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5 2 西部探矿工程 2 0 1 1 年第 4期 石油与钻掘工程 安徽泥河铁矿复杂地层岩芯钻探施工工艺 姜 同升 ， 胡章雄， 翁克胜， 王大苗， 吴志强 安徽省地矿局 3 1 1 、 3 2 6地质队， 安徽 安庆 2 4 6 0 0 3 摘要 总结泥河铁矿钻探施工经验和体会 ， 探讨研究 了深孔复杂地层的钻进 工艺， 优化使用多种冲 洗液的配比， 深孔护壁堵漏和封孔技术， 防斜 、 高转速及 克服“ 打滑” 地层等措施， 取得 良好的钻探效 果， 对深孔钻探施工具有一定的借鉴意义。 关键词 破碎松散 ； 缩径； 打滑； 防斜 ； 封孔技术 ； 特效润滑剂 中图分类号 P 6 3 4 文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 5 7 1 6 2 0 1 1 0 4 一O O 5 2 一O 4 1 工程概 况 泥河铁矿位于安徽省庐江县泥河镇洋河村， 隶属安 徽省庐江县管辖， 交通方便 。自 2 0 0 7年 3月第一 台钻 机施工发现磁铁矿后 ， 为尽快探 明矿 区铁矿资源储量 ， 安徽省地矿局泥河铁矿工程指挥部科学部署 ， 统筹安 排， 采取有效手段 ， 加快完成了矿区勘探工作。2 0 0 7 年 3 月至 2 0 0 9年 8 月先后组织十余 台钻机 最高峰为 l 9 台钻机 ， 全面展开矿区岩芯钻探施工。矿区地层倾角 1 0 。 ～2 O 。 ， 设计孔深 1 1 0 0 1 2 0 0 m， 终孔顶角要求≤2 。 ， 由于矿区地层变化大， 基本上都是深孔， 各钻孔均出现 不同的复杂情况， 给钻探施工带来难度， 全体施工人员 克服深孔复杂地层等不利因素 ， 战胜 种种困难 ， 两年多 累计完成钻探总工作量 8 3 2 9 4 ． 0 6 m， 完成钻孔数 7 4 个 ， 平均钻S L S L 深 1 1 2 5 ． 6 m， 其 中优 良钻孔 7 2 个 ， 合格钻孔 2 个 ； 探明铁矿石储量 l ， 5 1 0 t ， 潜在经济价值近 5 0 0 亿元， 泥河铁矿成就了“ 泥河速度” ， 也开创 了“ 泥河模 式 ” 。 泥河铁矿钻探工程主要施工技术效果如下 钻孔数 7 4个 ， 总进尺 8 3 2 9 4 ． 0 6 m， 钻孔深度平均 1 1 2 5 ． 6 m、 最 深 1 3 0 9 ． 3 3 m， 台月利用率 8 2 ． 8 5 ， 纯钻率 4 1 ． 2 5 ， 时 效 2 ． 1 7 m／ h ， 台月效率 5 8 6 ． 9 6 m／ 月 ， 岩矿芯采取率平 均 9 7 ． 6 8 、 最低 9 0 ． 3 。 2 矿区概况 2 ． I 矿区地层简况 矿区主要地层为 耕植土及黄色亚粘土， 暗红色角 砾岩细斑辉石安山岩 ， 杂色熔结角砾凝灰岩 ， 中粗斑粗 安岩 ， 沉角砾凝灰岩夹凝灰质粉砂岩 ， 辉石安山岩， 杂色 细火山角砾岩， 黄铁矿化次生石英岩夹粘土化粗安岩， 灰绿色磁铁矿化黄铁矿化石膏绿泥石岩， 黄铁矿层 ， 磁 铁矿层 ， 矿化层 ； 碱性长石化闪长玢岩 ， “ 打滑” 地层为次 生石英岩、 细晶岩。 2 ． 2 影响钻探工作的主要地质因素 该矿区地层岩石呈中硬一坚硬， 岩石可钻性级别为 6 ～8 级， 部分 l o 级； 岩石研磨性呈中等一强研磨性。 主要为块状构造致密、 细粒硅化 的凝灰岩 和次生石英 岩 ， 岩石硬、 脆 、 碎， 造成钻进慢、 取芯难、 提钻频繁， 影响 钻孑 L 的稳定性 ； 金刚石钻头消耗量大， 有的钻头仅施工 l m不到就被磨平或打滑不进尺； 次生石英岩一般又富 含地下水， 该层厚度几十米到几百米不等， 且位于地层 不 同深度 ， 施工中涌、 漏水现象频繁 ， 严重影响机台使用 的冲洗液 。造成上部不稳定地层的孔壁坍塌、 掉块进而 时常发生卡、 埋钻现象； 有的地层高岭土化遇水膨胀、 缩 径 、 憋泵易抱死钻具钻杆， 如处理不当就形成孑 L 内事故 。 主要影响地层为泥质角砾粉砂岩 、 高岭土化凝灰岩 、 粘 土化角砾粗安岩， 其岩芯呈泥状 、 松散状且裂隙发育频 繁 ， 胶结性差 ， 造成钻孔缩径、 掉块 、 沉渣多难捞尽 ， 钻具 难扫到孔底等现象。 2 ． 3 质量标准及要求 钻探质量标准按原地质部 1 9 8 2年颁布的 岩芯钻 探规程 中的 6 项指标严格执行。因勘探 网度较密， 地 质提出钻孔轨迹质量技术要求 每 5 0 1 0 0 m测量一次 钻孔弯曲度， 其全孔顶角各点必须控 制在 2 。 以内。封 孔质量要求 ， 为确保今后开采安全， 封孔必须进行现场 验收， 其质量标准为 孔内水泥封闭位置必须在地质水 文设计的封孔段上部2 0 m以内为合格 。 3 钻探技术及施工工艺 * 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 5 修回 日期 2 0 1 0 1 2 2 9 第一作者简介 姜同升 1 9 6 3 - ， 男 汉族 ， 山东招远人 ， 高级工程师 ， 现从事探矿技术管理工作。 2 0 1 1 年第 4 期 西部探矿工程 5 3 3 ． 1 主要施工设备及工具的选择 XY一4 4型 和 XY一5型 岩 芯钻 机 ， S G一 1 8和 S G一2 3 型钻塔， B w一2 5 0和 N B B 一2 5 0 ／ 6 0型泥浆泵 ， S TL 一1 G W 型储存式数字陀螺测斜仪 ， 7 5 S绳索取芯 钻具及各类普通单 、 双管钻具 ， 选用武汉金地探矿机械 有限公司生产的两端 墩粗加厚的j 2 『 7 1 mm 绳索取芯钻 杆 。 3 ． 2 主要钻孔结构 钻孔结构 主要 根据 钻孔 用途 、 钻 孔 深度 、 地层 复杂程度 、 终 孔 口径而设 计 。既要 在地 层条 件允 许 的情况下简化钻孔结构 ， 又要确保钻孔安 全 ， 不 盲 目 追求泥浆护 壁减少 必要 的套 管护壁 ， 避 免造 成无 法 施工的局 面。 泥河矿 区钻孔结构主要采用 j 2 『 1 3 0 mm 口径开孔 ， 穿过覆盖层和风化层 5 m左右下人 1 2 7 mm孔 口管 ， 然后变径到 1 1 0 mm 口径 施 工到 稳 定地 层 后下 人 j 2 『 1 0 8 mm 套管作为导向管， 再变径到 9 1 mm 口径施工 若干米 视地层情况 而定 下人 8 9 ram套 管， 然后换 7 5 mm索取芯钻进至终孔 。 3 ． 3 冲洗液的应用 泥河矿区复杂地层孔深一般在 5 0 0 m 以上 ， 个别钻 孔在 7 0 0多米也曾出现松散、 泥质缩径孔段， 这给钻探 施工带来了很大威胁 。技术人员通过现场泥浆实验并 结合地层特点， 优选 出以下几种冲洗液。 ． 上部覆盖层 采用优质泥浆其配比为清水 高阳土 纯 碱 特 效润滑剂 腐植酸 钾 一1 0 0 0 k g 3 0 ～ 5 0 k g 1 ～ 1 ． 5 k g 0 ．5 ～ l k g l k g ， 比重 为 1 ． 0 3 ～1 ． 0 5 ， 粘度 2 2 ” ～2 5 ” ， p H一8 ～9 。 完整 一较完 整地层 使用无 固相 冲洗液 ， 配 比为 H2 O P AM Na OH 特效润滑剂 一I m3 1 3 k g 1 ～ 1 ． 5 k g l k g。 破碎松散地层 使用无固相冲洗液 ， 配比为 Hz O P AM K。 防塌剂 低荧光特效 防塌护壁降失水剂 特效 润滑剂 一 l m。 1 ～ 3 k g 1 ～ 2 k g 2 ～ 4 k g 1 2 k g 。 松散、 泥质、 缩径地层 使用无固相或低 固相 冲洗 液 ， 配比为 H O 植物胶 P AM KHm 腐植酸钾 广谱护壁剂 GS P特效润滑剂 一 l m。 1 ～3 k g 1 2 k g 2 3 k g 2 5 k g 1 2 k g 。 对于漏失地层， 我们在上述基浆基础上加人 8 O l 随 钻堵漏剂或在备用大桶 中用 P A M 干粉加 8 0 3干粉加 锯末 、 海带、 碎稻草等惰性材料搅拌均匀， 加浓冲洗液湿 润成半干半湿 ， 从孔 口钻杆内倒人然后送浆压入漏失部 位 。 3 ． 4 钻具、 钻头的选用 泥河矿 区粗径钻具选择的长度一般在 6 ～7 m加上 取粉管共计总长 8 ～9 m， 并配双扶正接手 ， 必要时配加 重扶正器长约 1 0 1 5 m。 金刚石钻头的选用 泥河矿区地层岩石呈中硬一坚 硬 ， 岩石可钳I 生 级别 6 ～8级 ， 部分 1 O级 ， 岩石 的研磨性 呈中等一强研磨性 ， 岩石组成的颗粒有粗、 细粒且含砾 。 根据实际情况我们做如下选择 ， 实践证明效果 尚 好。 钻头外型选择 尖齿型、 半 圆型、 少量使用平底型 ； 金刚石浓度 中一低 ； 金刚石粒度 6 0 8 0目或 4 0 6 0 目。胎体硬度 6 ～7 级 ， 岩石选 HRC 3 0 3 5 、 7 ～8级 岩石选 HR C一2 0 3 0 ； 9 ～1 O级 岩石选 HRC一1 0 ～ 1 5。 3 ． 5 钻进方法及钻进参数的选择 泥河矿区按凿岩工具分类为 硬质合金钻进 ， 金刚 石钻进， 绳索取芯钻进 。 金刚石钻进必须具备一定的线速度， 方可显示出其 效率 。泥河铁矿终孔 口径为 7 5 mm， 钻进 技术参数 为 完整一较完整地层 钻进 压力 P一9 0 0 1 4 O O k g ， 转 数 N4 6 8 9 7 0 r ／ mi n ， 泵量 Q6 0 9 0 L ／ rai n 。 较破碎一破碎地层 破碎地层一般其岩性为硬度较 高、 强度相对较弱。若 采用大压力适得其反 ， 造成岩石 应力释放， 岩芯呈碎石状或片状 ， 更造成研磨岩矿芯， 进 而易在卡簧位置堵卡不进尺， 提钻频繁， 更造成研磨岩 矿芯 ， 进而造成采取率偏低 ， 影响工程质量和效率。对 于这类地层实践证明其操作方法应该降低压力、 提高转 数 ， 这样在功率不变的情况下 ， 其钻进效果会更好 ， 回次 进尺长 ， 岩矿芯采取率高。钻进压力 P 4 0 0 9 O O k g ， 转数 N6 6 7 9 7 0 r ／ mi n ， 泵量 Q4 0 6 0 L ／ mi n 。 松散一泥质地层 泥质松散地层这类地层岩性强 度 、 硬度较低， 特别怕冲刷 ， 对于这类地层其钻进技术参 数都应偏低 ， 切不可盲 目加大钻进压力和转数 ， 抢进尺 抓效益， 否则造成孔斜严重 ， 顶角和方位角会发生较大 变化 。 钻进 压 力 P一 3 0 0～ 6 O O k g ， 转 数 N 一 3 1 6～ 4 6 8 r ／ mi n ， 泵量 Q3 5 5 0 L ／ mi n 。 3 ． 6 防斜技术措施 严格执行开孔验收制度， 钻塔安装必须水平 、 稳固， 三点成一线 。打破过去开孔使用“ 小压力低转数” 的传 统观念改为“ 小压力适当转数” 开孔， 因为转数偏高短钻 具的离心力反而小 。 开孔必须使用上下卡盘， 确保粗径钻具 的平稳性， 主动钻杆选择要直且尽可能短一些并设两个对称的拉 偏轮 ， 严控主动钻杆的晃动范围； 开孔使用 的粗径钻具 长度必须与钻孔 同深度进行施工 ， 最终钻具长度达到 5 4 西部探矿工程 2 0 1 1年第 4期 5 ～9 m 为 宜 。 根据地层情况尽可能减少换径次数， 精简钻孔结 构。换径时必须带导 向， 前导 向初 始长度为 0 ． 8 m 为 宜， 后逐步加长， 后导向长度 6 1 0 m。施工 中必须严格 掌握时效， 控制在合理的范 围， 如 1 ． 2 ～2 ． 5 m／ h 。如发 现进尺过快或过慢， 应查明原因， 千万不可盲 目加压提 高转数 ， 追求效率， 造成钻孔上漂， 倾角变大 。 施工中若需扩孔必须分级扩孔 ， 严禁多径一起扩 ； 扩孔时必须带长导向， 前导向 0 ． 1 m， 后导向 6 “ - 9 m， 且 粗径扩孔具质量越大越好。在地层条件允许的情况下 ， 施工中尽可能开高一点的转数。因为高转数不但钻进 效率高， 而且钻具杆的离心力小， 可防斜。 3 ． 7 堵漏、 封孔技术 泥河矿区部分钻孔施工 中发生全漏， 有的大量涌 水。本矿区钻探施工除用上述 3 ． 3节中的化学泥浆堵 漏、 高分子泥浆堵漏 ， 以及 8 0 1和 8 0 3堵漏剂外还采用 以下几种方法进行堵漏 1 套管隔离法 采用扩孔下套管的方法隔离水路 ， 进行护壁堵漏。 2 采用水泥浆 砂浆 堵漏 。其配方为 ①水 水泥 减水剂 NNO 三乙醇胺 Na C 1 5 5 1 0 0 3 0 ． 0 3 9 ／ 6 0 ． 5 ％。 ②水 粉细砂 水泥 减水剂 NNO 三乙醇胺 Na C 1 6 0 4 0 1 0 0 3 0 ． 0 3 9 ， 5 0 ． 5 。 注意 在配方①和②中还可以根据地层情况添加一 些惰性材料如细锯末或玻璃纤维等。 泥河矿 区前期初勘阶段 ， 采用传统式封孔工艺及方 法。因该矿 区所有机 台均使用j 2 『 7 1 mm绳索取芯钻杆 作为注浆导管 ， 钻孔孔径为j 2 『 7 5 mm， 这种近似 同径封 孔， 采用传统式封孔方法会造成封孔段不均匀以及水泥 封孔不到位 ， 水泥浆上行等质量事故。更糟糕的是 ， 有 时造成卡、 埋、 粘 、 吸钻杆的现象， 造成人力、 物力 、 财力 的巨大浪费， 且延误施工工期 。 为此 ， 经广大探矿技术人员 的努力探索 ， 我们在传 统式封孔方法的基础上 ， 研制出一种新的封孔理论、 施 工工艺及方法。其方法为 ①泵压一体积相等重力相对平衡封孔注浆法； ②导管一重力平衡封孔注浆法； ③泵压一不平衡封孔注浆法 。 采用上述三种方法在该矿区终孔封孔、 超径封闭、 堵漏封闭中应用， 取得了显著效果 ， 封孔位置准确， 水泥 芯质量好， 成功率为 1 0 0 。 表 1 同～勘探线同地层不 同转数下钻孔顶角变化比较表 4 体 会 4 ． 1 在条件允许的情况下 。 高转速的钻进效果 我们知道 ， 金剐石钻进钻头体中的金刚石颗粒出刃 小， 主要是靠获得高转速加速破岩， 从而提高钻进效率。 同时， 钻孔的孔斜率大小与钻进压力有关 ， 压力过大造 成钻具杆弯曲过大即偏斜力增大， 从而使钻孔的弯曲率 增大， 进而造成钻杆断裂 、 钻进阻力大， 钻进效率低等后 果 。 为此我们经研究利用重力原理和离心力原理进行 了实验， 在地层条件允许的情况下， 得出如下结论。 从表 1可知 高转速在该矿区地层条件下的应用， 不但效率高质量好 ， 而且在重力作用下， 钻具杆离心力 小 ， 在相对压力小的情况下 ， 钻具趋向于相对稳定 ， 孔斜 率低 。 深孔能开高转速与冲洗液的润滑性有直接关系 ， 我 们在所用的冲洗液中均加入特效润滑剂， 适量补充 P AM， 始终保持冲洗液 良好的润滑性是决定因素。 表 2 近似同一勘探线同地层不同转数下钻进时效比较表 注 两者相比， 时效提高 3 3 ． 5 1 。 从表 2可知 ， 在地层允许的条件下， 适 当提高转速 2 0 1 1 年第 4期 西部探矿工程 5 5 降低压力 ， 不但可以减少孔斜率， 更能提高钻进效率， 缩 短施工周期 。 4 ． 2 提高钻进坚硬岩石地层的方法 泥河矿区部分岩石坚硬， 可钳 i生级别为 9 ～1 O级， 我 们选择金刚石钻头胎体 HR C 1 0 ， 金刚石浓度 7 5 ， 粒度 6 0 8 0目， 其钻进效率都很差， 时效仅为0 ． 1 ～O ． 4 m／ h 左 右， 有时还打滑不进尺， 为此我们又采用传统方法如 浓硫 酸烧或砂轮打磨金刚石胎体， 结果都不理想。 为了尽快突破穿过硬岩地层 ， 确保钻孔安全 。我们 采用投硬质石子干磨金刚石钻头胎体， 迫使金刚石钻头 出刃 。 操作方法 将硬质岩石砸成 8 ～1 2 m m左右的石 子， 选 1 5 2 0 粒 ， 分粒投人绳索取芯钻杆 内沉人孔底。 用转速 1 5 2 ～2 1 7 r ／ mi n ， 压力 3 0 0 ～5 0 0 k g ， 干磨 1 5 mi n 后 中途应间隔停钻多次 ， 上下活动钻具 ， 然后投入 内 管进行正常钻进 ， 其效果 尚可 。 试验证 明 投入硬质石子研磨金刚石钻头胎体迫使 胎体中的金刚石充分出刃， 对钻进坚硬岩石地层有所突 破， 其工艺方法行之有效 ， 能提高钻进效率。 4 ． 3 钻孔弯曲度 除个别钻孔个别点突破 2 。 以上 ， 其 9 O ． 8 6 的测点 都在 2 。 以内， 平均顶角 0 ． 9 2 。 ， 最小顶角 0 ． 0 1 。 ， 方位角 变化量1 8 0 。 。钻孔终点垂直偏距 最大 9 0 ． 2 4 m， 平均 偏距 9 ． 1 6 m， 最小偏距 O ． 0 4 m。 4 ． 4 封孔质量验收 最大误差 1 8 4 ． 2 7 m 机台为保证封孔质量， 增加 水泥用量 ， 平均误差1 9 ． 5 1 m， 最小误差O ． 1 5 m。 4 ． 5 热压金刚石钻头使用寿命 最长 5 2 1 ． 0 4 m， 平均 9 4 ． 4 5 m。 参考文献 E 1 3 武汉地质学院． 等． 钻探工艺学 中 [ M] ． 北京 地质出版 社 ， 1 9 8 1 ． [ 2 ] 张金来， 潘广灿． 舞阳铁矿复杂地层钻进技术E J ] ． 探矿工 程 岩 土钻掘工程 ， 2 0 0 8 ， 3 5 4 2 6 - 2 8 ． E 3 3 孙丙伦， 陈师逊， 陶士先． 复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术 探讨与实践[ J ] ． 探矿工程 岩土钻掘工程 ， 2 0 0 8 ， 3 5 5 1 3 1 5。 2 4． E 4 3 闫文军， 刘建福， 王建兴， 肖静． 河北省滦县司家营铁矿南 矿区钻探施工工艺E J 3 ． 探矿工程 岩土钻掘工程 ， 2 0 0 9 ， 3 6 1 O 3 1 - 3 3 ． E 5 3 廖远苏． 西华山钨矿区复杂地层钻进的综合治理措施E J 3 ． 探矿工程 岩土钻掘工程 ， 2 0 0 9 ， 3 6 1 0 1 7 - 2 0 ． 上接第 5 1页 为了使模板利用基础岩石拉住， 我们利用高气压空压机 带动风钻在坡长 3 ． 7 m及护坡顶角处 ， 按照 问距每 l m 为基准， 深钻 1 ． 5造孔 ， 在每个基准点处钻间距为 0 ． 1 m 两孑 L ， j 2 『 1 6钢筋底端弯 1 0倍直径的弯钩， 下人孔中， 在 砼中掺人膨胀剂灌人孔中把锚筋加固牢固。在护坡底 脚处凿出齿槽钢筋焊入横向拉筋， 然后沿护坡垂直方 向 焊接间距为 0 ． 1 m锚筋 ， 待下道工序施工。 3 ． 3 工字钢模板顶面竖楞 在钢筋网上按 1 ． 0 mx1 ． 0 m 梅花型焊接顶 撑， 底 部伸至岩石顶面。上部高出钢筋网 0 ． 0 5 m， 从而既形成 了模板顶撑又预留了钢筋保护层 。计算锚筋尺寸， 在第 一 次立模两端按尺寸标准在钢材材质为 Q 2 3 5 ， 1 ． 5 mX 0 ． 9 m钢模上钻孔 ， 打磨 ， 上油 ， 按顺序 由底往上支立 ， 模板缝与缝之间用双面胶封堵。然后采用 5 0 X 6钢 管， 内横楞双排3 0 0 mm 加固， 外竖楞采用 1 6号工字 钢1 0 0 0 mm 加固。在 8 mm8 0 mm2 0 0 mm钢板上 按 0 ． 1 m 间距钻孔， 套到锚筋上用螺丝压住工字钢 ， 由 此形成工字钢加固镇压层。第二次施工时采用同样 的 方法 ， 阻止了护坡模板跑模现象。 3 ． 4 分层浇筑、 内外振捣砼 我们在砼施工中采用 J S 7 5 o强制式搅拌机拌和， 8 O 输送泵泵送砼 ， 在护坡顶部沿上下游方 向接泵管 ， 浇筑 时每 2 m 拆 一 次管 向仓 内下料 。分层 浇筑 ， 每层 以 0 ． 5 m为基准， 每半小时浇筑一层。间隔 2 0 mi n浇筑下 一 层 。第一层浇筑采用 1 O ～2 0 mm 骨料拌 和砼 ， 以防 用大石子拌和砼下料时产生分离。每层 内部振捣每 2 m 一 个振捣点 ， 振捣一定要均匀、 充分， 掌握好上下层的结 合深度， 不能漏振、 过振。外部用平板振捣器放在工字 钢上短时间振捣， 采用内外结合 的方法， 使砼面远离蜂 窝麻面的现象。 4 结束 语 此种类型钢筋砼护坡的施工 ， 对我们每一位施工者 来说 ， 都是一次尝试 ， 虽然施工 中存在不少不利的因素， 但困难与办法总是对立 的。以上施工工艺是我们结合 往常砼的施工经验 ， 联系实际情况， 作出的对策， 事实证 明产生的效果是明显的。有了工艺 ， 其控制也是极为重 要的， 在实际施工中一定要加强控制力度 ， 只有充分了 解施工现场， 做好施工过程控制 ， 才能使其施工质量得 到有效地保障。 参考文献 [ 1 ] 中华人民共和国国家标准． G B J 2 0 4 --8 3钢筋混凝土工程 施工及验收规范[ S ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 ．