廣東京村金礦大角度斜孔鉆進工藝實踐

石 磊

(廣東省地質局第五地質大隊，廣東 肇慶 526020)

1 概述

1.1 鉆探施工目的

根據前期地質勘查成果，利用地質鉆探這一工作手段對已發現的含金礦化體進行系統的工程控制，基本查明其規模形態、產狀、品位及空間分布，估算資源量，為地質和礦產資源參數做出可靠的評價。

1.2 礦區地質概況

廣東省德慶縣京村金礦位于華南加里東褶皺系云開大山后加里東隆起帶東北部，羅定-廣寧斷裂變質帶東北段與吳川-四會斷裂變質帶交匯部位[1]。礦區主要鉆遇巖層為混合花崗巖、片巖、千枚巖、變質砂巖、粉砂巖、糜棱巖等。受區域變質及多期構造影響，原巖變質較深，巖性復雜，普遍具混合巖化、糜棱巖化。礦區位于粵桂隆起區廣寧-羅定褶斷帶內，屬強烈褶皺變形和斷裂發育位置，其經歷了多期的構造運動、巖漿活動和變質作用[1]。

1.3 鉆探技術難點

(1)地層產狀陡，軟硬互層頻繁，為強造斜地層，容易發生鉆孔彎曲度超差。

(2)各礦體均呈陡傾斜的薄脈產出[2]，為了達到較好的地質勘探效果，鉆孔大部分設計為大角度斜孔(開孔傾角<75°)，對鉆探技術水平要求較高。

(3)詳查階段要求鉆孔見礦點與地質設計見礦點沿預計礦層產狀上下偏距≤10 m[3]，質量要求更高，施工難度更大。

(4)本區礦體嚴格受韌性剪切帶控制，礦體均產于云樓崗巖體的混合花崗巖的1號糜棱巖帶與后期脆性斷裂的疊合部，礦層巖石破碎，采取礦心難度大。

1.4 鉆孔施工情況

前期施工的鉆孔發現存在鉆孔彎曲度超差問題，我單位通過匯總分析前期鉆孔數據，總結了礦區鉆孔孔斜變化規律及特點，決定后續鉆孔施工采用初級定向鉆進技術，精心組織施工，在機場修建、設備安裝、開孔、換徑及下套管、鉆進等各個施工工序均按制定的技術要求嚴格執行。結合采用“一基多孔(指一個孔位布置多個鉆孔，以不同傾角鉆進施工)”施工方案，占用場地少，節省了大量的設備搬遷安裝時間。

本礦區2012-2016年間累計完成鉆探進尺約4.24萬m，鉆孔質量優良，其中最斜孔開孔傾角40°，終孔孔深360.80 m；最深鉆孔701.28 m，開孔傾角50°。不同傾角鉆孔數量及比例詳見表1。

表1 京村礦區不同傾角鉆孔數量占比統計Table 1 Summary of the proportion of drill-holes with different inclinations in Jingcun mining area

2 鉆探技術設計

2.1 設備選擇

為滿足大角度斜孔施工要求，綜合考慮地層情況、鉆孔深度、擬采用鉆進方法及工藝等，選用XY-42T(圖1)、XY-44T型塔機一體式鉆機，采用柴油機動力，配BW-150型泥漿泵。

圖1 XY-42T型鉆機施工斜孔狀態Fig.1 Position of XY-42T drilling rig for drilling inclined holes

2.2 鉆進方法及鉆孔結構

第四系覆蓋層采用硬質合金鉆進，下部基巖地層采用金剛石繩索取心鉆進。為提高鉆進效率，在滿足鉆孔護壁要求的前提下，盡量減少換徑次數，簡化鉆孔結構[4]：開孔用?130 mm硬質合金鉆具鉆進，下入 ?127 mm孔口管；然后用?110 mm硬質合金鉆頭鉆進穿過風化覆蓋層后下入 ?108 mm套管；再用S95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進至穩定基巖后，下入 ?89 mm套管；最后改換S75 mm金剛石繩索取心鉆具繼續鉆進至終孔。

2.3 沖洗液與護壁堵漏

第四系覆蓋層段及跟管鉆進時采用固相沖洗液護壁，其它孔段采用無固相高聚物沖洗液，強化沖洗液的護壁防塌、潤滑減阻能力。各種處理劑要嚴格計量、分別溶解，并充分攪勻、水化[5]，然后按先無機后有機及分散、增粘、潤滑、絮凝的順序加入攪拌使用，視礦區地層情況隨時調整沖洗液性能參數。擬采用的無固相沖洗液配方如下：(1)完整、孔壁穩定地層：清水+0.4%無熒光潤滑劑+0.03%聚丙烯酰胺；(2)較為破碎地層：清水+0.03%聚丙烯酰胺+0.4%無熒光潤滑劑+0.4%植物膠；如果巖層破碎嚴重，按5～6 kg/m3的比例加入水玻璃。

漏失地層處理方法：漏失量在1/3以內，可采用加入0.4%～0.5%的801隨鉆堵漏劑進行隨鉆堵漏；漏失嚴重時采用粘土+水泥+PAM+隋性材料堵漏；必要時采用水泥固結堵漏。

2.4 鉆進規程參數

為保證鉆頭磨損正常，平穩鉆進，全孔鉆速應控制在1.5～4 m/h；鉆壓控制在15 kN以內；轉速≯1200 r/min；沖洗液量50～100 L/min[6-9]。鉆進節理發育巖石和產狀陡立、松散破碎、軟硬互層、強研磨性等地層及鉆孔超徑的情況下應適當減小鉆壓；鉆進堅硬弱研磨性地層、裂隙破碎地層、軟硬互層及產狀陡立易斜地層時應適當降低轉速；鉆孔結構復雜、換徑多、環狀間隙大時，鉆具回轉的穩定性差，不宜開高轉速；鉆進堅硬、顆粒細的巖層，鉆速低，巖粉少，泵量可小些；鉆進軟及中硬巖層，鉆速高，巖粉多，泵量應大些；鉆進裂隙，有輕微漏失的地層，泵量應稍大于正常情況；鉆進研磨性強的巖層，泵量可增大[10]。

3 初級定向鉆進技術

前期預(普)查階段施工發現本礦區地層造斜，經過統計分析，總結出本礦區鉆孔彎曲趨勢是鉆孔軌跡上漂，偏線距較小，即地層造斜規律是鉆孔頂角增大，方位角變化不大。為能準確打穿地質設計見礦靶區，后續鉆孔施工全部采用初級定向鉆進技術。

3.1 初級定向設計

本礦區初級定向設計流程如圖2所示。初級定向設計采用的方法有“移位”法(調整鉆孔孔位)及“變角”法(改變開孔角度)兩種[11]，本礦區為能結合運用 “一基多孔”施工方法，多采用“變角”法。

以本礦區ZK6202′鉆孔為例(設計孔深450 m，開孔頂角30°)，該孔為“一基多孔”施工的第二個鉆孔，原孔位前期已施工完成ZK6202鉆孔(終孔孔深382.16 m)，ZK6202孔未進行初級定向，方位角僅偏差1°，但頂角累計上漂11.1°，實際見礦位置與地質設計見礦位置相差31.89 m。利用“變角”法對ZK6202′鉆孔進行初級定向設計，結合礦區其它鉆孔測斜數據進行綜合分析，總結得出本礦區在頂角25°～30°斜孔中一般造斜規律為每100 m頂角上漂2.0°～3.0°，選取如下預測軌跡進行對比：(1)按設計開孔頂角30°，頂角上漂2.5°/100 m；(2)調整開孔頂角為25°，頂角上漂2.5°/100 m；(3)調整開孔頂角為24°，頂角上漂2.5°/100 m。建立excel鉆孔軌跡空間坐標計算表，設開孔坐標為(0,0,0)，將鉆孔軌跡以均角全距法進行三維坐標計算(如圖3所示)，并運用AutoCAD繪制出鉆孔軌跡圖并標注預計見礦位置與地質設計見礦位置偏距[12](見圖4)。從圖4中可看出ZK6202′按25°頂角開孔、頂角上漂2.5°/100m的鉆孔軌跡見礦位置與地質設計見礦位置偏距4.93 m，為較優設計。實踐施工證明選擇的開孔角度及預判的頂角上漂值合理，ZK6202′鉆孔實際頂角上漂2.47°/100 m，實際見礦位置與地質設計見礦位置偏距5.08 m。

圖2 初級定向設計流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the primary directional drilling design process

圖3鉆孔軌跡坐標計算
Fig.3Calculation of the drilling path coordinates

圖4 預測鉆孔軌跡成圖及見礦位置偏距對比Fig.4 Predicted borehole trajectory vs offset of ore occurrence

3.2 鉆孔彎曲度控制方法

在實際施工中，技術人員要加強監控測斜，當鉆孔彎曲變化大于設定值時，適當加密測斜間距，視具體情況可將間距縮短至15～25 m，并根據測斜結果及時計算和作圖，實時監控鉆孔施工軌跡[3]。若實際鉆孔軌跡與設計軌跡有較大差異，則需要進行保直鉆進 或增斜鉆進以確保能鉆穿地質設計見礦靶區。保直鉆進措施有：控制鉆壓(建議10 kN以下)，在條件許可的前提下提高轉速保證鉆進效率；采用階梯式鉆頭增強導向性；采用齒輪狀鉆頭減輕鉆頭壓力；采用外徑一致的擴孔器加強鉆具的導正性。本礦區增斜鉆進是增加鉆孔上漂值，措施有：加大鉆壓，降低轉速；采用下擴孔直徑大于上擴孔器0.5 mm以上；縮短鉆具長度至1.20～1.50 m，增加自造斜能力[3]。

4 施工中遇到的其它問題及應對措施

4.1 礦心采取率難以保證

地質要求礦體及其頂板5 m圍巖的采取率≮95%，為達到技術要求，鉆進礦層時采取了以下工藝技術方法：(1)控制回次進尺長度和時間，多回次少進尺，不打懶鉆，注意泵壓，憋泵即刻取心；(2)大鉆壓、低轉速、小泵量，減輕沖洗液對巖心的沖刷；(3)在沖洗液中加入羧甲基纖維素，其分子親水性弱而與巖心表面的吸附性強，能在巖心表面很快形成吸附網和膜，達到保護巖心的目的[5]；(4)采用底噴鉆頭；(5)采用半合管取心鉆具。

4.2 加接立根難以對正絲扣

原廠鉆塔為3截四棱塔架及天車組裝而成，實際施工中發現由于大角度斜孔施工使塔身傾斜角度加大，加接立根時受其自重影響下垂，鋼絲繩難以拉直扶正，鉆桿絲扣難以對正入扣，擰卸鉆桿費時費力。針對這一問題，我們采取了降低塔身高度，加接3或4.5 m單根的方法，將原廠最靠近天車一截塔架卸掉，加工一個連接件直接將中間一截塔架與天車連接起來，這樣既使擰卸鉆桿變得簡單，又因為塔身縮短，減小了鉆塔安裝所需的場地面積，降低了場地臨時征用費及機場開挖平整的費用。

4.3 鉆桿柱磨損快

大角度斜孔施工，容易導致鉆桿柱偏磨，鉆桿接頭易受損導致鉆桿折斷事故，不易處理[13]，在鉆進過程中應強化沖洗液潤滑減阻能力，盡量減小鉆具震動，采用高強度耐磨的繩索取心鉆桿接頭，要經常檢查鉆桿，磨損程度超標的鉆桿嚴禁使用[14]。

5 幾點體會和認識

(1)大角度斜孔鉆探施工是一項復雜、綜合性強的系統工程[15]，需要考慮設備能力、鉆桿鉆具可靠性，鉆探規程參數、沖洗液配方等多方面因素，在大角度斜孔中進行初級定向鉆進需要考慮的影響因素更多，更復雜，且各因素間相互影響，必須做好施工技術方案及過程監控。

(2)施工大角度斜孔容易發生鉆孔彎曲度超差，造成鉆孔進尺報廢。初級定向鉆進技術對設備、機具沒有特殊要求，工藝技術容易掌握，能有效提質增效、降低成本、縮短工期。

(3)“一基多孔”施工方法減少了施工場地，能節省臨時占地征用費和設備搬遷費，經濟效益明顯，值得推廣。