甘肃白银深部矿区深井钻探工艺简述

甘肃白银深部矿区深井钻探工艺简述

南亚莉

甘肃省有色金属地质勘查局白银矿产勘查院，甘肃省白银市，730900

摘要：随着社会经济的不断发展，人们对金属矿资源的需求逐渐增加，但是随着常年开采金属矿资源已经严重不足。以甘肃白银矿为例，今后的开采重点在深部与外围盲矿。因此，深井超深井钻探工艺技术就显得尤为重要。本文主要以甘肃白银矿为例，从钻孔结构设计、钻探设备及器材、钻进方法等角度探究深井超深井钻探工艺技术的应用。

关键词：白银矿；深井钻探工艺；工艺技术；钻探效率

引言

钻探工艺技术是大型金属矿开采的重要技术手段，也是保证矿产资源部开发效率的基础形式。相对比一般的金属矿区，多金属矿区的地层大多数是坚硬的质地，而且矿区的开采环境比较复杂和恶劣，对钻探开采工作顺利实施造成影响的因素较多，地层钻探工作难度较大，需要加强深井超深井钻探工艺技术的研究。

1 工程概述

本案例工程为甘肃省白银市白银矿田深部及外围铜多金属矿，矿区位于青藏高原和黄土高原结合位置，海拔1700m-2000m，钻探任务为一个勘察孔，设计孔深为1800m。

2 钻孔结构设计

2.1 钻孔结构原则

钻孔结构主要是开孔到终孔过程中，孔身口径发生的变化，口径变化次数越多，钻孔结构就会越复杂，相反则会越简单[1]。针对钻孔结构的选择来说，要综合考虑矿区岩石特性、水文地质状况、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、钻孔用途等等多方面的因素。因此，钻孔结构原则是将终孔直径作为标准，参照理想岩石剖面从上到下的对各段口径、开孔直径进行预测。以钻孔质量和钻进安全为基础前提，尽可能采用泥浆护壁方式，有效减少或者不下套管，减少换径，尽可能对钻孔结构进行简化，提升钻进效率[2]。

2.2 钻孔结构设计

结合本矿区的地质情况、钻孔设计深度等内容，钻孔结构设计如下：

第一，应用150mm金刚石钻头开孔，一直到穿透渣堆后，下入146mm套管。然后更换122mm的金刚石钻头实施钻进工作，在钻进到500-600米时下入114mm套管，这是因为该深度容易出现钻孔上漂的情况，会结合实际情况对深度进行调整。

第二，更换使用98mm口径的金刚石钻头钻进1500-1600m，下入91mm套管。

第三，更换使用75mm口径的金刚石钻头钻进到终孔。

3 钻探设备及器材

3.1 钻机选型

在深井超深井钻探工艺技术中，钻机设备决定了整体钻探工作的质量和效果，是最主要的设备，主要是依据钻孔结构和钻进方法选择钻机设备[3]。在本工程中，选择使用张家探矿工程机械有限公司研发生产的XY-8DB型变频电驱动岩心钻机，各方面性能都满足本工程钻孔施工的需求。

3.2 钻塔

深井超深井钻探过程中，钻塔的应用主要是实现悬挂滑车系统进行起、下钻具和套管[4]。钻塔的类型在选择上应该结合钻孔深度、钻孔倾角、大钩载荷以及施工期限等因素进行充分考虑。XY-8DB钻机搭配应用SG24型钻塔，高度最大为25m，最大承载为500KN。

在钻高设计方面，钻塔的高度会对钻孔深度以及起下钻时立根长度起到决定性作用，钻孔越深，立根就越长，钻塔也就越高。钻塔在掉起立根时，顶部应该会设置一段安全距离，进而确定钻塔高度[5]。

钻塔高度：H=KL（m）   （1）

其中，L为立根长度（m），施工过程中应用的钻杆单根长度一般为4.5m，一根立根是由三根钻杆连接构成，长度为13.5m。K为安全高度系数，该系数与起下钻工具尺寸以及提钻安全高度有一定的关系，一般该系数为1.25-1.4，立根短时提升速度较高，就会取最大值，在本工程中取1.25。通过公式计算，每个立根的长度为18米则能满足施工需求。

在钻塔选择方面，结合探孔特点和钻孔深度以及其他因素，最终选择SG24型钻塔，最大承载为500KN。

3.3 泥浆泵

泥浆泵属于钻探设备中重要的构成，在深井超深井钻探的过程中，泥浆泵的应用能够促使泥浆在钻孔内形成循环，从而方便悬浮、排出岩屑和冷却的钻头。泥浆泵的功率为30KW，

在泥浆泵的流量计算方面，主要是对泵向钻孔内输送的泥浆量进行计算，并符合钻进方法，以确保能够将岩粉和冷却钻头有效排出为基本前提，对流量所需泵量最大的空段进行计算，以此作为选定泥浆泵的依据[5]。

泥浆量计算公式为： Q=FV=V    （2）

式中Q为泥浆量；为上返流速不均匀系数，取值范围为1.1-1.3；F为最大上返环状空间过流断面面积，m2；D为最大钻头外径决定的孔径或者最大套管内径，m；d为钻杆外径，m；V为泥浆上返流速，m/s。

V=   （3）

式中D取122mm，取1.05g/cm3，结果为V=1.42365m/s，

取d为114mm，带入公式（2）中得出Q=0.00253m/s，所需最小流量为2.53L/S，选择泥浆泵型号为BW-300。

4 钻进方法

4.1 钻进

结合本工程案例的钻孔深度、地层情况以及以往钻进施工中容易出现地表到450m出孔深钻孔上漂的问题，选择钻孔结构为上述分析的内容

[6]。

4.2 冲洗工艺

开孔过程中泥浆采用粘土或者膨润土泥浆，可用粘土直接加水搅拌，或者在每方水中加入2-4kg的纯碱或者火碱，再加上粘土或者膨润土浸泡24小时以上搅拌形成基浆。在基浆中按顺序加入水溶CMC和水解聚丙烯酰胺。泥浆性能参数的配置是漏斗粘度25s左右，比重1.15以下，失水量低于10ml/30min，ph值在8.5以上。

4.3 取心方法

在深井超深井钻探的过程中，覆盖层应用单管钻进方式，采取岩心时可以停泵干钻1-3分钟之后再提钻取心，或者应用取心器取心。

4.4 钻进参数

开孔钻进时选择的钻进参数为钻压300-1300kg，转速为50-200r/min，泵量为50-100L/min。在选择泵量值时应该以实际排出岩粉的量和孔壁稳定情况进行判断，对于松散不稳定的填层或者尾矿渣层而言，可以选择使用小泵量，避免冲塌孔壁[7]。

4.5 钻头选择

在选择使用金刚石钻头的过程中，要综合考虑岩石结构特性、岩石硬度、岩石磨性以及破碎程度等，结合本工程案例矿区地层演示情况对钻头进行如下选择。

针对坚硬的完整岩石层，比如石英闪长岩、石英脉、斜长花岗岩等，选择钻头的胎体硬度为HRC 10-20 和HRC 20-25，粒度为60-80目，浓度为70%，唇面形状为锯齿形。

针对坚硬的的破碎岩石层，比如闪长阳起片岩、阳起片岩、黑云母石英片岩以及角闪片岩等，选择钻头的胎体硬度为HRC 35-40，粒度为80-120目，浓度为100%，唇面形状为圆弧形。

针对中硬的完整岩石层，选择钻头的胎体硬度为HRC 25-30，粒度为40-60目，浓度为75%，唇面形状为圆弧形或者锯齿形。

针对中硬的破碎岩石层，选择钻头的胎体硬度为HRC 35，粒度为60-80目，浓度为100%，唇面形状为圆弧形。

针对较软的完整岩石层，比如超基性岩、钙质砂岩等，选择钻头的胎体硬度为HRC35-40，粒度为20-40目，浓度为100%，唇面形状为圆弧形。

针对较软的破碎岩石层，选择钻头的胎体硬度为HRC 40-42，粒度为20-40目，浓度为100%，唇面形状为圆弧形。

4.6 下放套管

在下放套管中，包括表套和技术套管两种形式。

下表套是为了保护孔口稳定，对孔口管进行牢固，套管底部投泥球封水。

下技术套管是由于本工程矿区所在地层长时间钻进过程中会出现掉块以及坍塌的情况，应用技术套管能够为后续正常换径施工提供保障[8]。在技术套管下放之前，应该对钻孔弯曲度进行测量，还需要进一步验证孔深，具体操作如下：

1.下放套管前的准备工作

①清除孔内残留岩心；②新配制孔内泥浆体积2.5倍以上的符合地层护壁特性的泥浆，充分循环两周以上，将孔内的沉砂和岩粉彻底清除干净；③对套管质量进行检查，确保符合标准，没有变形损伤等情况；④检查要下入孔内套管的接头螺纹丝扣；⑤准备完善的下套管工具。

2.下放套管的要求

①套管下端需要安装套管鞋和木引鞋；②下管时套管螺纹需要拧紧；③拧卸套管时严禁使用管钳，应该使用动力头和自由钳；④地层破碎、松散孔段时应该对下管速度进行严格控制；⑤表套要尽可能坐在硬岩上，用粘土球进行封固。

3.起拔套管

①终孔之后起拔回孔内套管；②假如出现套管起拔困难的情况，可以用千斤顶起拔松动之后，再利用卷扬机进行逐根起拔；③假如千斤顶应用无效，就可以用割管器从下部开始，分段隔开孔内套管，从上部起拔。

5 施工技术要求

本案例工程的深井超深井钻探工作严格按照《地质岩心钻探规程》（DT/T 0227-2010）中要求进行，在确定钻孔位置之后，地质技术人员向施工单位进行技术交底，在开钻前到施工现场结合主要技术参数进行检查，复查钻孔开孔位置、倾角以及方位角[9]。在各项工作完成之后开展钻探工作，技术质量要求如下：

第一，钻孔开孔的位置、倾角以及方位角要符合设计规定，应用金刚石钻头钻进时，开孔孔径不能低于110mm，终孔孔径不能低于75mm。

第二，在提取岩心的过程中，要按照实际编号顺序进行，不能颠倒和错位，特别是在搬运的过程中，不能丢失和错乱。全孔岩心的平均采取率要高于80%，较软岩石层和破碎岩石层的岩心采取率应高于65%。矿心以及顶底板3-5m的围岩、控矿构造标志层的采取率应高于80%。对平均采取率进行分层计算，较厚的矿体按照5-8m计算平均采取率，在钻进的过程中需要注意钻心的完整性。

第三，在钻进的过程中，应该对倾角和方位角进行系统性测量。所有钻孔开孔之后应该每25m进行一次测量，斜孔每钻进50m进行一次测量，每钻进100m，允许方位角偏差为1-2°，倾角偏斜不能超过3°，超过偏差就需要检查原因，对仪器进行校正之后重新测量。假如钻孔歪斜，那么终孔位置一般不能超过原设计要求线距的1/4。假如超差不符合设计要求，就需要及时采取措施补救。

第四，除了主矿体以及终孔要进行孔深误差测量之外，每钻进50m就需要进行一次测量。在测量的过程中使用钢尺丈量，记录的孔深和测量的孔深产生的误差正负不能超过1%。超过这一数值就需要重新测量，并合理平差。

第五，机台要对观测和测量到的孔内静止水位、涌水位置、泥浆消耗量、水头高度、漏失位置、漏失量等情况进行详细记录。

第六，岩心检查的过程中，需要对已经施工的钻孔，要求相关编录人员到施工现场进行检查，及时发现问题并解决。假如钻到主要矿层时，负责人需要组织相关人员进行中间验收，进而判断钻进的地层层位、矿层顺序等；检查岩心摆放顺序是否混乱，并对回次岩心的长度、块数及编号、分层隔板、回次孔深和进尺岩心回次隔板与钻探班报是否一致；检查岩心、矿心以及矿体顶底板围岩采取率是否符合规范要求；施工人员在采取岩心时，要保证岩心顺序不乱、不松动。填写回次隔板时，假如岩心超过5cm就需要编号。

6 结语

对于多金属矿区深井超深井进行钻探的过程中，由于地层具有较强的复杂性，岩石层包括坚硬、中硬和较软、破碎层，在施工过程中要合理选择钻头，选择合适的钻进参数和施工工艺，从钻孔结构设计、钻探设备及器材、钻进方法等方面，结合相关规定和技术指标，明确钻探工艺技术，提升钻探质量和安全，提升钻探效率。

参考文献：

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[2]宋继伟,苏宁,余立新,李奇龙,李勇.贵州省地矿局钻探工程发展回顾与展望[J].钻探工程,2021,48(03):1-9.

[3]易畅.深井钻探中小尺寸复合钻头的技术分析与展望[J].一带一路报道(中英文),2020(06):104-106.

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[5]马秀春.黑龙江嫩江县银多金属矿45°斜孔钻探施工技术[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2019,46(08):61-66.

[6]范崇满,张远峰.河南省多金属矿区复杂地层钻探施工方法研究[J].世界有色金属,2018(13):147+149.

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[9]余桂红,赵尊亭,余东山,李晓丹.绳索取芯液动锤在新疆和静县铁铜多金属矿复杂地层钻探中的应用[J].西部探矿工程,2015,27(08):56-59.