相山地區(qū)河元背深鉆CUSD2孔鉆探技術

李生海，段志強，韓園園，劉曉陽，李軍委，王 琦，王 強

(1．核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌330200;2．中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢430074;3．核工業(yè)北京地質研究院，北京100029;4．核工業(yè)二〇八大隊，內蒙古 包頭014000)

1 工程概況

1．1 項目來源

相山地區(qū)河元背深鉆CUSD2孔是“江西相山鈾礦田河元背勘查區(qū)深部鉆探項目”中施工的第一個鉆孔。項目承研單位為核工業(yè)北京地質研究院，鉆探施工單位為核工業(yè)二七〇研究所。

河元背深鉆CUSD2孔鉆探的目的是在前人工作和高精度物化探測量的基礎上，通過直接的深部鉆探巖心取樣，研究相山鈾礦田深部鈾多金屬成礦元素遷移富集機制、深部控礦因素和成礦環(huán)境、不同巖體的成因及演化規(guī)律、標定物化探測量成果等，揭露該地區(qū)鈾多金屬深部礦化特征，從而提升相山礦田的經(jīng)濟效益，形成熱液型鈾礦田勘查和開采的示范作用。

河元背深鉆CUSD2孔設計直孔孔深1800 m，于2014年11月28日開鉆，2015年3月26日終孔，孔深1535.02 m，達到地質科研目的層位，終孔孔徑122 mm。經(jīng)專家組驗收，鉆孔質量完全符合地質科研要求。

1．2 地理位置

河元背深鉆CUSD2孔場址位于我國最大火山巖型鈾礦田—相山礦田的西部，位于江西省撫州市樂安縣北部，行政區(qū)劃屬于樂安縣湖溪鄉(xiāng)管轄，距離樂安縣城約20 km，距離與浙贛線相連的向樂鐵路終點江邊村約15 km。

1．3 河元背深鉆CUSD2孔主要鉆遇地層

0～33.64 m第四系覆蓋層。主要為土壤及殘積、坡積、沖積、淤積的粘土和砂礫。

33.64～740.85 m碎斑熔巖?；液谏?，巖石具斑狀結構，基質為玻基結構，塊狀構造。斑晶以石英、長石為主?？摄@性達到8～10級。

740.85～1255.87 m流紋英安巖。紫紅色，巖石呈斑狀結構，基質為微晶結構，塊狀構造?？摄@性達到8級。

1255.87～1535.02 m黑云母石英片巖?；液谏瑤r石主要由石英、長石、黑云母等礦物組成，片狀構造。可鉆性達到8級。

1．4 鉆探技術要求

該鉆探工程為鈾礦地質科研鉆探，具體施工要求如下。

(1)鉆進方法:金剛石繩索取心鉆進，全孔取心。

(2)孔徑:終孔孔徑≮75 mm。特殊情況下，終孔孔徑≮60 mm。

(3)巖心采取率:即全孔平均取心率為90%以上(不含構造破碎帶)，構造破碎帶為65%以上。

(4)孔斜:鉆孔終孔頂角≯15°。

(5)孔深校正:每鉆進100 m進行一次孔深校正，見礦、見標志層(目的層)、遇換徑處、巖性變換帶、斷裂通過地段、處理重大事故后或終孔時必須立即校正孔深，每次孔深誤差≯0.5 m/100 m，及時消除并記錄清楚。

(6)原始記錄:各種原始記錄要準確、詳細、整潔，必須按回次及時填寫報表及巖心牌。原始記錄包括鉆孔情況登記表、鉆探班報表、孔深校正表、鉆進過程中水位觀測記錄表等按提供格式填寫。

(7)簡易水文地質觀測:必須按鉆孔地質設計要求進行施工，鉆進過程中如遇涌水、漏水等現(xiàn)象，必須記錄在班報表上，并及時通知水文地質人員觀測。

(8)封孔:鉆孔完工后，按照《封孔通知書》的要求封孔。

(9)測井:施工機臺要及時測井、配合取樣和現(xiàn)場科研工作，測井前必須用清潔沖洗液沖孔達到測井的規(guī)范要求。

2 鉆進難點與技術措施

2．1 鉆進難點

相山地區(qū)鉆進中出現(xiàn)的施工難點主要如下。

(1)鉆進時效低。碎斑熔巖中石英、長石含量高，巖石表現(xiàn)為堅硬致密弱研磨性特征，鉆進時鉆頭工作層中的金剛石極易被磨，金剛石不能自磨出刃。

(2)巖心采取率低。構造破碎帶的巖心破碎嚴重，進入巖心管后會充滿巖心管的全部橫斷面，巖心與巖心管之間沒有間隙，繼續(xù)鉆進時，巖心被擠壓得越來越實，導致巖心堵塞。

(3)鉆孔易跑斜。黑云母石英片巖片理產(chǎn)狀陡，屬于強造斜地層。在鉆進時鉆孔易彎曲，出現(xiàn)頂角上漂現(xiàn)象。

2．2 技術措施

針對以上幾個施工問題，我們采取以下技術措施。

(1)使用同心圓尖環(huán)齒金剛石鉆頭。該鉆頭在唇面結構設計上減少了與巖石的接觸面積，增大了單位面積比壓，有利于齒尖刻入巖石，使巖石表面產(chǎn)生微裂縫，起到提高鉆進效率的作用。

(2)選用PQ閥式雙作用液動沖擊器。液動沖擊器加在繩索取心鉆具上增加了軸向沖擊作用，可減少構造破碎帶的巖心堵卡，避免了堵塞造成的巖礦心磨損，提高破碎帶巖心采取率;同時使得鉆壓有效地作用在鉆頭上，使金剛石回轉過程中產(chǎn)生了微沖擊體積碎巖作用，增加了金剛石在同樣鉆壓情況下的壓入深度，提高碎巖量，從而提高鉆進時效;液動沖擊器在孔底提供一定頻率的振動沖擊作用，可以有效降低鉆壓，從而減小由鉆柱彎曲引起的孔斜，同時，在沖擊和回轉力的聯(lián)合作用下，孔底巖石以體積破碎為主，可以減小由于地層不均產(chǎn)生的偏心力矩所造成的孔斜，提高鉆孔質量。

(3)使用S114繩索取心鉆桿。鉆桿直徑較大，鉆桿壁厚6.35 mm，鉆桿總體剛度大，是H、N口徑無法比的，對鉆孔防斜起到顯著效果。

(4)選用無固相沖洗液。無固相沖洗液性能除能滿足現(xiàn)場施工工藝要求外，還可以起到提高鉆進效率的作用。

(5)采用恒扭矩鉆進方法。合理地匹配鉆進工藝參數(shù)，嚴格操作技術，防止鉆進過程頻繁更改工藝參數(shù)，從而保證進尺速度平穩(wěn)。

3 鉆探設備

河元背深鉆CUSD2孔選用的成套設備為國內第一臺XY－8DB型交流變頻電驅動立軸巖心鉆機，是由中國地質裝備集團有限公司和張家口中地裝備探礦工程機械有限公司共同研發(fā)，是以XY－8機械立軸式巖心鉆機為基本型，集成模塊化的交流變頻電驅動單元及數(shù)據(jù)采集單元，采用PLC與現(xiàn)場總線進行電氣系統(tǒng)配置，采用智能化司鉆房進行遠程操控的新型深孔巖心鉆探成套裝備，滿足3000 m S75(NQ)深孔取心勘探需求。河元背深鉆CUSD2孔施工現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 河元背深鉆CUSD2孔施工現(xiàn)場

XY－8DB型成套設備主要包含6個部分:SG24型四腳管塔、XY－8DB型鉆機、遠程司鉆房、變頻裝置電控房、BW300/16A型變頻泥漿泵、SQ114/8型液壓動力鉗等。XY－8DB型鉆機性能參數(shù)見表1。

4 鉆進工藝

4．1 鉆孔結構

根據(jù)地質設計要求，終孔口徑應≮75 mm，綜合施工質量及設備管材情況，確定設計終孔口徑為96 mm，75 mm口徑作為備用口徑。

在實際施工過程中，根據(jù)設備施工能力、巖層情況、孔內復雜程度等情況，對鉆孔結構進行了調整。實際鉆孔結構為150 mm施工至42.18 m，下入146 mm套管，然后122 mm金剛石繩索取心鉆進至終孔深度1535.02 m。

設計鉆孔結構與實際鉆孔結構對比見圖2。

圖2 設計鉆孔結構與實際施工鉆孔結構示意圖

4．2 鉆進方法

4．2．1 0 ～42.18 m 孔段

采用金剛石單管鉆進，鉆具組合:主動鉆桿+S114繩索取心鉆桿 +146 mm單管鉆具 +150 mm金剛石單管鉆頭。

4．2．2 42.18 ～127.86 m 孔段

采用金剛石繩索取心鉆進，鉆具組合:主動鉆桿+S114繩索取心鉆桿+S114繩索取心鉆具+122 mm金剛石鉆頭。

4．2．3 127.86 ～1535.02 m 孔段

采用金剛石繩索取心沖擊回轉鉆進，鉆具組合:主動鉆桿+S114繩索取心鉆桿+PQ液動沖擊器+S114繩索取心鉆具+122 mm金剛石鉆頭。

4．3 金剛石鉆頭的選用

圖3 河元背深鉆CUSD2孔122 mm金剛石鉆頭唇面結構

其中平均鉆進時效為1.65 m/h，鉆頭平均使用壽命114.83 m，更換鉆頭最大孔深間隔208.53 m(同心圓四環(huán)槽、HRC20—25)，更換鉆頭時間最大間隔244 h。同心圓四環(huán)槽鉆頭在沖擊回轉工況下，平均鉆進時效達到1.89 m。河元背深鉆CUSD2孔不同類型122 mm金剛石鉆頭使用情況見圖4。

圖4 河元背深鉆CUSD2孔不同類型122 mm金剛石鉆頭使用情況

4．4 PQ閥式雙作用液動沖擊器的使用

從127.86 m開始采用液動沖擊器+金剛石繩索取心鉆進，總進尺1407.16 m。液動沖擊器共投入孔內491次，正常工作485次，非正常工作6次。在42.18～127.86 m孔段未用液動沖擊器，平均鉆進時效為0.78 m/h;在127.86～440.85 m孔段使用液動沖擊器后平均鉆進時效達到1.29 m，提高了65%;在1255.87～1535.02 m孔段的黑云母石英片巖強造斜地層，采用沖擊回轉繩索取心鉆進，頂角變化≤1°/100 m;在鉆進破碎地層時巖心采取率達到99%。使用液動沖擊器在構造破碎帶采取的巖心見圖5。

4．5 恒扭矩鉆進方法

鉆進參數(shù)的匹配是以鉆進時回轉扭矩為基準，根據(jù)鉆進深度、巖層變化、鉆頭類型進行調整，嚴格控制回轉扭矩在一定范圍變化，保證鉆進穩(wěn)定，實際鉆進參數(shù)見表2。

圖5 使用液動沖擊器在構造破碎帶采取的巖心照片

表2 河元背深鉆CUSD2孔實際鉆進參數(shù)

4．6 沖洗液

沖洗液是鉆探工程的“血液”，承擔著冷卻鉆頭、攜帶巖粉、潤滑鉆具、保護孔壁等功能。深部鉆探的沖洗液要求具有懸浮攜帶巖粉能力強、潤滑性能好、護壁性能好、抗溫性能強、流變特性好、地表凈化程度高等特點。

圖6 河元背深鉆CUSD2孔沖洗液循環(huán)系統(tǒng)布置圖

河元背深鉆CUSD2孔沖洗液循環(huán)系統(tǒng)布置見圖6，選用的沖洗液類型為無固相沖洗液，配方成分主要有4種:聚丙烯酰胺、HV－CMC纖維素、改性磺化瀝青粉、特效潤滑劑。沖洗液配方為:1 kg清水+5～6 kg聚丙烯酰胺+5～6 kg HV－CMC纖維素+10～15 kg改性磺化瀝青粉+15～16 kg特效潤滑劑。其性能為:密度為1.008～1.01 g/cm3，粘度為17～22 s，失水量7～8 mL/30 min，含砂量 ＜0.1%，pH值8～9，潤滑系數(shù)0.17～0.20。

5 主要經(jīng)濟技術指標和質量指標

5．1 主要經(jīng)濟技術指標

河元背深鉆CUSD2孔于2014年11月28日開鉆，到2015年3月26日終孔，施工天數(shù)119天。鉆孔總臺時為2848 h，其中計入臺月的時間為2800 h。其中純鉆進時間993.70 h，占總時間35%;輔助時間430 h，占總時間的16%;打撈巖心時間630.2 h，占總時間的23%;提下鉆時間152 h，占總時間的5%;設備維修60.1 h，占總時間的2%;調試時間144 h，占總時間的5%;其它停鉆時間(停電、放假、待料等)390 h，占總時間的14%。平均臺月效率為394.6 m。河元背深鉆CUSD2孔時間分配圖、月進尺和臺月效率分別見圖7、圖8。

圖7 河元背深鉆CUSD2孔時間分配

圖8 河元背深鉆CUSD2孔月進尺和臺月效率

5．2 質量指標完成情況

5．2．1 巖礦心采取率

全孔巖礦心采取率平均為97.75%。鉆進取心孔段1535.02 m，取出巖心長度1500.49 m。構造破碎帶取心率達到99%。達到質量指標要求。

5．2．2 鉆孔彎曲

由測井資料得知，全孔最大頂角為4.6°。0～1380 m，頂角在2°以內;1380～1535.02 m，頂角逐漸增大，最大到2.6°，符合質量指標要求。

5．2．3 孔深誤差測量與校正

每次百米校正孔深誤差均未超過0.5 m，符合質量指標要求。

5．2．4 簡易水文觀測

靜水位觀測，停鉆期間進行的水位觀測，開始時1～2 h觀測一次，逐漸延長到4、8 h觀測一次，直至最后二三次測水位相同或相差在2 cm以內，可認為水位已經(jīng)穩(wěn)定。河元背深鉆CUSD2孔靜水位為16.5 m。根據(jù)測井資料得知，水溫情況:－26 m為20.21℃，－500 m為32.55℃，－1000 m為47.83℃，－1535 m為61.23℃。河元背深鉆CUSD2孔平均溫度梯度為2.73℃/100 m。

5．2．5 原始班報表

原始班報表、圖表等資料齊全，符合相關規(guī)范要求，翔實、可追溯，數(shù)據(jù)質量可靠。

5．2．6 封孔

嚴格按照地質提供的封孔設計要求進行封孔，封孔質量達到質量要求。

6 結語

(1)XY－8DB型交流變頻電驅動巖心鉆機在河元背深鉆CUSD2孔的成功應用，與普通立軸鉆機相比，具有低能耗、勞動強度低、數(shù)字化操控直觀精準簡便、安全防護可靠等特點，有效提高鉆進工藝的適應性，提升符合操控和事故處理能力，以及最大限度地避免了孔內事故和人身事故的發(fā)生。

(2)河元背深鉆CUSD2孔以深度1535.02 m順利終孔，創(chuàng)造了選用XY－8型巖心立軸鉆機施工P口徑(122 mm)繩索取心鉆進的最深鉆孔記錄。

(4)河元背深鉆CUSD2孔采用恒扭矩鉆進方法，保證扭矩的變化穩(wěn)定在一定范圍內，這一點在深孔鉆進中至關重要。在施工中，沒有發(fā)生過斷鉆桿、脫扣事故，這一成功經(jīng)驗，對今后其他深部鉆孔施工具有非常好的指導意義。

(5)河元背深鉆CUSD2孔的竣工，鍛煉了我所鉆探隊伍深部鉆探的施工能力，積累了深部鉆探的施工經(jīng)驗，培養(yǎng)了作風優(yōu)良、技術精湛的深鉆團隊，為以后其它深孔鉆探施工奠定了基礎。

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