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      青海省都蘭縣五龍溝礦區(qū)坑道鉆探工藝研究

      2015-01-01 02:54:04徐國(guó)輝萬道含楊樹強(qiáng)高元宏
      鉆探工程 2015年11期
      關(guān)鍵詞:五龍坑道繩索

      徐國(guó)輝,萬道含,楊樹強(qiáng),高元宏

      (1.青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,青海西寧810000;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院,湖北武漢430074)

      東昆侖造山帶是一個(gè)經(jīng)歷多期構(gòu)造活動(dòng)的復(fù)雜造山帶,是青藏高原北部重要的成礦地質(zhì)構(gòu)造單元,蘊(yùn)藏著非常豐富的礦產(chǎn)資源[1-2]。五龍溝金礦位于青海省柴達(dá)木盆地南緣、青藏高原北部東昆侖山中段北緣五龍溝地區(qū),行政區(qū)劃隸屬青海省海西州都蘭縣,是青海省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)具有潛力的中大型礦床,被認(rèn)為是青海省最具資源潛力的金礦集中區(qū)之一。

      五龍溝礦區(qū)地形復(fù)雜,山勢(shì)陡峭險(xiǎn)要,地貌屬深切割高山區(qū),海拔在3000~4500 m之間,相對(duì)高差在800 m以上[3]。由于礦區(qū)地形切割大,許多在地表布設(shè)的鉆孔因修路難度大、修路工期長(zhǎng)、施工難度大等因素而選擇布置在礦區(qū)坑道內(nèi)。

      本文針對(duì)五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段布設(shè)的SZZK8905鉆孔特點(diǎn),開展坑道鉆探工藝研究,對(duì)該地區(qū)的地質(zhì)找礦工作具有十分重要的意義。

      1 區(qū)域地質(zhì)概況

      1.1 地層概況

      五龍溝礦區(qū)出露的地層主要有:下元古界金水口群(Pt1j)、中元古界小廟群(Pt2)、上元古界丘吉東溝群(Pt3q)、下古生界奧陶系祁曼塔格群變火山巖組(Oqb)和第四系(Q)[4],地層巖性見表 1。

      表1 地層巖性

      1.2 構(gòu)造特征

      區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,褶皺變形強(qiáng)烈,按斷裂走向可劃分為NWW向、NW向、NNW向以及SN向、NE向和近 EW 向等6組[5]。其中,NWW -EW向斷裂,具有切割深、延伸長(zhǎng)、長(zhǎng)期活動(dòng)的深斷裂特征,控制了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化及地層、巖漿巖、礦產(chǎn)的形成和分布,是構(gòu)造單元的分界。主要有昆北斷裂帶、昆中斷裂帶和昆南斷裂帶[3,6],見圖 1。

      圖1 東昆侖斷裂帶及構(gòu)造分區(qū)略圖

      1.3 巖漿活動(dòng)

      礦區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈,巖漿巖廣布,以晚元古代、古生代的中酸性侵入巖為主。礦區(qū)發(fā)育外灘超基性—中性巖漿巖,呈巖株和巖枝(脈)兩種產(chǎn)態(tài),為本區(qū)金成礦提供了物質(zhì)及動(dòng)熱來源[7]。

      2 礦區(qū)鉆進(jìn)難點(diǎn)

      礦區(qū)地層受東昆侖斷裂構(gòu)造帶的影響,地層條件極其復(fù)雜,在鉆進(jìn)過程中存在的鉆進(jìn)難點(diǎn)主要有:

      (1)孔壁巖石破碎,易掉塊,甚至產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象,孔壁不穩(wěn)定;

      (2)地層中含有斷層泥,易造成孔壁縮徑,憋泵現(xiàn)象嚴(yán)重;

      (3)鉆進(jìn)水敏性地層時(shí),鉆頭糊鉆現(xiàn)象嚴(yán)重,易造成燒鉆事故;

      (4)由于地層破碎,回次進(jìn)尺少,常規(guī)取心難度大,巖心采取率低。

      3 坑道鉆探施工工藝

      3.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

      2010年,在五龍溝礦區(qū)3320平硐89線中段內(nèi)布設(shè)了SZZK8905鉆孔,由于礦區(qū)地層條件復(fù)雜,施工難度較大,該孔在外協(xié)單位施工過程中遭遇鉆偏、取心不足等問題并先后挪孔3次,皆以鉆孔報(bào)廢而終止。至2012年,五龍溝礦區(qū)進(jìn)入詳查階段,為達(dá)到地質(zhì)找礦目的,進(jìn)一步探明礦產(chǎn)儲(chǔ)量,重新啟動(dòng)該孔的鉆探施工任務(wù),鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)如下:孔號(hào)SZZK8905、設(shè)計(jì)孔深650 m、鉆孔傾角88°、方位角206°43'。

      3.2 鉆機(jī)選擇

      在坑道中實(shí)施鉆探工作,由于坑道空間狹小,不易布設(shè)鉆孔,決定了坑道鉆探不能使用大型鉆探設(shè)備。另外,若機(jī)場(chǎng)面積太大,坑道四周的圍巖就需要特殊支護(hù),并且考慮到鉆機(jī)在運(yùn)行過程中振動(dòng)對(duì)周圍巖體產(chǎn)生不利影響,易帶來一系列安全隱患問題。五龍溝礦區(qū)3320平硐89線橫截面尺寸為:高1.8 m×寬2.0 m,開辟出的鉆機(jī)機(jī)場(chǎng)空間大小為:高6.7 m×寬6.0 m×長(zhǎng)6.0 m(見圖2)。

      圖2 機(jī)場(chǎng)斷面布置圖

      綜合考慮坑道機(jī)場(chǎng)大小與鉆孔深度等因素,結(jié)合青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院鉆探設(shè)備尺寸大小及施工能力,最終選用寶長(zhǎng)年LM-75型坑道鉆機(jī)來完成此次鉆探任務(wù)。該鉆機(jī)主要性能參數(shù)見表2。

      表2 LM-75型鉆機(jī)性能參數(shù)

      3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

      由于坑道內(nèi)地表巖石為完整基巖,無第四系覆蓋層,故SZZK8905鉆孔全孔段采用繩索取心工藝鉆進(jìn),采用三開式孔身結(jié)構(gòu):

      (1)開孔使用HQ金剛石繩索取心鉆進(jìn),鉆進(jìn)9 m后,下入HQ系列孔口管;

      (2)換用NQ金剛石繩索取心鉆進(jìn),直至達(dá)到鉆機(jī)的最大實(shí)際鉆深能力;

      (3)最后使用BQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。

      若使用NQ鉆進(jìn)可以達(dá)到終孔設(shè)計(jì)目的,則盡量不用BQ鉆進(jìn),因?yàn)锽Q系列鉆桿與內(nèi)管總成之間的環(huán)狀間隙較小,回次取心后內(nèi)管投放速度慢,耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)[8-9]。若鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢,則內(nèi)管在投放跟提拉的過程中更易受阻,往往造成內(nèi)管投放不到位打單管、副卷揚(yáng)鋼絲繩被拉斷等現(xiàn)象。

      實(shí)踐表明,LM-75型鉆機(jī)使用NQ系列鉆具鉆進(jìn)至535.20 m時(shí),在鉆桿柱的自重作用下,卡瓦已經(jīng)不能對(duì)鉆桿形成有效夾持力(高原環(huán)境下,鉆機(jī)損耗部分動(dòng)力),不得已情況下只能換用BQ系列鉆具繼續(xù)鉆進(jìn),并將NQ系列鉆桿作為套管使用。在鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深650.0 m后,由于未達(dá)到預(yù)期找礦目的,繼續(xù)鉆進(jìn)至700.20 m終孔。SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。

      圖3 SZZK8905鉆孔結(jié)構(gòu)示意

      3.4 破碎帶取心技術(shù)

      SZZK8905孔全孔段使用Q系列金剛石繩索取心技術(shù)的方法,在鉆進(jìn)過程中鉆遇破碎帶地層時(shí)易產(chǎn)生憋泵、回次進(jìn)尺少、巖心采取率低、鉆進(jìn)效率低等問題,無法發(fā)揮繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)越性。

      因此,在施工中優(yōu)先考慮了針對(duì)破碎地層使用的繩索取心液動(dòng)沖擊器,以期解決巖心采取率低及鉆進(jìn)效率低等問題?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,繩索取心液動(dòng)沖擊器對(duì)沖洗液的固相含量及顆粒大小要求較高,當(dāng)固相含量>2%或固相顆粒>74 μm時(shí),沖擊器易受卡導(dǎo)致不工作。在金剛石小口徑鉆探中常采用自然沉淀法去除巖粉,此方法無法及時(shí)有效地除去鉆井液體系中的大顆粒等無用固相,不能滿足液動(dòng)沖擊器實(shí)際工作的需要,最終未采用液動(dòng)沖擊器。

      分析發(fā)現(xiàn),破碎地層鉆進(jìn)回次進(jìn)尺少、憋泵、巖心采取率低等問題與鉆進(jìn)參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量)有很大關(guān)系。鉆壓過大,在鉆頭壓入地層的同時(shí),產(chǎn)生的巖石碎屑易堵入卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階之間的間隙,從而造成憋泵、回次進(jìn)尺少。泵量太大,加大對(duì)破碎巖心的沖刷作用,降低了巖心采取率。

      為了提高巖心采取率、提高鉆探效率,減少?zèng)_洗液對(duì)破碎巖心的直接沖刷,通過改變鉆頭的水路結(jié)構(gòu)來達(dá)到預(yù)期目的,特委托廠家加工了底噴式繩索取心鉆頭(見圖4)。

      圖4 底噴式鉆頭

      鉆頭特點(diǎn):鉆進(jìn)時(shí)將內(nèi)管卡簧座(卡簧座不帶水口)與鉆頭內(nèi)臺(tái)階的距離縮短甚至頂死,鉆井液從卡簧座與鉆頭內(nèi)壁之間的10個(gè)水眼直接流入孔底,減少了對(duì)巖心的直接沖蝕,同時(shí)也解決了憋泵問題(見圖5)。

      圖5 底噴式鉆頭剖面

      實(shí)踐表明,底噴式鉆頭結(jié)合相應(yīng)的鉆進(jìn)參數(shù)(破碎地層鉆進(jìn)、NQ繩索取心段):鉆壓5~8 kN、轉(zhuǎn)速500~700 r/min、泵量30~50 L/min,有效地解決了破碎帶鉆進(jìn)效率低與巖心采取率低的問題。需注意的是在鉆進(jìn)過程中不進(jìn)尺的情況下應(yīng)立即撈取巖心,防止巖心被磨損。鉆進(jìn)工藝改變前后破碎地層的取心效果對(duì)比見表3。

      表3 工藝改變前后破碎地層取心比較(NQ繩索取心段)

      3.5 鉆井液體系研究

      3.5.1 無固相防塌鉆井液

      SZZK8905鉆孔先后經(jīng)過3次施工均報(bào)廢,施工隊(duì)伍主要采用單一的無固相聚丙烯酰胺鉆井液,鉆井液性能及鉆進(jìn)效果很不理想。鑒于前期施工中遇到的地層情況及鉆進(jìn)難點(diǎn),兼顧金剛石繩索取心鉆進(jìn)特點(diǎn),在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,本次施工采用無固相防塌鉆井液體系。

      鉆井液配方:1 m3水+0.05%聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%高粘羧鉀基纖維素鈉(HV-CMC)+2%植物膠+1%無熒光潤(rùn)滑防塌劑+0.1%燒堿。

      通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該配方鉆井液性能參數(shù)如下:漏斗粘度23.4 s,表觀粘度9.5 mPa·s,塑性粘度7.5 mPa·s,動(dòng)切力2 Pa,動(dòng)塑比0.27,失水量11.6 mL/30 min,密度1.015 g/cm3,pH 值10.5。

      現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn),該配方鉆井液具有較好的流變性能,并且對(duì)破碎地層起到一定的防塌效果,同時(shí)對(duì)弱水敏地層具有一定的抑制作用,能保證金剛石繩索取心鉆進(jìn)充分發(fā)揮其優(yōu)越性,實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。在0~613.20 m孔段鉆進(jìn)中,順利穿過了遇到的復(fù)雜地層。

      3.5.2 低固相鉀基鉆井液

      SZZK8905孔在613.20 m后鉆遇灰黑色斷層泥(見圖6),最厚處達(dá)25.20 m,之后斷層泥與灰白色糜棱巖化斜長(zhǎng)花崗巖交替出現(xiàn),鉆進(jìn)過程中憋泵、縮徑現(xiàn)象嚴(yán)重,并伴有坍塌現(xiàn)象,成為613.20~700.20 m孔段最大的技術(shù)難題,嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。

      因此,根據(jù)地層情況及時(shí)調(diào)整了鉆井液配方,采用低固相鉀基鉆井液體系。要求鉆井液具有低濾失量、低滲透性、抑制性好、防塌效果好等性能,同時(shí)又要滿足BQ金剛石繩索取心鉆進(jìn)要求的固相含量低、避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)研究分析,確定了低固相鉀基鉆井液配方:1 m3水+3%鈉基膨潤(rùn)土+2%KCl+1%磺化瀝青+0.5%高粘羧甲基纖維素鈉(HV-CMC)+0.02%聚陰離子纖維素(PAC-141)+0.1%燒堿。

      圖6 灰黑色斷層泥

      測(cè)試了該鉆井液性能如下:漏斗粘度32.39 s,表觀粘度17.5mPa·s,塑性粘度14 mPa·s,動(dòng)切力3.5 Pa,動(dòng)塑比 0.25,失水量 8.75 mL/30 min,密度1.03 g/cm3,pH 值 9.5。

      現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)現(xiàn),該配方鉆井液成功抑制了孔壁斷層泥水化膨脹、縮徑、坍塌問題,有效避免了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象,在613.20~700.20 m孔段的斷層泥地層中,巖心采取率達(dá)85%以上。

      4 結(jié)語

      (1)五龍溝礦區(qū)坑道SZZK8905鉆孔施工難度大,前3次均以失敗告終,第4次施工克服了一系列技術(shù)難題鉆進(jìn)至700.20 m終孔,創(chuàng)下了青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院坑道鉆探最深紀(jì)錄,為五龍溝礦區(qū)地質(zhì)找礦提供了寶貴的原始資料。

      (2)該孔在作業(yè)空間狹小的情況下,采用寶長(zhǎng)年LM-75型坑道鉆機(jī)、底噴式鉆頭、全孔段Q系列繩索取心鉆進(jìn)技術(shù),平均巖心采取率>98%,實(shí)測(cè)鉆孔頂角與設(shè)計(jì)值之差4.2°,被評(píng)定為優(yōu)質(zhì)鉆孔。

      (3)針對(duì)不同地層巖性特點(diǎn),分別采用無固相防塌鉆井液、低固相鉀基鉆井液體系,有效解決了鉆進(jìn)過程中憋泵、孔壁縮徑、坍塌、巖心采取率低等問題。

      [1] 范麗琨,蔡巖萍,梁海川,等.東昆侖地質(zhì)構(gòu)造及地球動(dòng)力學(xué)演化特征[J].地質(zhì)調(diào)查與研究,2009,(3):181 -186.

      [2] 古鳳寶.東昆侖地質(zhì)特征及晚古生代—中生代構(gòu)造演化[J].青海地質(zhì),1994,(1):4 -14.

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