半合管钻探工艺在滇东南建水普雄稀土矿床勘查中的应用

2021-11-12张子军倪光清严城民伍荣林周炳朝王长兵

钻探工程 2021年10期

张子军，倪光清*，瞿亮，严城民，伍荣林，周炳朝，王长兵

（1.云南省核工业二〇九地质大队，云南昆明650101；2.云南省地矿局区域地质矿产调查大队，云南玉溪653100；3.云南省三稀矿产资源勘查评价工程研究中心，云南昆明650101）

0 引言

近年来，云南的风化壳离子吸附型稀土矿找矿效果显著，滇西南临沧花岗岩体、滇东南建水长岭岗碱性岩体、滇西腾冲—陇川地区均发现了不同规模的离子吸附型稀土矿床［1-5］。这些矿床的发现，增加了稀土储量，丰富了矿床类型。随着找矿勘查的深入，理论研究也得到了不断完善和长足发展［6-9］。

滇东南建水普雄稀土矿成矿母岩为长岭岗碱性岩体，岩性为霞石正长岩和碱性正长岩。不同于云南省已发现的花岗岩风化壳离子吸附型稀土矿［10］，长岭岗碱性岩体风化壳厚度大，一般为10.50～60.42 m，最厚90.60 m，其中全风化层厚度0.50～71.74 m，半风化层厚度0.50～81.00 m；稀土全相品位高，全风化层稀土全相品位0.164%～0.207%，半风化层稀土全相品位0.126%～0.161%。一般的浅井或赣南钻无法揭穿稀土矿体，传统的机械岩心钻探由于钻具的扰动，致使岩（矿）心结构遭受破坏。目前，半合管钻探技术在其它领域已有较成熟的应用［11-18］，但针对风化壳离子吸附型稀土矿，未见相关文献报到。基于上述因素，云南省核工业二〇九地质大队采用半合管钻探工艺对普雄矿区的稀土矿体进行了揭露和评价。本文通过矿区稀土特征、半合管钻探工艺特点和原理、施工质量，结合单一对应样品、单工程平均品位的相对误差合格率、相对误差超差率对比，总结出半合管钻探工艺能有效的应用于风化壳离子吸附型稀土矿勘查和评价。

1 风化壳离子吸附型稀土矿的特征及钻探施工难点

1.1 风化壳离子吸附型稀土矿的特征

离子吸附型稀土矿系含稀土花岗岩、碱性岩、火山岩或变质岩经多年风化（物理、化学、生物风化）形成粘土矿物，稀土离子以水合离子或羟基水合离子吸附在粘土矿物的表面，遵循离子交换规律，可用硫酸铵等化学试剂提取稀土。稀土矿体多分布在高程较低的丘陵地带，松散的砂粘土有白色、灰色、红色、黄色等。矿山产品为混合氧化稀土，稀土配分类型有轻稀土型、中重稀土型和重稀土型。矿体埋深浅，矿石中稀土元素大多呈离子状态吸附在高岭土、埃洛石和水云母等粘土矿物上。

云南省离子吸附型稀土矿主要分布在山体平缓地带，母岩一般为花岗岩类和碱性岩类。在不同的母岩分布区，垂向上风化壳厚度有着明显差异。在碱性侵入岩分布区，风化壳具有的主要特征是粘土、高岭土化强烈，原岩特征基本消失，岩石结构疏松、易碎，手搓多为粉末状，且具有滑感。部分地段有淡红、灰绿色的霞石正长岩和碱性正长岩球状未风化体，向下逐渐过渡到弱风化层直至基岩。

1.2 钻探施工难点

稀土矿勘查过程中钻探施工的难点主要表现在以下几个方面：

（1）常规钻探方法钻进，冲洗液对岩（矿）心的冲刷，根本无法取到完整岩（矿）心，采取率低，且稀土离子矿物基本被冲洗液冲走，样品没有代表性，故而规范要求不允许采用冲洗液钻进。

（2）不同微地貌单元风化程度不一，部分地段存在球状未风化体。机械干钻的方法，钻头未冷却无法正常钻进，且获得的岩心经过高温，结构状态完全变化（图1），虽然采取率高，但岩样原状结构基本被破坏甚至完全破坏，不符合取样要求。

图1 干钻法取出的稀土矿岩心Fig.1 Rare earth cores taken out by dry drilling

（3）钻进弱胶结层位时，钻孔孔壁掉块、垮塌，卡钻、埋钻频繁，岩心采取率达不到规范要求，采取的岩（矿）心质量更是无法满足要求；钻进胶结较好层位时，岩心从取心管中取出需要敲击，岩矿原状结构也遭受破坏（图2）。

图2 从岩心管敲击取出的稀土矿岩心Fig.2 Rare earth ore core taken out from the core tube

（4）在江西、广东、福建等省常用的浅井、赣南钻虽然也能满足取样要求，但对厚大的稀土矿体以及赋存于地下水以下的矿层便无法揭穿。

2 半合管钻探工艺特点和原理

鉴于风化壳离子吸附型稀土矿的特征及钻探施工难点，云南省核工业二〇九地质大队对风化壳层的结构特征、可钻性和水敏性进行了充分研究并在现场进行了大量的泥浆、钻头、钻进参数和工艺的试验。最终采用了底喷式钻头和不分散无固相抑制性泥浆护壁，结合小泵量单动双管半合管取心工艺，对厚大的风化壳离子吸附型稀土矿进行揭露和评价。

2.1 半合管特点

半合管装置如图3所示，取心工艺主要有以下几个特点。

图3 取心器单动装置、单向阀及内壁光滑的半合管Fig.3 Swivel,one⁃way valve and split tube of the core barrel

（1）设置了双级单动机构，确保了岩（矿）心进入半合管内后不再受任何扰动。

（2）内壁磨光的半合管有利于破碎、松散的岩（矿）心进入，取出地表后直接打开半合管就能顺利取出岩（矿）心，有效地保证了松散岩（矿）心的结构特征。

（3）单向阀保证了冲洗液不对岩（矿）心进行冲刷和浸泡，既保证了钻头的冷却和钻孔的稳定，又避免了冲洗液对岩（矿）心的破坏和浸入，有效提高了岩（矿）心采取率和采取质量。

2.2 半合管原理

半合管钻具的结构示意和应用状态如图4、图5所示。

（1）半合管钻具是通过改进普通单动双管钻具演化而来，通过抱箍钩头定位（图5），上端与下单动相连，下端与卡簧座相连。上单动接头连接外管配合钻头使用（图4）。在钻进过程中半合管内管不随外管转动，部分岩屑分离下沉进入沉砂管，避免进入单向阀和内外管之间。单向阀使冲洗液在正循环钻进时畅通，而在下钻过程中封闭，有效防止钻具在接近孔底时堵塞通道。单向阀的上阀座上面有打捞头，用于打捞钻具。

图4 半合管的结构示意Fig.4 Mechanical design of the split tube

（2）半合管的中部抱紧机构通过开口钩头抱箍与梯形槽相配合（图5）。半合管中部不同长度位置车削有5道环槽，每道环槽中开有2条梯形槽缝；由于梯形槽在不同位置所夹大弧长度不同，当抱箍钩头由上端进入槽缝，然后推动到下端位置，则将半合管抱紧；在取心过程中将抱箍钩头全部打开，半合管内管分成两半，保留原状岩（矿）心，有效减少在取心和装箱过程中对岩（矿）心的人为干扰。

图5 半合管的安装及工作状态Fig.5 Installation and wor king status of the split tube

3 样品采集与分析

3.1 样品采集

本次对比验证工作施工7口浅井，半合管钻探工程7个（图6）。

图6 钻孔和浅井对比Fig.6 Comparison of boreholes and shallow wells

为保证施工安全，对比验证工程先施工钻孔，钻孔终孔后在钻孔位置1 m范围内施工浅井。为保证样品的可对比性，施工时浅井采样壁须靠近钻孔。采样时参考钻孔采样位置，同时考虑浅井施工中的粘土层、全风化层及半风化层的位置划分样段，采样后样品及时送化验室分析。

3.2 分析结果

浅井和半合管钻探工程中分别采集37件样品，包含粘土层、全风化层和半风化层样品。样品经玛瑙研钵研磨至200目，在具有甲级测试分析资质的云南省核工业二〇九地质大队实验室分析，测试仪器采用加拿大ELANDRC-e型等离子体质谱仪（QICP-MS），分析精度对稀土元素优于5%。对比试验工程的全相稀土总量（TREO）分析结果见表1。

表1 对比试验工程取样位置及全相稀土总量（TREO）分析结果Table 1 Compar ative test project sampling location and total rare earth（TREO）analysis results

4 半合管钻探工艺的应用对比及推广情况

根据相同采样位置、相同样品长度的原则进行对比分析。浅井样品为壁上刻槽采集，其数据的真实性、可靠性相对较高。因此，对比试验以浅井样品为基本分析样，钻孔的样品作为验证样。分别采用同工程单一样品、单工程平均品位进行相对误差合格率、相对误差超差率计算。按照《稀土矿产地质勘查规范》（DZ/T 0204—2002）要求，以品位变化系数30%和60%为界，将稀土组分分布均匀程度划分为均匀（品位变化系数＜30%）、较均匀（品位变化系数30%～60%）和不均匀（品位变化系数＞60%）共3种，结合李国生等［18］数据，本次对比工作相对误差以30%为临界点计算相对误差合格率和相对误差超差率。

4.1 单一样品对比

根据《云南省建水县普雄矿区风化壳型铌稀土矿勘探报告》要求，风化壳离子吸附型稀土矿工业指标：轻稀土边界品位［ω（TREO）］为0.07%～0.1%，最低工业品位［ω（TREO）］≥0.1%。相对误差=［（浅井样品品位-钻探样品品位）/浅井样品品位］×100%。本文以0.07%作为临界点进行对比分析，对比结果见表2。

表2 单一样品相对误差统计Table 2 Relative errors of a single sample

由表2可以看出，在品位＜0.07%的14件样品中，2种取样工程相对误差＜30%的有14件，占样品总数的100%；在品位≥0.07%的23件样品中，相对误差＜30%的有23件，占样品总数的100%。所有对比样品分析结果的相对误差均在30%以内，满足行业规范所允许的误差范围要求。

4.2 正负偏差对比

本次工作对样品品位的正负偏差进行了统计，同样以0.07%作为临界点进行对比分析，统计结果见表3。

表3 正负偏差统计Table 3 Positive and negative deviations

从表3可以看出，在品位＜0.07%的14件样品中，正偏差的样品有11件，占样品总数的78.57%，负偏差的样品有3件，占样品总数的21.43%；在品位≥0.07%的23件样品中，正偏差的样品有12件，占样品总数的52.17%，负偏差的样品有11件，占样品总数的47.83%。品位≥0.07%的样品正负偏差大体相当，满足资源量估算要求。