复杂地层地质钻探施工技术方案范文

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摘要：在地质找矿过程中，了解矿体的方法有很多，其中机械取芯钻探是最直接、最直观的方法之一。国内现行地质钻探施工的工艺和方法很多，要很好地完成钻孔现场施工并达到地质设计目的要求，针对复杂地层及高要求的钻探施工需要讲究科学的方法和手段。文章拟从施工队完成的城门山金鸡窝铜多金属矿对接区补充勘查项目钻探施工经验，介绍复杂地层的钻探施工技术。

关键词：地质钻探；复杂地层；钻孔施工工艺；技术方法

机械取芯钻探是地质找矿获取地下矿床的真实地质资料和直接信息的重要手段，也是较为常用的找矿方法。针对不同复杂地层及不同地质设计要求的钻探，选择相应的钻孔结构设计及施工工艺，是施工单位现场施工能否达到地质设计要求及顺利完工的关键性工作。2015年7月九一六大队承接的城门山金鸡窝铜多金属矿对接区补充勘查项目钻探施工，该矿区的地层特点是岩溶发育，特别是在深部地层（至700～800m）发育溶洞，洞高有的达12m，容易发生孔内事故，施工及支护极度困难；此次设计钻孔主要为斜孔，有的设计是60多度的千米深孔；项目对施工设备、施工工艺、施工人员专业素质的选择要求很高，队伍通过采用有针对性的施工技术方法，保质保量的完成了此次工作，并取得了该区域复杂地层地质钻探施工技术方法。

1施工矿区概况

1.1地形地貌

城门山铜矿详查区为丘陵湖滨地形，地形主要受岩性及地质构造控制，山岭延绵方向为北东东—南西西走向，与区域构造线方向一致。区内地势西高东低、南高北低，即由西、南部低山河谷地形向东、北部变为丘陵湖泊地形。城门山——锉山山体走势呈南东东向，最高峰为锉山，海拔138.20m，赛湖湖滨及长江南岸为30m标高以下，赛湖湖盆标高仅11～14m。

1.2地质概况

（1）地层。出露地层自南至北、自下而上依次为志留系中统罗惹坪组（S2l）、上统纱帽组（S3s）、泥盆系上统五通组（D3w）、石炭系中统黄龙组（C2h）、二叠系下统梁山组（P1l）、栖霞组（P1q）、茅口组（P1m）上统龙潭组（P2l）、长兴组（P2c）、三叠系下统大冶组（T1d）、中统嘉陵江组（T2），第四系（Q）广布于湖区及地表。其中志留系为一套海相砂页岩类复理石建造，厚度大于300m；二叠系属浅海相碳酸盐和海陆交互相含煤建造，厚度621～707m；三叠系为浅海相碳酸盐及滨海页岩建造，厚度大于700m。矿区志留系到三叠系不仅会受到断裂方面影响，同时也受到褶皱影响，并且从整体来看，呈现出70°左右走向，向西北方向倾斜，倾角在45°～60°左右。另外，在F1断层南侧，因为受到较严重的断层逆冲影响，所以导致志留系纱帽组和泥盆系五通组之中一小部分，出现了倒转现象，甚至有部分会出现地层接近于直立情况，并且部分逆冲会对黄龙组也有所影响。然而在逆冲远离了岩体和构造带时，地层又会逐渐恢复正常。

（2）构造。①褶皱：出现褶皱现象主要是由于东北和西北两个方向向斜以及短轴背所造成。其中东北方向轴线相对来说呈现出东北45°倾斜，倾角在30°左右；西北向轴线相对而言呈现出西北330°倾斜，并且向斜出现翘起现象，轴面接近于垂直；由于受到褶皱影响，所以五通组以及黄龙组之间会形成层间破碎带，并且该种物质对于硫化物聚集来说具有重要作用，不可忽视；②断层：断层现象主要表现在F1、F20断裂方面上，并且其断裂形式呈现出切层走滑断裂带，以促使其形成了东西两方向地堑。其中F1是主干断裂，断裂长度高达1500m以上，呈现出NE65°走向，并且断裂处向着东南方向倾斜，其倾角在70°～83°之间，再加上上盘逆冲方向是向上，下盘陡立方向是下隆方向，所以就产生了牵引使褶皱。F1出现锻炼现象，最大倾斜距离就是170m，由于断裂所产生的破碎带距离在10～60m之间不等距。F20断裂层全长为2400m，其东段结构呈现出挤压式特点，并且地层陡立，所以牵引式褶皱呈现出直立现象，同时，岩枝会沿着断裂处进行延展、扩散，中段断层在南北两个方向地层之间反复出现，北部大约被提升了160m，主要受到花岗闪长斑岩侵入，其断层呈现出70°走向，向西北方向产生倾斜，倾角约70°，并且属于逆冲型断层形态，主要是受到本区导岩导矿构造影响。在成矿后，断裂主要发生在F11、F12、F13、F14，其中F11主要分布在矿区西北段，在350°走向左右，呈现出直立现象，长度超过220m，基于力学性质角度考虑，该种断层属于扭性，东盘发生北移；F12断层主要分布在矿区西南段7线以东，在313°走向左右，也呈现出直立现象，长度大约在130m，扭性；F13断层主要分布在西北段，大约在3000°走向，直立，并呈现出舒缓波状，长度超过430m，扭性，同时，F20断层被明显错断，导致不同地层之间出现相互连接现象；F14断层位于东段地区8线附近，呈现出西北方向趋势，主要倾向于西，长度超过1000m，倾角在65°～70°之间，东盘呈现上升趋势，对F1断层有着严重影响。

（3）岩浆岩。区内岩浆岩带有中酸性，主要由花岗闪长斑岩以及石英斑岩所构成，其中花岗闪长斑岩与铜矿形成有着直接性关联，石英斑岩与组铜矿之间有着较大关联性。成矿岩体属于同期并多次入侵的同源杂岩体，它们经过了极其复杂性演化过程，主要在侵位方式上有所表现，也就是从早期燕山花岗闪长斑岩逐渐侵位于晚期石英斑岩，同时也呈现出了主动侵位现象。另外，在花岗闪长斑岩到霏细石英斑岩再到晶屑石英斑岩这一发展历程当中，部分矿物成分有所减少，比如说暗色矿物质、斜长石等；同时也有部分矿物成分明显增多，比如说钾长石、石英灯矿物质。

（4）蚀变分带。蚀变带主要可以分为三种，分别是接触蚀变带、岩体蚀变带、层间破碎蚀变带。本区内主要蚀变分带就是层间破碎蚀变带当中的硅化-绢云母化带，其主要蚀变范围是五通组以及黄龙组两者构造优化性面以及黄龙组地层的层间破碎带这两个方面。另外，在层滑断裂带下盘砂岩当中，其黏土化、绢云母化较为薄弱，同时常见石英岩呈现出细脉、网脉状发展趋势，也在断层上盘进行逐渐硅化发育。

2钻孔布置及技术要求

2.1钻孔布置根据设计方案，本次工作共设计钻孔44个，工作量28990m由于本次对接区补充勘查矿头直立端和地层（矿层）陡倾端矿体倾角较大，为了保证钻孔揭穿矿体的夹角不小于30°，部分钻孔设计倾角较大。本次对接区补充勘查设计的钻孔：倾角＜60°的钻孔一个，孔深460m；倾角60°～75°钻孔24个，孔深14390m；倾角75°～80°钻孔8个，孔深5690m；倾角80°～85°的钻孔6个，孔深5320m；倾角85°～90°的钻孔5个，孔深3130m。

2.2技术要求钻探工程施工必须严格执行钻探规程规范，岩矿心采取率与整理、钻孔弯曲度测量、简易水文观测、孔深误差的测量与较正、原始班报表及封孔等均应达到钻探工程质量的六大指标要求。

2.3钻探施工流程及方法（1）施工流程。钻探孔施工流程如图1所示。（2）钻探工艺。城门山铜矿金鸡窝矿区的地层特点是岩溶发育，特别是在深部地层（至700～800m）发育溶洞，容易发生孔内事故；本次设计钻孔主要为斜孔，有的设计是60多度千米深孔，只有选用定向钻探技术才能实施。针对以上难点，结合以前施工的钻探经验，本次施工工艺如下：①根据现场地层情况及设计要求，本次钻探一般性钻孔设备主要选用地质岩心钻机（XY-4、XY-6钻机等钻机），采用回转钻进方法；②在第四系地层采用硬质合金回转钻进；基岩部分采用金刚石回转钻进、金刚石钻石绳索钻进取芯（配备S130、S110、S95、S75绳索钻具）；③钻探冲洗液选择：在松散地层及破碎带、构造带采用泥浆，在完整基岩中采用清水，添加润滑防阻剂；④孔径：最小开孔口径采用Ф150mm开孔，穿过第四系地层，下入Ф146mm护壁管。终孔口径Ф75mm；⑤钻孔深度：施工过程中钻孔最终孔深应严格到达终孔要求；每钻进100m及终孔处需校正孔深。校正误差不超过丈量段的1/1000，视为合格。孔深校正合格的钻孔沿用原校正孔深前的数据；⑥钻孔弯曲度：下套管前每50m，下套管后每50m及终孔处均需测方位角、天顶角。天顶角，直孔每100m递增不得超过2°，斜孔每100m递增不得超过3°。需要强调的是在满足岩心钻探规程的前提下，钻孔揭穿矿体时必须满足终孔偏线距和沿勘探线偏距不得超过10m；⑦岩矿心采取：矿心及矿体顶底板各5m采取率平均不低于80%，厚大矿体内连续矿心采取率低于80%的连续长度不能超过5m，若连续有两个回次（或厚大矿体中连续5m以上）采取率低于80%时，必须采取补救措施。围岩岩芯分层平均采取率不低于70%。使用的钻探工艺应能保持矿石原有结构特点和完整性，避免矿芯出现粉碎、贫化现象。在钻进过程中回次进尺控制岩芯在2m以内、矿芯1m左右。岩、矿心先清洗干净，按自上而下顺序装箱。对长度大于5cm的岩、矿芯用油漆编号。松散岩矿芯小心摆放且箱底用透明的塑料膜铺垫。岩芯箱要牢固、完整，箱外侧用红油漆标明岩芯箱序号、孔深、回次号，岩芯现场应妥善保管。钻孔终孔后岩矿芯要及时进库，妥善保管。⑧简易水文观测：回次水文观测：正常钻进每小班观测一次，小班进尺大于15m时应加测一次。提钻后，下钻前间隔10分钟观测一次。遇涌水时，停止钻进，测量水位高度，记录孔深，并及时通知地质人员，必要性时进行放水试验。非孔内事故停钻超过4小时，应每小时观测一次水位。冲洗液消耗量观测及漏水记录：若遇冲洗液漏失、孔内破碎掉块，及时记录孔深位置。终孔稳定水位观测：终孔后每2小时观测一次，直至稳定；⑨封孔：钻孔终孔后，全孔用425号硅酸盐水泥严封，每个封孔段应作液面检查，并详细记录封存孔水泥牌号、标号、生产日期、数量、水灰比、架桥方法及孔深等内容。封孔完成后并提供实际封孔情况说明书，以备今后查阅。孔口中心设牢固水泥标志，注明孔号、孔深和开终孔日期；⑩原始班报表。原始班报表有专人填写，要求记录及时、全面、准确、完整真实、字迹清楚、整洁。钻探记录必须要严格按照相关规定格式进行填写，并要确保记录员能够在现场完成填写工作，同时要保证其字迹足够清晰、各项数字数据必须要准确、资料要齐全，对于事后补记和追记现象要坚决杜绝。一旦记录当中出现错误时，要采用横线划去错误部分，不能随意涂改、撕毁，更不能重新抄写记录表。在每一次记录当中，必须要包括钻探实际情况以及对岩芯的描述，同时，钻进各项参与以及实际钻进情况要如实详细记录，以便于监察工作顺利开展，比如说冲洗液、钻压、塌孔等信息。钻探记录要求参见“钻探记录的标准作业”和“钻探记录中的岩性描述项目”。

2.4钻孔结构本矿区岩溶发育，并且深部（700～800m）也发育岩溶，产生垮孔、涌水、漏浆等现象，极易产生孔内事故。根据施工经验，最好的办法就是大口径开孔，逐级变径，余留较大口径空间下护壁套管防治。针对这种情况，按照设计部门开孔口径（Φ130mm），不能达到要求。因此，我队准备根据设计钻孔的地层情况，使用最小开孔直径不得小于Φ150mm，终孔直径不得小于Φ75mm。在此过程当中，必须使用双管钻具管材系列，对钻孔做出科学性、合理性、可行性设计：采用φ150mm口径进行开孔，钻至完整基岩后，下入φ146mm的表层套管。另外，要根据实际情况加以综合性考虑，比如说是否会出现严重漏失现象、钻孔是否能够成功穿过破碎带，有些施工环境较为恶劣，比如溶洞内部施工，所以工作人员要充分发挥自身工作职责，将钻孔使用工具加以综合性考虑，以确保其具有较强可实施性。钻孔级配：在实际工作当中，钻孔时，要确保冲洗液能够正常循环，这一点不仅对于整体项目工程而言是前提条件，同时对于钻孔工作而言也具有重要性[1]。（钻孔结构如图2，对于每个单孔，根据设计部门提供技术指导，结合现场实际情况进行单孔设计）

2.5钻进操作

（1）钻进方法选择①硬质合金钻头钻进应检查钻头镶焊质量，不合格者禁止下入孔内。金刚石绳索钻进应检查钻具单动性能及间隙配合情况。下钻具快接近孔底时，应提前开泵缓慢下放，慢速扫孔，待到孔底钻进正常时，再给予所需压力与转速；②合金钻进。开孔及松软地层采用合金钻头，选用的规程为：适当的钻压、较快的转速及较大的泵量，即采用“中压、快转、大泵量”的钻进规程。在这类地层中钻进，常易发生糊钻、蹩水、坍塌、超径等孔内复杂情况。为此，一方面选用优质泥浆护孔，以保护孔壁；另一方面选用大出刃或肋骨式钻头钻进，以防糊钻、蹩水；③金刚石钻进。基岩部分采用金刚石钻头，具体操作技术要求按《岩芯钻探规程》中规定执行，使钻压、转速和泵量三个规程参数，达到合理的配合。钻头选择具有较强的广谱适应性和较长的工作寿命钻头，无论地层和岩石硬度、研磨性、完整程度、可钻性怎样变化，钻头都能与所钻岩石相适应，做到胎体正常磨损、金刚石正常出露、有较厚的工作层并消耗合理、保径效果良好[2]。才能在提高钻速的同时减少钻头的磨耗，延长钻头的使用寿命，降低成本。

（2）钻进注意事项。钻探施工中应严格按照《地质岩芯钻探规程》中有关规定执行，并注意以下几点：①复合片切削具属于聚晶金刚石，并且其厚度较小，本身属于硬质合金，所以耐磨性有限，因此复合片钻头在使用过程中受到极大限制，只适用于硬地层中，而本次钻探地层中，局部地层含有硬质岩层，所以要及时对钻头采取相应措施，以确保钻进工作能够顺利开展；②在选择钻压时，要根据实际情况进行选择，钻压不能过大，尤其是钻头进入孔内，要将钻压施以严格控制，实现轻压慢钻初磨5～10min，然后再开始使用正常钻速和钻压；③在钻孔结束后，要确保孔内清洁性，孔内沉砂不得大于0.3m，制定泵量时，要比以往大一些，以提升钻头冷却性以及岩粉排除性；④要将钻头保养及轮换工作顺利开展，可以先使用外径较大钻头，然后交替使用外径较小钻头，以减轻不必要的磨损，避免钻头出现故障，从而影响正常工作；⑤进尺缓慢不得盲目加压，不打懒钻；⑥在钻进过程中要注重不适用金刚石钻头进行扫孔、扫掉块、扫残留岩芯，以避免钻头出现故障，同时也有效规避岩芯堵塞、轻钻无效以及钻速骤降等现象发生；⑦减压钻进倒杆时，必须先用升降机将孔内钻具拉紧（不得提离孔底），倒杆后用油缸减压并在小于正常钻压情况下平衡开车。

（3）冲洗液、泥浆及堵漏。冲洗液被誉为钻探工程的“血液”，加强对冲洗液的研究有助于保证钻孔顺利进行，提高钻进效率，加快钻进速度[3]。深孔复杂地层钻进，为防范埋（卡）钻、糊钻等孔内事故的发生，应遵循以下原则[4]：①预防为主、防治结合，因地制宜、综合治理；②必须用泥浆作为冲洗液，及时使用并切实用好；③水泥等固结护壁方法，原则上在地层条件、孔内情况许可和后续工作可保证固结体稳固的情况下使用；④孔壁失稳与钻孔漏失伴随发生，原则上应先处理钻孔漏失，尽量采用低密度、低失水冲洗液钻进，发生微漏或将要遇到漏失地层时将惰性材料添加到冲洗液中等是预防漏失常用的措施；⑤护壁工作必须有合理的钻井技术措施和操作工艺配合：如控制提下钻速度、不在已知漏层位置开泵、控制钻进泵量、打捞内管与提钻时应随时向孔内回灌泥浆等。

（4）钻进冲洗液、泥浆。矿区基本地层为灰岩、砂页岩等，地层软硬夹层发育，局部断裂构造、岩溶发育。当不能应用绳索取芯钻进快速通过时，一定要调整冲洗液的密度、黏度、失水量等指标，加强护壁能力[5]。针对钻进过程中易产生埋钻、卡钻现象，冲洗液及泥浆简初步计如下：①完整、孔壁稳定的地层，采用清水做冲洗液。金刚石钻探、斜孔钻探应加入润滑防阻剂，优先选用阴离子型润滑剂，钻进含钙离子地层应选用复合型润滑剂。润滑剂参考用量：清水0.3%～0.5%，泥浆1.0%～1.5%；②较完整、有轻度坍塌的地层，采用优质泥浆或只加高分子聚合材料(加量0.5%～1.0%)或广谱类护壁剂（加量2%～3%）的冲洗液小泵量循环。如采用配方为膨润土5%，片碱（NaOH）0.1%,水解聚丙稀铣胺（PHP）200ppm1.5%，钠羧甲基纤维素（CMC）0.3%泥浆，其性能：密度：1.03g/cm3，粘度22S，失水量：8ml/30min，PH值：8；③破碎、裂隙发育、掉块、坍塌，或有不同程度的漏失的地层，采用不同性能的优质泥浆做冲洗液。如采用钠羧甲基纤维素泥浆，其基本配方为：造浆粘土粉150～200g，水1000ml，纯碱5～10kg，钠羧甲基纤维素6g。泥浆性能：密度：1.07g/cm3，粘度30S，失水量：小于12ml/30min，PH值：9.5。快速穿过后，应注水泥重新造壁。断层带存在径流地下水时，应采用速凝浆液造壁或堵漏。

（5）堵漏。①孔隙及微裂隙失漏时采用如下方法：静止堵漏。发现漏失后立即停钻，上提钻具一定高度，停泵静止几小时，孔内液位不再下降，可继续钻进。惰性材料堵漏。泥浆中加入3%的惰性堵漏材料随钻循环，在漏失位置架桥封堵。交联封堵。部分水解聚丙稀铣胺冲洗液加入石灰或水泥作交联剂；②压差产生的漏失采用如下方法：降低泥浆密度。钻进中循环液液柱压力过大压裂（漏失）地层，可采用逐步降低浆液密度，使之与低孔隙压力的地层平衡止漏；③裂隙、破碎带漏失时采用如下方法：采用水泥护壁堵漏。选择速凝，早期强度高，低密度的硫铝酸盐水泥，也可用普通水泥掺加速凝剂、早强剂，用平衡法灌水泥浆堵漏。

3技术措施效果

通过以上各种合理的措施，加上选用的设备合理、钻进方法、技术方案、参数考虑周全、单位的重视、项目部的有效管理、熟练的机器操作等手段和方法的配合，使我们在这次的钻探施工过程中，做到了优质、高效、安全、低耗地完成本次钻探施工任务。

4结束语

随着科技技术的快速发展，地质找矿工作可利用的手段方式也在不断地更新发展。地质取芯钻探手段作为传统的、直观的找矿方法之一，仍旧在地质行业中广泛使用。近年来，我国国民经济也在不断快速发展，所以地质找矿也渐入佳境，完成了以点到面的变化。地质取芯钻探也面临着设计要求高、深度大、角度大、地层复杂、熟练的一线操作人员匮乏等一系列问题。在施工单位接到矿区岩芯钻探任务时，要采取有针对性施工技术方法，同时也要保证方案编制遵循着由面到点、由粗到细原则，避免模式统一，技术方法也要随着单孔所遇问题及时调整。现场深孔作业前必须有详细的工程设计，这是保证工程顺利实施的基本前提。应有针对性的配置适宜的设备、材料、专业人员。单孔施工必须严格执行编制的钻孔结构，特别是没有到达设计变径深度，不能由于钻探困难、钻探成本加大等因素影响而提前变径，导致钻孔达不到设计要求，应加强对一线操作人员的专业素质教育，督促现场规范操作。通过信息交流，及时更新更科学的钻探材料，这样才能保证完成钻探取芯任务。

参考文献：

[1]孙建华,张永勤,赵海涛,等.复杂地层中深孔绳索取心钻探技术研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2006(5):46-50.

[2]赵广伟,杨革,梁广华.深孔绳索取心金刚石钻头性能参数探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(5):75-79.

[3]牛百强.地质探矿工程存在的问题与防范对策[J].西部探矿工程,2013,25(4):149-150+154.

[4]孙建华,刘志方,耿瑞伦.制定综合技术对策提高地矿部门钻探生产效率[J].北京地质,1996(4):28-33.

[5]孙建华,王林钢,梁健,等.深孔小直径绳索取心钻进施工调研分析和技术建议[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2016(2):12-17.

作者：刘智光；钟叶青；李超 单位：江西省地质矿产勘查开发局九一六大队