严重，致使我们在该矿区施工中遇到诸多问题，主要有以下几个方面。

(1)勘查区断裂构造十分发育，岩体陡斜，软硬互层变化频繁，钻孔在0～200 m容易偏斜。

(2)上部覆盖层和风化岩层及矿层，Ø110 mm单管钻进岩心采取率低，不能满足地质要求，用HQ95绳索取心钻具钻进，又需要扩孔至Ø110 mm口径，钻孔及扩孔重复交替施工，工人劳动强度大，钻进效率低，且Ø108 mm护壁套管较难下入理想的位置。

(3)岩石破碎，裂隙发育，钻孔冲洗液漏失严重，采用水泥浆封堵待凝时间长，而且封一段钻一段，效率还是不高，不能满足施工进度要求。

(4)岩石破碎，掉块卡钻，钻孔坍塌、埋钻事故频发。

4　组合双管绳索取心钻具的制作及应用

4.1　组合双管变径接手的制作及应用

如何突破这一施工难题，解决0～200 m这一“瓶颈”地层，成了该工程能否成功的关键。现场钻探技术人员在困难面前及时总结经验，对原有钻探工艺进行调整，对钻具进行大胆构思和创新改进，经反复摸索实践，通过不断尝试，我们设计制作出一个组合双管变径接手，即将3个联结在一起的Ø95 mm绳索取心钻杆接手与切割改造的Ø108 mm套管接箍组合在一起，通过焊接方式连接，组成一个双管变径接手(见图2)。

图2　组合双管变径接手

这个组合双管变径接手是组成组合双管绳索取心钻具的关键部件，其作用是把Ø110 mm单管钻具和HQ95绳索取心钻具组合在一起，外层为Ø110 mm单管钻具，里层为HQ95绳索取心钻具，使钻孔和扩孔通过组合得以同时进行，里层HQ95绳索取心钻具稍超前于Ø110 mm单管钻具，其主要功能是钻进取心，提高岩心采取率，而外层Ø110 mm单管钻具所使用的是薄壁金刚石钻头，能较好地切削岩体，控制进度，其主要功能是扩孔和护孔，这样一是避免了单纯使用绳索取心钻进时，由于钻孔坍塌、掉块，安装Ø108 mm套管时不断重复扫孔、扩孔的过程，有效地缩短了工作时间；二是HQ95绳索取心钻具在Ø108 mm外管的保护下能更好地进行钻进取心作业，提高了上部地层的岩心采取率；三是能有效地保护绳索取心钻具的安全，提高成孔机率，降低废孔风险，即使出现卡钻事故，也可以留置Ø108 mm管在孔内作护壁套管，绳索取心钻具照样能安全提升，继续钻进；四是由于组合双管绳索取心钻具的刚度、质量大幅增加，有效地控制了钻孔偏斜，提高了钻孔质量。

4.2　钻具制作注意事项

(1)在采用焊接法加工组合双管变径接手时要求保证内孔和外丝有较高的同心度，即Ø108 mm套管接箍内孔与钻杆接手之间有较小的间隙配合，焊接时不能产生变形和扭曲，以保证Ø110 mm单管钻具和HQ95绳索取心钻具的同心度。

(2)要保证焊接部位牢固。在现场要求具有较好焊接水平的人员进行焊接，焊接时应做好各部位的冷却处理工作，保证各部件不因焊接高温产生脆变，影响使用效果或产生脱焊、扭断等事故发生。

(3)Ø110 mm单管钻头与HQ95绳索取心钻头配合间隙不宜过大或过小，一般控制在超前9～10 mm，这样能保证钻进过程中边打边扩，钻孔和扩孔同时进行既有利于保证钻孔的同心度，又利于钻头的冷却和排除岩屑。

(4)Ø110 mm单管钻头具有钻孔和扩孔作用，但主要作用是扩孔，所以Ø110 mm单管钻头选用胎体硬度HRC35～40，金刚石浓度65%～80%的薄壁钻头。Ø110 mm单管钻具选用厚壁钢管，保证其材质的刚度。

(5)设计加工组合双管绳索取心钻具务必保持精准的同心度，保证主动钻杆、HQ95绳索钻杆、组合双管钻具三者在一条轴心线上。

4.3　钻探操作技术要求

(1)上部覆盖层和不稳定地层，Ø130 mm开孔，采用干钻或控制泵量保湿状态钻进，保证岩心采取率85%以上。

(2)安装好第一级Ø127 mm套管后，做好孔口封闭工作，然后直接采用Ø110 mm—HQ95组合双管绳索钻具钻进，要求开孔时一律采用全新Ø110 mm钻头、Ø95 mm钻头和扩孔器，避免后期更换钻头扫孔现象，钻具入孔前应认真仔细检查各部件的连接、钻杆和内管弯曲和磨损量、钻头配合间隙及牢固程度。

(3)组合双管绳索取心钻具入孔前，应配制好钻孔冲洗液，首先进行钻孔冲冼，待孔内干净后再触底轻扫，不可一杆到底加压钻进，避免钻头损坏。

(4)扫孔接触新层面后，开始应轻压慢速钻进，保证钻孔的方位和顶角不偏斜。

(5)随着钻孔深度不断增加，可适当调整钻进压力和钻进速度。考虑该矿区浅部地层较破碎，冲洗液漏失严重，钻进速度不宜过高。

(6)钻进过程中应随时观察钻进进尺变化，熟悉掌握各岩层分布规律，把控好岩心采取率，当钻进速度过快时应立即提内管取心观察，若岩心采取率偏低，应减少泵量，缩短钻进进尺，避免盲目快速而漏失地层。当钻进缓慢或不进尺时也应立即提内管取心观察，分析清楚原因后再下钻施工，避免岩心堵塞而造成岩心磨损，禁止钻进缓慢时上下倒杆行为。

(7)当钻进至稳定地层后，安装Ø108 mm套管，做好孔口和孔底的封闭工作，改用HQ95绳索钻具钻进，钻进过程尽量保证三级口径终孔。

4.4　冲洗液的选择和使用

(1)前期冲洗液采用粘土粉、烧碱、水混合配制，在前期施工护壁堵漏效果不佳。

(2)后期冲洗液改进为腐植酸钾、聚丙烯酰胺、钠羧基纤维素和低荧光防塌剂等混合性泥浆，泥浆配方为：1 m3基浆+2.4 kg腐植酸钾+0.8 kg聚丙烯酰胺+4 kg钠羧基纤维素+3 kg防塌剂。泥浆性能参数为：密度1.08 g/cm3、粘度38 s、pH值9.0、失水量4 mL/30 min。保证钻孔内液柱压力和孔外压力平衡或大致相当。其比例根据孔深、地层、地段变化而变化。

(3)做好泥浆循环系统布置、净化工作，根据冲洗液漏失情况，及时补充新鲜泥浆，始终保持泥浆含砂率较小，具有一定的粘度、稠度。规定孔深到达一定深度时，每钻进100 m，必须彻底更新泥浆。

(4)钻孔提下钻要匀速提升，严格控制提钻下钻速度和加速度，防止产生“激动”和抽吸现象，造成孔壁破坏。提钻同时及时增补冲洗液，保持孔内压力。

(5)对于漏失严重地段，每钻进一个回次，选用聚丙烯酰胺、低荧光防塌剂、谷壳、木屑高浓度混合，采用沿钻杆倾倒一定量后静置1 h左右，开始钻进。缩短了封孔等待和扫孔时间。这个阶段一定要注意泥浆泵的维护保养工作。

5　钻具改进后效益分析及对比

5.1　时间参数对比

前期施工ZK1126、ZK1127孔，设计孔深分别为580 m和620 m，其中15～160 m，采用Ø110 mm单管钻具钻进，耗费时间为19 d和22 d，终孔施工累计时间分别52 d和56 d，且岩心采取率低，为补取岩心，这2个孔还分别补钻80 m和100 m。ZK1231、ZK1208设计孔深分别为630 m和650 m，其中15～200 m，采用组合双管绳索取心钻进，施工时间为8 d，终孔施工累计时间分别39 d和40 d。钻进效率对照详见表1。