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【摘要】针对德兴铜矿朱砂红矿区、金刚石绳索取芯钻探的深孔施工，在全面分析了该矿区的地层结构和金刚石绳索取芯的特点以后，研究出一套应对的综合技术措施，从而在效地破解了深孔施工的技术难题，打出了平均孔深1186.7m，岩芯采取率达到 98.5%，固体矿产钻探深优质孔率达到100%，取得了良好的经济效益和社会效益。
【关键词】德兴铜矿朱砂红矿区；金刚石绳索取芯钻进；深孔施工技术
1. 矿区概况及地层特征
1.1矿区概况。
德兴铜矿朱砂红矿区位于怀玉山脉官帽山支脉的南东麓，为突起较高的丘陵地带，属构造剥蚀地形，矿区主峰为官帽山，海拔637.48米，区内侵蚀基准面海拔160米，相对高差477米，矿床赋存于官帽山主峰东南侧盆地中，四周环山，峰峦连绵，山体陡峻，植被发育。为了探明深部铜资源的赋存情况，2009年应德兴铜矿的邀请，我单位承担了该项目地质施工任务。
1.2矿区地层特征。
根据前人的勘查资料，德兴铜矿朱砂红矿区地层为上元古界双桥群变质岩系，属于地槽沉降阶段浅海相中细粒碎屑复理石建造并夹有海底喷发英安质火山碎屑岩建造，岩性由绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩组成，局部山沟、山坡有第四系冲积层和残坡积分布。矿区出露地层为前震旦纪双桥山群第四岩性段下段，为一套浅变质岩，主要为绢云母千枚岩、石英绢云母千枚岩、变质层凝灰岩及浅成侵入的花岗闪长斑岩及石英斑岩体。
2. 地层的可钻性分析
从前述矿区地层特征可见，按地层岩石的可钻性可划分为二类：
第一类是：浅灰色、浅黄色绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩及沉凝灰岩组成，岩石的可钻性为5～8级，这类岩石的特点是和斑岩接触越近，蚀变越强，硅化也越强，层厚1000米以上，岩层结构较稳定。
第二类是青灰色花岗闪长斑岩及石英斑岩，层厚600米，岩石的可钻性8～10级，这一类岩石的特点是结构致密、坚硬，研磨极弱，是朱砂红矿区主要的含矿地层。
3. 金刚石绳索取芯深孔施工技术设计
深孔施工，必须进行深入研究和周密策划，对可能遇到的施工问题予以充分估计，继而采取相应的技术对策，以指导深孔的施工，为了确保深孔施工顺利进行，根据地层特点，借鉴前人在该区域的施工经验，制定了一套具有较强针对性的施工设备、杆具配套、钻孔结构、钻进工艺、护壁堵漏、质量保证和孔内事故预防在内的施工技术设计方案，具体的施工技术设计内容如下：
3.1钻机的选择。
深孔施工的主要设备是钻机，为此，我们选择国产无锡探矿总厂有限公司生产的XY-5型液压岩芯钻机，该机重心低、底座宽而坚固，回转器高速旋转稳定性好，立轴通孔直径大，导向性好，取消了进给装置的导向杆，结构简化，绳索取芯钻具可直接通过立轴，不需要后移车，调速范围广，重量轻，解体性好，主要部件之间采用花键连接，拆装方便，同时具有二个反档装置，便于预防和及时处理孔内事故，该钻机是本矿区金刚石绳索取芯钻探深孔施工最理想的选择，与钻机配套的泥浆泵，选择衡阳探矿机械厂生产的BW-250/50型泥浆泵，该泥浆泵完全能满足深孔的施工。
3.2杆具配套。
深孔施工的杆具配套尤为重要，既不能使用石油系列的杆具，也不能使用常规钻探的普通杆具，唯一的选择是绳索取芯杆具，为此，我们选择了国产无锡探矿机械总厂有限公司生产的S75系列绳索取芯杆具，这类杆具的特点是杆体的材质优、韧性好、不易弯曲、丝扣加工精密、接头连接紧密，使用寿命长，是深孔施工的最佳选择。
3.3孔径结构的设计。
深孔施工的孔径结构设计必须“先大后小，结构合理，留有余地”的原则。
以地质部门提供的钻孔设计为依据，在充分认识地层因素，施工困难程度的基础上，优先孔径结构设计，以保证钻孔的质量，为深孔钻进打下良好的基础，在德兴铜矿朱砂红矿区深孔施工中，选择以下的孔径结构设计，即开孔DZ130mm为开孔直径，穿过第四系冲积层和残坡积层，下入“DZ”套管，导正换径后，采用DZ110mm为主径将所有的中风化层穿过下入“DZ”套管，导正换径后，采用DZ91mm钻具施工，穿过所有不稳定层后下入DZ套管隔离，导正换径后采用S75mm钻具施工至终孔，这样的钻孔结构形成，是该矿区的深孔施工最优化的选择。
3.4钻进方法与钻进参数优选。
深孔施工在钻进方法上，选择孕镶人造金刚石绳索取芯钻进方法，钻具类型选择了双管单动，钻进参数则根据不同的岩层和孔深进行优选确定，具体见表1、表2。
3.5冲洗液、润滑减阻及护壁堵漏。
深孔施工，在冲洗液的循环上，根据朱砂红矿区的地层情况，确定为正循环，冲洗液的类型，也是根据矿区地层情况，采用综合性的冲洗方式，润滑减阻则根据不同的地层，不同的孔段，使用不同的润滑减阻措施，在护壁堵漏技术上，根据岩层坍塌、漏失等程度采取相应的综合护壁堵漏措施。
3.5.1对于坍塌、漏失比较严重的地层，采用不分散低固想泥浆护孔钻进，具体的实践配方为：膨润土30～40Kg/m2，纯碱（Na2Co3）0.45%，水解度30%，浓度1%的聚丙烯酰胺配成固相总含量≯4%，岩屑造浆粘土≯2%，膨润土30～40Kg/m2，动塑比1：1，粘土颗粒尺寸1～30u，粘度一般为17～20″，动切力15～79mg/cm2，失水量一般不超过12ml/30′。
3.5.2对于漏失、坍塌特别严重的地层，则采用灌注水泥或水玻璃或套管隔离的方法，以保证钻进的顺利进行。
3.5.3对于坍塌、漏失不严重的地层，采用低固相泥浆护孔钻进，具体的实践配方为：钠土粉3%、纯碱0.2%、水解度30%、浓度1%的聚丙烯酰胺，阴离子皂化油0.25%。
3.5.4对于岩层比较稳定且无漏失、无坍塌的孔段，则采用清水添加化学助剂的无固相浆液钻进，以起到润滑减阻的作用，具体的实践配方：SM植物胶1%，纯碱0.6%，纤维素0.6%，阴离子皂化油0.3%。 3.5.5采用无固相冲洗液钻进过程中，现场配制了专用润滑膏，用于涂沫在绳索钻杆的杆体或下入孔内的套管上，具体的实践配方如下：铅粉56%，机油34%，黄油6%，肥皂4%，制作时将机油、黄油、肥皂加温熔化与铅粉搅拌均匀后使用，以起到润滑减阻或拔套管时减少摩擦阻力的作用。
3.6钻孔质量保证。
深孔施工，必须严格执行钻探六项质量标准，具体实践措施，在保证钻孔垂直上，确保设备安装固定牢固，动力机安装周正、水平、坚固，同时，天车、立轴中心上、钻孔成三点一线垂直，换径时使用综合式导向钻具，钻进中严格控制钻进压力，所有下入孔内的钻头、扩孔器一律“排队”使用，并对钻头、扩孔器进行磨损定量检查，严格按要求测斜，并做好防斜措施。岩矿芯采取率的控制，一律使用双管单动钻具取芯，遇粉状岩芯时，采用喷反钻具取芯，在矿层和重要标志层钻进中，严格控制回次进尺，杜绝“超长钻进”、“套块钻进”、“套心钻进”、“堵塞硬磨钻进”。孔深丈量、原始记录、简易水文观测、封孔等则按钻探质量标准严格执行。
3.7孔内事故预防。
深孔施工中的孔内事故预防，必须坚持“预防为主，正确处理”的原则，必须做到“宁肯孔上大麻烦，不愿孔下小麻烦”，具体要特别注意的三个重要环节。
3.7.1地面环节。
（1）现场交接班必须清楚，必须真实反映孔上孔内情况，钻探原始记录报表的数字必须真实、准确。
（2）地面所有的设备、器具、仪表等必须保持齐全完好，并经常进行检查、维护、保养、校正，杜绝带病运转。
（3）下入孔内的钻具器具等，必须在孔上进行认真检查、丈量、登记，严禁将有隐患的、不合格和未丈量、未检查的钻具、器具等下入孔内。
（4）送入孔内的液体，现场一律使用振动、旋流除砂等装置，对送入孔内或从孔内返上来的液体进行循环过滤净化后，方可再送入孔内，严格将没过滤净化的或易造成堵塞的液体（冲洗液）送入孔内。
3.7.2升降环节。
（1）升降机具、绳索等，必须进行经常性的检查，发现有隐患时，必须进行及时更换，确保升降过程安全可靠。
（2）升降钻具过程中，严禁猛提、猛放，严禁死拉、硬蹾，必须精心操作，平稳匀速升降确保钻具在升降过程中的安全，下钻遇阻时，严禁猛蹾、猛串，上钻遇卡时，严禁拉死。
（3）下套管时，必须采取缓冲、防跑、悬浮措施，必须将所有接头丝扣上紧扭牢，以保证下入孔内的套管安全到位，同时严禁下入“埋头管”。
（4）严禁在发生断钻事故后用绳索打捞器打捞岩矿芯，必须将断钻事故处理好后，升管取芯，在处理断钻事故时，严禁用丝锥与断头连接继续钻进。
3.7.3钻进环节。
（1）确保冲洗液路畅通，循环正常，使泵压、泵量在正常值范围，是钻进过程中的重要环节，必须做到水路不畅通不开钻，水路循环不正常不开钻，泵压、泵量不稳定不开钻，严禁将钻具一次放到孔底，必须在水路循环正常后，将钻具缓慢下降到孔底，提紧钻具后，开慢车，低钻压钻进，确认孔内正常后，方可提高转速加压钻进。
（2）确保孔内清洁，孔内无异物，钻具能到底，开得动车，无阻力，是钻进过程中的又一重要环节。
（3）钻进过程中，发现有烧钻征兆时，不得停车，而应带转速将钻具提离孔底后方可停车，严禁先停车后提拉钻具。
（4）出现机械故障、停水、停电时，必须将钻具提离孔底，并经常活动钻具，使钻具处在安全状态，严禁使钻具在同一位置停放较长时间。
（5）钻进过程中，发现扭矩骤降时，要立即停车，丈量机上余尺，用钻具进行试探确认，并及时进行称重，发现钻具重量变化，立即升管检查。
（6）钻进中回转阻力大且有反车时，不得提动钻具和强行开车，必须先将钻具慢扭上扣，再作处理。
（7）减压钻进时，用钢丝绳将钻具拉直后，再倒杆，倒杆后，用油缸将钻具提直后，再开车，防止钻头在承压过大的情况下，突然转运而损坏。
4. 现场实践取得的效果
按照金刚石绳索取芯深孔施工技术设计方案，在德兴铜矿朱砂红矿区所有深孔进行实践。自2009年4月～2010年10月，历时18个月，扣除搬迁、转移的时间，实际施工期15个月，完成深孔11个，其中最浅孔1020.37m，最深孔1253.7m，平均孔深1186.7m，完成钻探进尺13053.7m，平均台月效率870m，钻头平均寿命148m，平均孔故率0.2%，岩芯平均采取率98.5%，钻孔偏曲21′/100m，优质钻孔率100%，其中取得连续五个月单机台月效率超千米的优异佳绩，大大提高了生产效益，降低了成本，取得了良好的经济效益，实践验证这一绳索取芯深孔施工技术方案的可行性，而且为今后组织绳索取芯深孔施工积累了富贵的经验。
本人写作过程中，夏定华高级工程师给予了悉心指导，特此致谢！
【摘要】针对德兴铜矿朱砂红矿区、金刚石绳索取芯钻探的深孔施工，在全面分析了该矿区的地层结构和金刚石绳索取芯的特点以后，研究出一套应对的综合技术措施，从而在效地破解了深孔施工的技术难题，打出了平均孔深1186.7m，岩芯采取率达到 98.5%，固体矿产钻探深优质孔率达到100%，取得了良好的经济效益和社会效益。
【关键词】德兴铜矿朱砂红矿区；金刚石绳索取芯钻进；深孔施工技术
1. 矿区概况及地层特征
1.1矿区概况。
德兴铜矿朱砂红矿区位于怀玉山脉官帽山支脉的南东麓，为突起较高的丘陵地带，属构造剥蚀地形，矿区主峰为官帽山，海拔637.48米，区内侵蚀基准面海拔160米，相对高差477米，矿床赋存于官帽山主峰东南侧盆地中，四周环山，峰峦连绵，山体陡峻，植被发育。为了探明深部铜资源的赋存情况，2009年应德兴铜矿的邀请，我单位承担了该项目地质施工任务。
1.2矿区地层特征。
根据前人的勘查资料，德兴铜矿朱砂红矿区地层为上元古界双桥群变质岩系，属于地槽沉降阶段浅海相中细粒碎屑复理石建造并夹有海底喷发英安质火山碎屑岩建造，岩性由绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩组成，局部山沟、山坡有第四系冲积层和残坡积分布。矿区出露地层为前震旦纪双桥山群第四岩性段下段，为一套浅变质岩，主要为绢云母千枚岩、石英绢云母千枚岩、变质层凝灰岩及浅成侵入的花岗闪长斑岩及石英斑岩体。
2. 地层的可钻性分析
从前述矿区地层特征可见，按地层岩石的可钻性可划分为二类：
第一类是：浅灰色、浅黄色绢云母千枚岩、绿泥石绢云母千枚岩、凝灰质千枚岩及沉凝灰岩组成，岩石的可钻性为5～8级，这类岩石的特点是和斑岩接触越近，蚀变越强，硅化也越强，层厚1000米以上，岩层结构较稳定。
第二类是青灰色花岗闪长斑岩及石英斑岩，层厚600米，岩石的可钻性8～10级，这一类岩石的特点是结构致密、坚硬，研磨极弱，是朱砂红矿区主要的含矿地层。
3. 金刚石绳索取芯深孔施工技术设计
深孔施工，必须进行深入研究和周密策划，对可能遇到的施工问题予以充分估计，继而采取相应的技术对策，以指导深孔的施工，为了确保深孔施工顺利进行，根据地层特点，借鉴前人在该区域的施工经验，制定了一套具有较强针对性的施工设备、杆具配套、钻孔结构、钻进工艺、护壁堵漏、质量保证和孔内事故预防在内的施工技术设计方案，具体的施工技术设计内容如下：
3.1钻机的选择。
深孔施工的主要设备是钻机，为此，我们选择国产无锡探矿总厂有限公司生产的XY-5型液压岩芯钻机，该机重心低、底座宽而坚固，回转器高速旋转稳定性好，立轴通孔直径大，导向性好，取消了进给装置的导向杆，结构简化，绳索取芯钻具可直接通过立轴，不需要后移车，调速范围广，重量轻，解体性好，主要部件之间采用花键连接，拆装方便，同时具有二个反档装置，便于预防和及时处理孔内事故，该钻机是本矿区金刚石绳索取芯钻探深孔施工最理想的选择，与钻机配套的泥浆泵，选择衡阳探矿机械厂生产的BW-250/50型泥浆泵，该泥浆泵完全能满足深孔的施工。
3.2杆具配套。
深孔施工的杆具配套尤为重要，既不能使用石油系列的杆具，也不能使用常规钻探的普通杆具，唯一的选择是绳索取芯杆具，为此，我们选择了国产无锡探矿机械总厂有限公司生产的S75系列绳索取芯杆具，这类杆具的特点是杆体的材质优、韧性好、不易弯曲、丝扣加工精密、接头连接紧密，使用寿命长，是深孔施工的最佳选择。
3.3孔径结构的设计。
深孔施工的孔径结构设计必须“先大后小，结构合理，留有余地”的原则。
以地质部门提供的钻孔设计为依据，在充分认识地层因素，施工困难程度的基础上，优先孔径结构设计，以保证钻孔的质量，为深孔钻进打下良好的基础，在德兴铜矿朱砂红矿区深孔施工中，选择以下的孔径结构设计，即开孔DZ130mm为开孔直径，穿过第四系冲积层和残坡积层，下入“DZ”套管，导正换径后，采用DZ110mm为主径将所有的中风化层穿过下入“DZ”套管，导正换径后，采用DZ91mm钻具施工，穿过所有不稳定层后下入DZ套管隔离，导正换径后采用S75mm钻具施工至终孔，这样的钻孔结构形成，是该矿区的深孔施工最优化的选择。
3.4钻进方法与钻进参数优选。
深孔施工在钻进方法上，选择孕镶人造金刚石绳索取芯钻进方法，钻具类型选择了双管单动，钻进参数则根据不同的岩层和孔深进行优选确定，具体见表1、表2。
3.5冲洗液、润滑减阻及护壁堵漏。
深孔施工，在冲洗液的循环上，根据朱砂红矿区的地层情况，确定为正循环，冲洗液的类型，也是根据矿区地层情况，采用综合性的冲洗方式，润滑减阻则根据不同的地层，不同的孔段，使用不同的润滑减阻措施，在护壁堵漏技术上，根据岩层坍塌、漏失等程度采取相应的综合护壁堵漏措施。
3.5.1对于坍塌、漏失比较严重的地层，采用不分散低固想泥浆护孔钻进，具体的实践配方为：膨润土30～40Kg/m2，纯碱（Na2Co3）0.45%，水解度30%，浓度1%的聚丙烯酰胺配成固相总含量≯4%，岩屑造浆粘土≯2%，膨润土30～40Kg/m2，动塑比1：1，粘土颗粒尺寸1～30u，粘度一般为17～20″，动切力15～79mg/cm2，失水量一般不超过12ml/30′。
3.5.2对于漏失、坍塌特别严重的地层，则采用灌注水泥或水玻璃或套管隔离的方法，以保证钻进的顺利进行。
3.5.3对于坍塌、漏失不严重的地层，采用低固相泥浆护孔钻进，具体的实践配方为：钠土粉3%、纯碱0.2%、水解度30%、浓度1%的聚丙烯酰胺，阴离子皂化油0.25%。
3.5.4对于岩层比较稳定且无漏失、无坍塌的孔段，则采用清水添加化学助剂的无固相浆液钻进，以起到润滑减阻的作用，具体的实践配方：SM植物胶1%，纯碱0.6%，纤维素0.6%，阴离子皂化油0.3%。 3.5.5采用无固相冲洗液钻进过程中，现场配制了专用润滑膏，用于涂沫在绳索钻杆的杆体或下入孔内的套管上，具体的实践配方如下：铅粉56%，机油34%，黄油6%，肥皂4%，制作时将机油、黄油、肥皂加温熔化与铅粉搅拌均匀后使用，以起到润滑减阻或拔套管时减少摩擦阻力的作用。
3.6钻孔质量保证。
深孔施工，必须严格执行钻探六项质量标准，具体实践措施，在保证钻孔垂直上，确保设备安装固定牢固，动力机安装周正、水平、坚固，同时，天车、立轴中心上、钻孔成三点一线垂直，换径时使用综合式导向钻具，钻进中严格控制钻进压力，所有下入孔内的钻头、扩孔器一律“排队”使用，并对钻头、扩孔器进行磨损定量检查，严格按要求测斜，并做好防斜措施。岩矿芯采取率的控制，一律使用双管单动钻具取芯，遇粉状岩芯时，采用喷反钻具取芯，在矿层和重要标志层钻进中，严格控制回次进尺，杜绝“超长钻进”、“套块钻进”、“套心钻进”、“堵塞硬磨钻进”。孔深丈量、原始记录、简易水文观测、封孔等则按钻探质量标准严格执行。
3.7孔内事故预防。
深孔施工中的孔内事故预防，必须坚持“预防为主，正确处理”的原则，必须做到“宁肯孔上大麻烦，不愿孔下小麻烦”，具体要特别注意的三个重要环节。
3.7.1地面环节。
（1）现场交接班必须清楚，必须真实反映孔上孔内情况，钻探原始记录报表的数字必须真实、准确。
（2）地面所有的设备、器具、仪表等必须保持齐全完好，并经常进行检查、维护、保养、校正，杜绝带病运转。
（3）下入孔内的钻具器具等，必须在孔上进行认真检查、丈量、登记，严禁将有隐患的、不合格和未丈量、未检查的钻具、器具等下入孔内。
（4）送入孔内的液体，现场一律使用振动、旋流除砂等装置，对送入孔内或从孔内返上来的液体进行循环过滤净化后，方可再送入孔内，严格将没过滤净化的或易造成堵塞的液体（冲洗液）送入孔内。
3.7.2升降环节。
（1）升降机具、绳索等，必须进行经常性的检查，发现有隐患时，必须进行及时更换，确保升降过程安全可靠。
（2）升降钻具过程中，严禁猛提、猛放，严禁死拉、硬蹾，必须精心操作，平稳匀速升降确保钻具在升降过程中的安全，下钻遇阻时，严禁猛蹾、猛串，上钻遇卡时，严禁拉死。
（3）下套管时，必须采取缓冲、防跑、悬浮措施，必须将所有接头丝扣上紧扭牢，以保证下入孔内的套管安全到位，同时严禁下入“埋头管”。
（4）严禁在发生断钻事故后用绳索打捞器打捞岩矿芯，必须将断钻事故处理好后，升管取芯，在处理断钻事故时，严禁用丝锥与断头连接继续钻进。
3.7.3钻进环节。
（1）确保冲洗液路畅通，循环正常，使泵压、泵量在正常值范围，是钻进过程中的重要环节，必须做到水路不畅通不开钻，水路循环不正常不开钻，泵压、泵量不稳定不开钻，严禁将钻具一次放到孔底，必须在水路循环正常后，将钻具缓慢下降到孔底，提紧钻具后，开慢车，低钻压钻进，确认孔内正常后，方可提高转速加压钻进。
（2）确保孔内清洁，孔内无异物，钻具能到底，开得动车，无阻力，是钻进过程中的又一重要环节。
（3）钻进过程中，发现有烧钻征兆时，不得停车，而应带转速将钻具提离孔底后方可停车，严禁先停车后提拉钻具。
（4）出现机械故障、停水、停电时，必须将钻具提离孔底，并经常活动钻具，使钻具处在安全状态，严禁使钻具在同一位置停放较长时间。
（5）钻进过程中，发现扭矩骤降时，要立即停车，丈量机上余尺，用钻具进行试探确认，并及时进行称重，发现钻具重量变化，立即升管检查。
（6）钻进中回转阻力大且有反车时，不得提动钻具和强行开车，必须先将钻具慢扭上扣，再作处理。
（7）减压钻进时，用钢丝绳将钻具拉直后，再倒杆，倒杆后，用油缸将钻具提直后，再开车，防止钻头在承压过大的情况下，突然转运而损坏。
4. 现场实践取得的效果
按照金刚石绳索取芯深孔施工技术设计方案，在德兴铜矿朱砂红矿区所有深孔进行实践。自2009年4月～2010年10月，历时18个月，扣除搬迁、转移的时间，实际施工期15个月，完成深孔11个，其中最浅孔1020.37m，最深孔1253.7m，平均孔深1186.7m，完成钻探进尺13053.7m，平均台月效率870m，钻头平均寿命148m，平均孔故率0.2%，岩芯平均采取率98.5%，钻孔偏曲21′/100m，优质钻孔率100%，其中取得连续五个月单机台月效率超千米的优异佳绩，大大提高了生产效益，降低了成本，取得了良好的经济效益，实践验证这一绳索取芯深孔施工技术方案的可行性，而且为今后组织绳索取芯深孔施工积累了富贵的经验。
本人写作过程中，夏定华高级工程师给予了悉心指导，特此致谢！