贵州赫章猪拱塘铅锌矿区勘查ZK10006水文地质钻孔施工技术_赵华宣.pdf

2020年第8期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-11-05 第一作者简介 赵华宣1968-， 男 （苗族） ， 贵州思南人， 研究员， 现从事钻探技术研究及推广工作。 贵州赫章猪拱塘铅锌矿区勘查 ZK10006水文地质钻孔施工技术 赵华宣*， 陈涛,陈浩 （贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队,贵州 遵义 563000） 摘要 贵州省赫章县猪拱塘铅锌矿区水文地质条件极为复杂， 水文地质勘查须对F30断层以上深水 位 （265m左右） 强岩溶带和F30断层以下弱岩溶带及水文条件分界F2断层进行分层降压试验， 存在上 部强岩溶带冲洗液失返和封隔分层降压试验复杂问题， 采用空气潜孔锤钻进、 技术套管封隔水措施 解决强岩溶带冲洗液失返、 含水层分隔降压试验难题， 为类似矿区水文勘查提供可靠技术借鉴。 关键词 矿区水文勘查； 深水位强岩溶带； 潜孔锤； 技术套管封隔 中图分类号 P641 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202008-0071-04 贵州省赫章县猪拱塘铅锌矿位于国家级乌蒙山连 片扶贫攻坚区腹地， 为贵州首个超大型铅锌矿床， 探明 铅锌矿资源量275.82104t， 潜在经济价值巨大。主矿 体深藏于地下800m以深， 区内断裂构造发育、 矿体围 岩裂隙发育， 受断裂构造影响， 水文地质条件极为复 杂， 资源开采将穿越二个含水带， F30断层以上为深水位 （265m左右） 、 裂隙溶洞发育的强岩溶带， F30断层以下 为弱岩溶带。为查明矿区水文地质条件及参数特征， 须分别对二个含水带及矿区水文条件分界F2断层开展 降压试验。我单位承担了首个勘查孔 （ZK10006水文 地质钻孔） 施工， 采取空气潜孔锤钻进、 技术套管封隔 措施， 解决浅中深段强岩溶带冲洗液失返、 含水层分隔 降压试验难题， 对矿区后续水文勘查孔实施提供可靠 技术借鉴， 为加快该矿区水文勘查、 助推资源开发利用 和乌蒙山集中连片特困区脱贫攻坚具有重要意义。 1工程概况 贵州省赫章县猪拱塘铅锌矿区勘查ZK10006水文 地质钻孔为查明该矿区水文地质条件、 参数特征的首 个勘查孔。孔位距天然溶洞8m， 设计及设计变更孔深 910m、 450m以上孔段直径不小于∅217mm （盲管滤 管护壁） 、 终孔直径不小于∅95mm （裸眼） ， 每2m取1 次岩样 （可不取柱状岩样） ， 分别对450m以上强岩溶带 （水位埋深 265m 左右） 、 矿区水文条件分界 F2断层、 450m以下弱岩溶带进行分层降压试验。需采取有效 措施解决裂隙、 溶洞发育强岩溶带钻井液失返问题和 分层降压试验封隔问题， 以确保降压试验数据真实、 准 确和供后续勘查孔技术借鉴。 2地层结构特征 勘查区经矿山地质详查工作， ZK10006水文地质 钻孔地层结构设计与实际揭露基本一致。断层F30以 上碳酸岩层为裂隙溶洞极发育的强岩溶层， 碎屑岩地 层受断裂构造影响岩体破碎、 易掉块； 断层F30以下碳 酸岩层为裂隙不发育的弱岩溶层， 碎屑岩地层受断裂 构造影响岩体破碎、 易掉块。设计与实际揭露地层结 构及特征见表1。 3钻孔结构及施工设备 3.1钻孔结构 3.1.1钻孔结构设计 鉴于断层F30以上碳酸岩层为裂隙溶洞极发育、 冲 洗液失返强岩溶层， 结合设计变径深度、 可不取柱状岩 样、 钻孔施工安全及满足降压试验设备孔径要求， 采用 地热勘查孔的三开技术套管钻孔结构， 钻孔结构设计 见表2。 3.1.2钻孔结构 勘查孔施工中因地层变化及孔内复杂情况， 为确 保施工安全和提高效率， 在满足勘查孔降压试验前提 下对钻孔结构进行适当调整， 调整后钻孔结构见表3。 3.2施工设备 71 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 根据ZK10006水文地质孔地质设计、 地层结构、 钻 孔结构设计及勘查施工安全， 采用 TSJ-2000 钻机、 HS27-75钻塔、 3NB-350泥浆泵、 潜孔锤、 螺杆钻进配 套设备和降压试验设备。施工主要设备及型号见表4。 地层 系 第四系 二叠系 设计25m遇F5断层 二叠系 设计75m遇F18断层 石炭系 泥盆系 设计407m遇F30断层 志留系 设计546m见F2断层 二叠系 设计575m遇F20断层 二叠系 设计800m遇F1断层 统 上统 上统 上统 下统 上统 下统 上统 上统 组 栖霞组 梁山组 马平组 黄龙组 摆佐组 上司 旧司组 祥摆组 尧梭组 望城坡 韩家店 梁山组 栖霞组 代号 Q P2q P2l C2m C2h C1b C1s C1j C1x D2y D2w S1h P2l P2q 深度 （m） 设计 0～5 5～25 25～75 75～115 115～188 188～277 277～295 295～303 303～366 366～407 407～546 546～575 575～910 实际 0～4 4～14 实际14m遇F5断层 14～76 实际76m遇F18断层 76～116 116～186 186～276 276～294 294～302 302～366 366～414 实际414m遇F30断层 414～550 实际550m见F2断层 550～574 实际574m遇F20断层 574～910.33 实际800m遇F1断层 岩性 堆积土 灰岩 石英砂岩、 炭质泥岩 灰岩 灰岩 白云岩 灰岩 炭质泥岩 灰岩 白云岩 泥岩 石英砂岩、 炭质泥岩 灰岩 地层特征 胶结差、 易垮塌 裂隙、 溶洞发育 水敏性强、 岩层破碎、 易掉块 裂隙、 溶洞极发育 裂隙、 溶洞极发育 岩溶极发育 裂隙、 溶洞极发育 易缩径 裂隙、 溶洞极发育 岩溶极发育 水敏性强、 岩层破碎、 易掉块 水敏性强、 岩层破碎、 易掉块 岩溶不发育 表1设计与实际揭露地层结构及特征见表 序号 1 2 3 4 5 孔段名 地表管 一开 二开 技术套管 三开 井径 （mm） 445 406 315 216 152 井段 （m） 0～10 10～80 80～450 450～453 453～910 井管 （mm） 426 339.7 244.48 219/ 177.8 螺杆钻进， 视孔壁稳定情况， 确定是否下管 井管 材质 D20 J55 J55 J55 备注 揭穿第四系进入完整岩层3～5m， 下管水泥固结防地表水浸入 潜孔锤或牙轮钻进， 揭穿栖霞组、 梁山组及浅部溶蚀发育段， 下∅339.7mm 套管护壁并水泥 泵室段， 揭穿F30断层进入韩家店约40m， 下∅244.5mm套管 （盲管/滤管） ， 做降压试验 降压试验后∅216mm钻进2～3m、 下∅219mm管 （长15m， 133mm主杆活 动段） ∅177.8mm管封隔上部强岩溶带 表2钻孔结构设计表 72 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 4施工技术 4.1钻进工艺技术 根据地层及孔内复杂情况， 为确保成孔质量和提 高钻进效率， 采取长粗径钻具合金、 牙轮及长粗径钻具 合金铣圆孔、 潜孔锤、 牙轮清水强钻大风量排屑、 螺杆 等组合钻进工艺。 （1）长粗径钻具合金钻进 地表管孔段采用 ∅445mm筒状合金钻具 （∅426mm管肋骨合金） 泥浆 护壁钻进； （2） 牙轮及长粗径钻具合金铣圆孔 一开孔段因 钻孔距天然溶洞只有8m， 为防钻孔与溶洞窜通， 采用 ∅406mm牙轮钻进， 长粗径钻具 （∅339.7mm管肋骨 合金） 合金圆铣孔； （3） 潜孔锤钻进 二开孔段因钻进地层为裂隙溶洞 发育强岩溶带、 水位深、 冲洗液失返， 采用∅315mm潜 孔锤钻进； （4） 牙轮清水强钻大风量排屑 技术套管段因 二开孔段套管下部为滤管， 水位深、 冲洗液失返， 采 用∅216mm牙轮清水强钻1～2m， 大风量排屑 （续水） 后续钻； （5） 螺杆钻进 三开孔段因技术套管封隔上部失返 孔段， 采用∅152mm螺杆无固相钻井液钻进。 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 名称 钻塔 游动大钩 钻机 水龙头 泥浆泵 空压机 电子单点测斜仪 称重表 降压试验设备 型号 HS27-75 90T TSJ-2000 90T 3NB-350 XHP1170 BZE-S 150T QYDH116/400/700 150QJ-10-350 QYB98-60/500mI 自动水位仪 主要参数 高27m、 承载力75t 承重90t 钻进深度2000m 承重90t 排量11.5～24.4L/s， 压力20～9.5MPa 风量33.1m3/min， 气压2.41MPa 保护筒50mm 150t 排量400m3/d， 扬程700m 排量10m3/h， 扬程350m 排量2～4m3/h、 扬程500m 数量 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 单位 套 个 套 个 台 套 套 套 套 套 套 套 表4勘查孔施工主要设备表 表3调整后钻孔结构表 序号 1 2 3 4 5 孔段名 地表管 一开 二开 技术套管 三开 井径 （mm） 445 406 315 216 152 井段 （m） 0～8.55 8.55～54.65 54.65～425.86 425.86～476.14 476.14～910.33 井管 （mm） 426 339.7 244.48 244.48/177.8 螺杆钻进， 裸眼 井管 材质 D20 J55 J55 J55 备注 揭穿第四系进入完整岩层4.5m， 下管水泥固结防地表水 浸入 揭穿浅层溶蚀带， 下∅339.7mm套管水泥固结 泵室段， 揭穿强岩溶带、 进入隔水层韩家店11.86m， 下 ∅244.5mm套管 （盲管/滤管） ， 下管孔段46.31～425.86m， 做降压试验 降压试验后∅216mm钻至476.14m、 下∅244.48mm管 36.61m （地面上0.55m， 133mm主杆活动段） ∅177.8mm 管， 封隔上部强岩溶带 73 ChaoXing 2020年第8期西部探矿工程 4.2成孔技术 成孔施工根据地层及孔内复杂情况， 为确保施工 安全和分层降压试验需要， 采取下管护壁水泥固结、 下 盲/滤管护壁、 技术套管封隔等技术措施。 （1）地表管孔段 0.0～8.55m， ∅445mm 孔径至 8.55m， 下∅426mm管水泥固结防地表水入孔； （2）一开井段 8.55～54.65m， ∅406mm 孔径至 54.65m， 揭穿浅层强岩溶带， 下∅339.7mm 管水泥固 结， 防后续潜孔锤钻进与旁边溶洞窜通； （3） 二开井段 54.65～425.86m， ∅315mm 孔径 （潜孔锤） 钻进， 揭穿 F30断层及以上强岩溶带， 下 ∅244.48mm管 （水位以下滤管） 护壁； （4） 技术套管封隔防渗 425.86～476.14m， ∅216mm 孔径， 进入隔水层韩家店62.14m下∅244.48mm 管 ∅177.8mm 管的技术套管至孔口封隔上部强岩溶 带， 防上部强岩溶水渗入孔内， 其中∅244.48mm套 管 36.61m （后续钻进∅133m 主杆活动） 、 超出地面 0.55m、 孔口管间封闭防岩屑窜入管间隙和管孔间隙， ∅177.8mm 套管 （36.06～476.14m 段） 、 472～473m 和 465～466m设膨胀止水胶条环封隔防渗止水。 5降压试验 勘查孔根据设计及设计变更要求， 分别进行3个层 7次降压试验， 满足设计要求。降压试验设备及数据见 表5。 层 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 次 1 2 1 2 3 1 2 孔深 m 425.86 580.4 910.33 试验段 m 54.64～425.86 476.14～580.4 476.14～910.33 静止水位 m 265.5 364.71 389.62 降压试验 设备 QYDH116/400/700 150QJ-10-350 QYDH116/400/700 QYDH116/400/700 QYB98-60/500m 下泵深度 （m） 405.29 351.0 472.04 471.71 472.33 465.02 466.18 试验结果 动水位346.3m， 水量4.239L/s 动水位326.75m， 水量3.629L/s 动水位泵头， 水量0.217L/s 动水位泵头， 水量0.217L/s 动水位泵头， 水量0.217L/s 动水位泵头， 水量0.217L/s 动水位泵头， 水量0.217L/s 表5降压试验设备及数据表 6效果 该孔采用潜孔锤钻进、 牙轮清水强钻大风量排屑 技术措施， 较好地解决了深水位强岩溶带冲洗液失返 钻进难题； 技术套管封隔防渗避免后续钻进中钻井液 漏失和强岩溶带水入孔、 封隔止水效果良好， 满足分层 降压试验要求。 7结论 （1） 水文地质条件复杂、 深度大的水文地质勘查 孔， 参照地热勘查孔钻孔结构可确保工程质量和施工 安全。 （2） 使用TSJ-2000钻机配套设备， 满足矿山水文 勘查深孔施工要求和保证施工安全。 （3） 潜孔锤钻进有效解决深水位强岩溶地层钻井 液 （液体） 失返问题。 （4） 牙轮清水强钻大风量排屑可解决一定深度冲 洗液 （液体） 失返问题。 （5） 技术套管封隔技术有效解决冲洗液漏失和避 免多含水层渗窜问题。 参考文献 [1]何良伦， 彭鹏， 秦文博.275.82万吨贵州首个超大型铅锌 矿床探明[N].中国矿业报， 2019-2-27. 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