金剛石繩索取心技術(shù)在紅山子地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

李柏軍，宗緒永

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧沈陽110032）

金剛石繩索取心技術(shù)在紅山子地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

李柏軍，宗緒永

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧沈陽110032）

金剛石繩索取心技術(shù)作為國家的重點推廣技術(shù)正在被廣泛采用。本文介紹了金剛石繩索取心技術(shù)在內(nèi)蒙古紅山子地質(zhì)勘探中的應(yīng)用情況，并結(jié)合施工現(xiàn)場對金剛石繩索取心技術(shù)進行了探討。

金剛石；繩索取心鉆進；地質(zhì)勘探

1 工程地質(zhì)概況

工作區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰市北部紅山子鄉(xiāng)，隸屬克什克騰旗所轄。地處大興安嶺南段末端，海拔標(biāo)高一般大于1300m，最高1970m，相對高差大于200m，大部分屬中高山區(qū)，具有典型山地地貌的特點。

本區(qū)大地構(gòu)造位置位于西伯利亞古板塊與中朝古板塊接合部位。按構(gòu)造單元劃分，為內(nèi)蒙古中部地槽褶皺系的溫都爾廟－翁牛特旗加里東地槽褶皺帶。北鄰蘇尼特右旗晚海西地槽褶皺帶，南部為華北地臺。本區(qū)基底為海西構(gòu)造層，由二疊系組成，下二疊統(tǒng)為青鳳山組、大石寨組、哲斯組，上二疊統(tǒng)為于家北溝組）、林西組。晚古生代火山巖建造以中性為主，酸性次之。據(jù)巖石化學(xué)研究成果，二疊紀(jì)火山巖生成的構(gòu)造環(huán)境為褶皺帶地殼深熔作用形成，發(fā)育的構(gòu)造環(huán)境為造山帶或島弧區(qū)。中新生代地層分布有侏羅系、白堊系及新近系等。侏羅系僅為上統(tǒng)地層，與上、下地層均呈不整合接觸關(guān)系，為一套中酸性熔巖、火山碎屑巖建造，分三個組：下部滿克頭鄂博組為一套酸性熔巖、凝灰?guī)r、粗面巖及碎屑巖組合；中部馬尼吐組以安山質(zhì)熔巖、凝灰?guī)r為主；上部白音高老組為酸性熔巖及流紋質(zhì)火山碎屑巖，其上為新近系玄武巖及含煤碎屑巖不整合覆蓋。下白堊統(tǒng)義縣組出露在西部，被大面積第四系覆蓋，僅有零星露頭。巖性為流紋斑巖、流紋巖及酸性凝灰?guī)r。新近系上新統(tǒng)分布在西拉木倫河以南，巖性為玄武巖夾碎屑巖，含煤。按噴出形式，中生代火山巖以火山碎屑巖為主，次為熔巖，次火山巖較少。其巖性主要有凝灰?guī)r、安山巖、粗面巖、流紋巖等。

利用鉆探完成礦體相應(yīng)網(wǎng)度控制，基本查明礦體在地表的分布規(guī)律，賦存狀態(tài)、礦石類型、斷裂構(gòu)造分布特征等，為礦床開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)。該項工程的鉆探工作量1300m，鉆孔3個，孔深300～500m，鉆孔終孔孔徑φ75，設(shè)置孔號ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5進行地質(zhì)巖心鉆探施工。

2 鉆探施工工藝

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層情況，設(shè)計為三級鉆孔結(jié)構(gòu)，開孔使用φ110硬質(zhì)合金鉆頭單管鉆進，開孔鉆至完整基巖，再下入φ108孔口管到位，用泥土填實再用鋼夾板固定，之后使用φ91金剛石鉆頭單管鉆進，鉆至巖層4m，下入φ89套管，鉆后更換S75金剛石繩索取心雙管鉆具進入正常鉆進。以鉆孔ZKⅡ－7－5為例，鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 現(xiàn)場布置及設(shè)備安裝

現(xiàn)場布置：根據(jù)鉆機型號規(guī)定的地盤面積154m2（14m×11m），由于地形復(fù)雜地盤面積適當(dāng)縮小約為140m2，基臺木、循環(huán)系統(tǒng)布置如圖2、圖3所示。

圖2 基臺木布置圖

圖3 循環(huán)系統(tǒng)布置圖

設(shè)備：XY－44鉆機，BW250/40泥漿泵，繩索取心絞車，30k W柴油機，64k W發(fā)電機組，擰管機等。

設(shè)備安裝：平整基臺地基、鉆孔定位，安裝四角斜塔，鉆塔底座與鉆機采用重型工字鋼聯(lián)接以增強穩(wěn)定性。用水準(zhǔn)儀校正鉆機的周正水平，安裝天車時要求鋼絲繩與滑輪上提引器下垂、鉆機立軸中心、孔口中心在同一條鉛垂線上。鉆機卷揚的鋼絲繩經(jīng)過天車輪和打撈器連接，并向下垂直孔口中心。循環(huán)槽、沉淀池、水池、泥漿泵、高壓管、機上鉆桿，形成完整的吸排水循環(huán)系統(tǒng)。柴油機做泥漿泵、發(fā)電機組、照明燈、絞車、電焊機、磨光機的動力源?，F(xiàn)場使用380伏電源、絕緣銅芯電纜線，電源制控箱分配電源。

2.3 金剛石鉆頭的選擇

該地區(qū)巖性主要有凝灰?guī)r、安山巖、粗面巖、流紋巖，適用金剛石鉆進的可鉆性、研磨性等級及硬度如表1。

表1

選用φ75的孕鑲金剛石鉆頭，根據(jù)鉆遇巖性，巖石中硬—硬，堅硬致密，中弱研磨性，鉆遇完整地層時金剛石鉆頭易拋光、打滑，鉆進效率低，宜采用高強度，濃度低，胎體硬度HRC15～30的人造孕鑲金剛石鉆頭；鉆遇巖層松散、破碎，宜采用濃度高，胎體硬度HRC35～40的人造孕鑲金剛石鉆頭。

2.4 鉆進規(guī)程參數(shù)

壓力較普通雙管鉆頭大25%左右，轉(zhuǎn)速差不多，泵量泵壓都較普通雙管鉆進時大些。

（1）鉆壓

正常鉆進直徑75mm的孕鑲金剛石鉆頭，要求鉆頭壓力10～12k N，最大壓力15k N。根據(jù)稱重相應(yīng)控制加、減壓數(shù)量，以使孔底鉆壓與稱重表所示鉆壓一致。鉆孔的深度越大，鉆桿柱中間受到的扭矩越大，易折斷，鉆壓要隨孔的加深適當(dāng)減少。

（2）轉(zhuǎn)速

孕鑲金剛石鉆頭所用金剛石粒度很小，出刃量微小，主要靠轉(zhuǎn)速來獲取鉆進效率，75mm孕鑲鉆頭轉(zhuǎn)速在400～850r/min，如果巖層較破碎、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)定時宜選用下限轉(zhuǎn)速，鉆孔結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)空間隙小、孔深不大時盡量選用高轉(zhuǎn)速，反之亦然。

（3）沖洗液泵量

孕鑲金剛石鉆頭唇面與巖面間只存在漫流區(qū)，主要靠多個水口循環(huán)，加之常以高轉(zhuǎn)速鉆進，因此宜用較大的泵量，以防止發(fā)生燒鉆，泵量值40～60L/min為宜。

為加強排粉能力、鉆頭冷卻效果，減少重復(fù)破碎，沖洗液要適中，采用水解聚丙烯酰胺，包裹、絮凝巖屑并增加泥漿粘度，用量0.05～0.1%，使用前將干粉溶成1%濃度的水溶液。采用含基礎(chǔ)油的乳化油類潤滑劑，用量0.3～0.5%。

3 巖心采取

地質(zhì)鉆探施工中要求巖心采取率≥65%，巖礦心采取率≥85%，因此采取率的高低與鉆孔質(zhì)量休戚相關(guān)，每次下鉆前要對鉆具檢查：

（1）外管總成的組裝及檢查，從彈檔頭到鉆頭連接進行檢查，鉆頭及擴孔器是否合適。

（2）內(nèi)管總成的組裝及檢查，撈矛頭是否折彎和伸直要自如可靠，回管上下提拉要可靠，彈頭收縮和張開要可靠、單動機構(gòu)要靈活、各部件要擰緊、到位報信機構(gòu)調(diào)整要合適、內(nèi)管要平直、加注潤滑油、卡簧與卡簧座的軸向及卡簧的彈性要合適。

（3）打撈器組裝及檢查：打撈鉤松緊、縮、伸張要自如，與撈矛頭的配合尺寸要適合，軸承單動性要好，繩索要夾牢。

（4）內(nèi)外管總成裝備及調(diào)試：將內(nèi)外總成在地面放到外管總成內(nèi)測量軸向長度，卡簧座下端離鉆頭內(nèi)臺階要有3～4mm間隙，彈頭擋頭與彈卡嵌要有2～3mm間隙。

4 鉆進技術(shù)要素

升降鉆具不能太快，過快易使金剛石鉆頭受到?jīng)_擊而損壞，鉆桿與接手處由于壁薄易造成鉆桿折斷、拉斷。鉆具下到位后，開泥漿泵送沖洗液排出巖粉，有沖洗液從孔內(nèi)返出時用小鉆壓、慢轉(zhuǎn)速掃孔，離合器離合要輕，過猛易造成鉆桿折斷、脫扣，鉆具到達孔底后采用正常鉆進參數(shù)鉆進。

正常鉆進時工作人員精神要高度集中，時刻注意進尺快慢，觀察機械運轉(zhuǎn)及傾聽孔內(nèi)鉆進聲音，如有異常及時采取相應(yīng)的措施。如進尺過快，可減少鉆壓，適當(dāng)增加泵量；如進尺過慢，可適當(dāng)加大鉆壓，提高鉆進效率；如不進尺，可通過稱重判斷鉆桿是否折斷，自重不變則可能是自卡，可采取提鉆或者對金剛石鉆頭拋光、打滑。

鉆遇復(fù)雜地層應(yīng)注意以下幾項：

（1）縮水、遇水膨脹的底層，鉆進時應(yīng)增大卡簧座與鉆頭的間隙（大于0.3mm），低泵量、低轉(zhuǎn)速鉆進，以提高巖心采取率，保護孔壁，待穿過該底層后恢復(fù)正常鉆進參數(shù)。

（2）孔內(nèi)不進尺，巖心堵塞，泵壓升高，此時需提鉆以防止巖心自磨或者提不起內(nèi)管。

（3）如內(nèi)管堵死，可嘗試在鉆桿柱懸空狀態(tài)時重新高轉(zhuǎn)速送水回轉(zhuǎn)，將堵塞的巖心甩掉，或送水繼續(xù)鉆進，將堵塞的巖心自磨掉。

（4）打滑導(dǎo)致進尺慢時，可投入一些碎石子，加快鉆頭金剛石顆粒的出露，從而加快進尺。

（5）地層破碎，沖洗液漏失的地層，可灌注水泥漿液或聚丙烯酰胺漿液。

（6）地層破碎以致上部鉆孔坍塌的地層，可按二級鉆孔孔徑擴孔，穿過坍塌地層后下套管護壁，擴孔時泵量適當(dāng)加大將巖粉雖泥漿攜帶出地表。

5 事故預(yù)防和處理

（1）在升降鉆具過程中要預(yù)防跑管事故，可能造成鉆桿與接手形成喇叭口，鉆桿柱與孔壁摩擦阻力增大甚至造成鉆孔報廢。

（2）不合理的鉆進參數(shù)可以造成燒鉆，同時沖洗液采用低固相、低粘度、低失水性的泥漿。

（3）在松散破碎地層要嚴(yán)格控制除砂，防止鉆桿內(nèi)壁形成泥皮而造成提不出內(nèi)管，如出現(xiàn)該事故可在鉆桿中加入柴油與機油的混合油。

（4）鉆進中難免遇到鉆桿或接手折斷，可有絲錐將鉆桿柱提出。

（5）鉆遇卡鉆，可慢速轉(zhuǎn)動同時上下串動，以將掉塊磨損掉。

6 結(jié)論

鉆孔ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5金剛石繩索取心鉆進的施工方法和經(jīng)驗，充分顯示了金剛石繩索取心鉆進方法的優(yōu)越性，工程質(zhì)量高，鉆進效率高，鉆頭壽命高，事故率低，勞動強度低，設(shè)備材料消耗小，取得了良好的經(jīng)濟效益。本文根據(jù)該工程總結(jié)了一些施工工藝和經(jīng)驗，繩索取心鉆進工藝也將會在更多的地質(zhì)工作中得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 陳木炎.繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆進效果及其工藝探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），1988（4）.

［2］ 李文忠.金剛石繩索取心鉆進復(fù)雜地層的兩項技術(shù)措施［J］.煤田地質(zhì)與勘探，1992（4）.

［3］ 魏臣.提高繩索取心鉆進效率的有效途徑［J］.中國煤田地質(zhì)，2006（12）.

［4］ 張相.繩索取心鉆進在新疆煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2007（6）.

［5］ 張永勤.提高金剛石繩索取心鉆探效率的創(chuàng)新［C］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007.

頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011－2015年）發(fā)布

【本刊訊】為加快我國頁巖氣發(fā)展步伐，規(guī)范和引導(dǎo)“十二五”期間頁巖氣開發(fā)利用，國家發(fā)改委、財政廳、國土資源廳和能源局于2012年3月16日聯(lián)合發(fā)布了《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011－2015年）》。

《規(guī)劃》包括前言、基礎(chǔ)和背景、指導(dǎo)方針和目標(biāo)、重點任務(wù)、規(guī)劃實施、社會效益與環(huán)保評估六個部分，提出我國頁巖氣的總體發(fā)展目標(biāo)是：到2015年，基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價，掌握頁巖氣資源潛力與分布，優(yōu)選一批頁巖氣遠景區(qū)和有利目標(biāo)區(qū)，建成一批頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)，初步實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)；具體目標(biāo)是：在“十二五”期間，探明頁巖氣地質(zhì)儲量6000億立方米，可采儲量2000億立方米，2015年頁巖氣產(chǎn)量65億立方米。

據(jù)報道，2011年我國石油對外依存度達到56.3%，天然氣對外依存度達到21.56%，能源安全問題亟待解決。頁巖氣是一種非常規(guī)能源，成分與天然氣相似，能有效補充傳統(tǒng)化石能源的需求缺口。根據(jù)國土資源部發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134.42萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米，超過常規(guī)天然氣資源，頁巖氣開發(fā)將成為解決我國能源安全問題的重要途徑，未來需求空間巨大。

目前，我國頁巖氣開發(fā)仍面臨資源情況不明了、關(guān)鍵技術(shù)不具備、基礎(chǔ)設(shè)施不配套、法規(guī)政策不健全、勘探開發(fā)不經(jīng)濟等諸多問題。所以，“十二五”期間是我國頁巖氣開發(fā)的起步期，主要任務(wù)是明確資源情況、攻克關(guān)鍵技術(shù)、建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、完善法規(guī)政策以保障頁巖氣開發(fā)在“十三五”期間的加速發(fā)展。

據(jù)國土資源部發(fā)布的全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選成果顯示，我國頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米。

據(jù)了解，國土資源部關(guān)于將頁巖氣作為獨立礦種的申請已經(jīng)得到了國務(wù)院正式批準(zhǔn)，頁巖氣成為我國第172個礦種。獨立礦種的確定，將為社會資金進入頁巖氣勘查開發(fā)領(lǐng)域提供機會。頁巖氣探礦權(quán)的出讓將采用競爭方式，國土資源部今年準(zhǔn)備開展1～2批頁巖氣探礦權(quán)招標(biāo)出讓。同時，在《找礦突破戰(zhàn)略行動綱要（2011－2020年）》中，將頁巖氣作為重點能源礦產(chǎn)，鼓勵各種投資主體進入其勘探開發(fā)領(lǐng)域。隨著頁巖氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有望使我國的油氣資源開發(fā)格局得到改變。

P634.53

A

1009－282X（2012）03－0026－03

2012－02－28

李柏軍（1987－），男，吉林長春人，本科，技術(shù)員，鉆探工藝，畢業(yè)于吉林大學(xué)勘查工程系，Tel：18604017850，E－mail：libaijun000＠163.com；宗緒永（1967－），男，遼寧葫蘆島，本科，高級工程師，鉆探工藝，畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院探礦工程系。