安徽馬頭銅鉬礦深孔巖芯鉆探施工技術(shù)

杭 程，余漢東，彭典珠

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210033）

安徽馬頭銅鉬礦深孔巖芯鉆探施工技術(shù)

杭 程*，余漢東，彭典珠

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇南京210033）

通過對安徽馬頭銅鉬礦巖芯鉆探深孔施工的技術(shù)分析，總結(jié)出該地區(qū)小口徑巖芯鉆探深孔施工中鉆探設(shè)備、鉆頭、鉆桿及鉆具的選擇，鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)、沖洗液等施工工藝技術(shù)的運(yùn)用，為在該地區(qū)的巖芯鉆探深孔的施工提供借鑒作用。

安徽馬頭；深孔施工；設(shè)備選用；工藝技術(shù)

1 概述

在小口徑巖芯鉆探領(lǐng)域，對于鉆進(jìn)施工孔深達(dá)到1000～3000m鉆孔，我們可以將其稱之為深孔鉆進(jìn)，近些年來隨著深孔的施工數(shù)量不斷增加，有關(guān)小口徑巖芯鉆探深孔施工工藝及技術(shù)日益成熟，而目前對于小口徑巖芯鉆探深孔施工工藝技術(shù)中，仍然以繩索取芯鉆進(jìn)工藝為主導(dǎo)，鉆探設(shè)備、鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)參數(shù)等相關(guān)的施工工藝技術(shù)，多以現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)而形成區(qū)域性的施工工藝技術(shù)，用于指導(dǎo)該區(qū)域的小口徑巖芯鉆探深孔施工工作；本文以我單位施工的安徽馬頭銅鉬礦深孔巖芯鉆探施工為依托，對該區(qū)域小口徑巖芯鉆探深孔施工的施工工藝技術(shù)加以總結(jié)，在指導(dǎo)該區(qū)域小口徑巖芯鉆探深孔施工的同時，同時供鉆探屆同行們探討指正。

2 礦區(qū)地質(zhì)情況

礦區(qū)的主要巖層可概述為：第1層為第四系殘積物，由砂礫層、砂土、粘土和文化腐植土等組成，該層厚度較淺，一般深度為0～2m；第2層為砂巖類，包含粉砂巖、石英砂巖、細(xì)砂巖等，該層厚度也較淺，一般深度為2～25m；第3層為花崗巖類，包含云英巖化花崗巖和鉀長石花崗巖等，該層厚度較厚，孔深達(dá)到1600m時仍未鉆穿，花崗巖層中通常夾30～50m的巖脈；此處著重介紹云英巖化花崗巖和鉀長石花崗巖（局部），該類巖石的特點(diǎn)為石英含量較高、鉆時效率低、鉆進(jìn)難度較大，其巖石可鉆性可達(dá)到9級甚至更高，其分布不均勻，施工難度較大；其余類型花崗巖其石英含量不高，巖石可鉆性相對適中，一般在6～7級之間；同時花崗巖類地層中其裂隙較為發(fā)育，在鉆探施工中經(jīng)常出現(xiàn)少量局部漏失現(xiàn)象，經(jīng)過相應(yīng)處理后可減小漏失或者完全堵漏成功。

3 鉆探設(shè)備、鉆孔結(jié)構(gòu)

3.1 鉆探設(shè)備

使用衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XY-5型立軸回轉(zhuǎn)式深孔鉆機(jī)施工孔深在1000～1500m左右的鉆孔，由于是深孔施工則建議配備獨(dú)立的鉆塔是較好的選擇，通常使用張家口中地裝備探礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SGX17型鉆塔，而泥漿泵則使用衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BW-250型泥漿泵，該泥漿泵具有流量可調(diào)范圍大、易損件易更換、維修的特點(diǎn)；繩索取芯鉆桿及鉆具采用武漢金地“Q”系列標(biāo)準(zhǔn)鉆桿及鉆具。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)該地區(qū)的地層特點(diǎn)，由于大部分巖石屬于研磨性弱、硬度偏硬、比較完整的地層，故鉆孔結(jié)構(gòu)可采用“三級套管、四級成孔”的原則，即用?130mm合金開孔施工,下入?127mm套管；改用PQ口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)施工，下入HW套管；換用HQ口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)施工，下入NW套管；改用NQ口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)施工直至終孔，預(yù)留BQ口徑做為備用口徑。

4 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

4.1 鉆進(jìn)參數(shù)

4.1.1 鉆壓

對于該地區(qū)的巖石具有研磨性弱、硬度偏硬、比較完整的特點(diǎn)，在鉆孔施工過程中其孔壁完整性較好，而通過典型鉆孔施工的實(shí)際資料可以得出鉆桿自重、泵壓、孔底壓力及鉆機(jī)給進(jìn)壓力之間存在的量化關(guān)系（詳見圖1），從而可以利用方程式初步表達(dá)如下：

式中：P——孔底壓力；

G——鉆桿自重；

Pa——泥漿泵泵壓；

π——圓周率；

D——鉆桿直徑；

N——鉆機(jī)給進(jìn)壓力（一般情況下，在深孔鉆進(jìn)時為減壓操作）。

圖1 泵壓、孔底壓力及鉆桿柱壓力關(guān)系圖

該圖顯示的為鉆桿柱壓力、泵壓、孔底壓力之間的壓力關(guān)系圖；當(dāng)然鉆進(jìn)壓力自身也會受到轉(zhuǎn)速、孔底壓力、鉆孔垂直度等因素的影響，因此該公式只能大致地反映出四者之間的量化關(guān)系，在現(xiàn)場使用時其具體的參數(shù)控制應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工條件做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，靈活運(yùn)用，且不可生搬硬套。

4.1.2 泵量

泥漿泵泵量的主要作用是保證孔底巖粉及時排除和回轉(zhuǎn)鉆頭得到充分冷卻2大功能，一般情況下，排除孔底巖粉所需要的泵量完全能夠滿足冷卻回轉(zhuǎn)鉆頭的要求，因此對于地層中巖石完整的鉆孔而言，泥漿泵泵量主要作用是滿足孔底巖粉及時排除的需求，在此前提條件下該區(qū)域的鉆孔在施工過程中泥漿泵泵量的選擇可考慮適當(dāng)偏小，在使用衡陽中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司生產(chǎn)的BW-250型泥漿泵時，在鉆進(jìn)至900m左右時，利用缸徑60的1擋泵量進(jìn)行孔底巖粉排除，當(dāng)出現(xiàn)無法完全排出孔底巖粉時，換用缸徑60的2擋泵量時，往往出現(xiàn)泵壓偏高且不穩(wěn)定（泵壓在4.5～5.5MPa之間）的現(xiàn)象，而通過更換80缸套后，泵壓開始逐漸穩(wěn)定并正常排出孔底巖粉，因此對于小口徑金剛石繩索取芯深孔鉆探而言，在沖洗液的功能主要是滿足冷卻鉆頭和排粉的需求時，一般可選用80缸套的1擋即可達(dá)到效果。

4.1.3 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素，在大多數(shù)中硬—堅(jiān)硬巖石的地層里進(jìn)尺速度隨著金剛石鉆頭的回轉(zhuǎn)速度的增大而增大；而金剛石的消耗量并未出現(xiàn)明顯的增加跡象，一般情況下在使用NQ口徑進(jìn)行鉆進(jìn)前，為保證鉆孔的垂直度可采用高轉(zhuǎn)速低鉆壓進(jìn)行施工，當(dāng)改換NQ口徑進(jìn)行施工時可以適當(dāng)選用高轉(zhuǎn)速（800r/min左右）高鉆壓以提高鉆進(jìn)效率，當(dāng)孔深達(dá)到900m之后，其轉(zhuǎn)速亦應(yīng)適當(dāng)降低（一般建議控制在450r/min左右），其主要是考慮到孔壁穩(wěn)定性和鉆桿、鉆具的承受能力。因此轉(zhuǎn)速在選擇時應(yīng)綜合考慮如下方面：

①孔深較深時，鉆桿柱在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)，鉆桿柱呈現(xiàn)S型分布，存在其共振周期，該周期隨著孔深和鉆孔垂直度而變化，而無法尋找其變化無規(guī)律，則需要操作人員在選擇轉(zhuǎn)速時，不斷摸索調(diào)整轉(zhuǎn)速，避免出現(xiàn)共振的現(xiàn)象。

②鉆機(jī)給進(jìn)力，立軸回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)在轉(zhuǎn)速的選擇時其選擇性較少，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速級差較大時往往只能選擇相對較低擋擋位，故一般應(yīng)控制在300～800r/min之間；

③孔壁完整性，孔壁是否完整在很大程度影響著轉(zhuǎn)速的選擇，當(dāng)鉆孔施工中出現(xiàn)擴(kuò)徑現(xiàn)象時，一般轉(zhuǎn)速控制可控制在200r/min以內(nèi)，否則將有可能頻繁出現(xiàn)鉆桿折斷等井內(nèi)事故；該地區(qū)代表性鉆孔轉(zhuǎn)速隨深度變化的分布統(tǒng)計(jì)情況詳見圖2。

圖2 典型鉆孔鉆速隨深度變化圖

圖2 可以明顯地反映出機(jī)械式變速器的不足及轉(zhuǎn)速跳躍性變化，這對于建立孔內(nèi)動平衡極為不利。

4.2 沖洗液

由于該區(qū)域的地層完整，則沖洗液配置應(yīng)隨著地層的變化而逐步調(diào)整，當(dāng)施工第四系覆蓋層時，可采用鈉基膨潤土加純堿的沖洗液體系，其膨潤土加量可考慮為10%～15%之間，純堿適量，視pH值確定加入1‰～5‰之間，使沖洗液體系的pH值維持在7～9之間；在進(jìn)入完整巖石后使用無固相沖洗液體系，替換后沖洗液主要功能是潤滑和排粉作用，排粉功能主要采用的聚丙稀酰胺，潤滑作用則主要使用皂化油，其沖洗液體系的主要配置為：聚丙稀酰胺加量為0.5‰～1‰之間，如鉆進(jìn)速度較快時可適當(dāng)增加聚丙烯酰胺的添加量，以滿足排除大量巖粉的作用；皂化油視孔內(nèi)阻力情況調(diào)節(jié)加量，一般維持在5‰～10‰之間即可。

在此需要特別說明的是替換沖洗液時的替漿工作一定要徹底，避免由于換漿不徹底而造成否繩索取芯鉆具內(nèi)管投放不到位，鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮較厚等事故。

4.3 鉆頭

金剛石鉆頭的好壞主要是取決于其在施工過程中的壽命長短，而影響金剛石鉆頭的壽命的主要因素則是鉆頭中金剛石的磨損和胎體的磨損，對于金剛石來說，其硬度大耐磨性就強(qiáng)，而金剛石本身的損耗則是以碎裂和碳化為主要方式，當(dāng)鉆機(jī)施工鉆速較高時，會使鉆桿及鉆具出現(xiàn)一定程度的振動，此時金剛石鉆頭同樣以較高轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)刻取巖石，則金剛石鉆頭中胎體及金剛石的磨損將加劇，有時甚至出現(xiàn)非正常損壞，這將嚴(yán)重影響金剛石鉆頭的壽命；因此機(jī)械轉(zhuǎn)速與金剛石鉆頭胎體硬度、金剛石品質(zhì)及金剛石制作工藝之間存在一個最佳值的關(guān)系。

通過對該地區(qū)典型鉆孔的鉆頭使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時根據(jù)地層變化和鉆頭消耗情況，主要選擇其胎體硬度多為HRC15～20和HRC30～35兩個類型，鉆頭的外形也主要選擇尖齒型、半圓性，少量使用平面型；施工深度在300～500m之間時，應(yīng)選用不同的廠家鉆頭，確定最優(yōu)機(jī)械轉(zhuǎn)速和相應(yīng)的金剛石鉆頭進(jìn)行匹配，以提高施工效率，施工深度在500～900m之間時，可選用HRC30～35的鉆頭，而在900m之后可選用加強(qiáng)型鉆頭，單一鉆頭的理論施工深度達(dá)450m，在實(shí)際施工中單一鉆頭的平均鉆進(jìn)150～200m之間。

4.4 鉆桿、鉆具

在該地區(qū)施工中主要以“Q”系列鉆桿、鉆具作為深孔施工的主要施工材料，該類鉆桿、鉆具與以往“S”系列鉆桿、鉆具具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①鉆具總成結(jié)構(gòu)簡單、配件少；

②鉆具總成設(shè)計(jì)簡單、易損配件易更換；

③彈卡鉗上彈卡銷代替張簧，提高打撈成功率；

④管材機(jī)械性能好，減少了事故發(fā)生率；

⑤懸掛環(huán)、座環(huán)經(jīng)過特殊處理，耐磨性好；

⑥鉆具總成總長度短，減少了彎曲變形的可能；

⑦鉆桿級配關(guān)系好，孔壁間隙得到充分利用。

5 堅(jiān)硬巖石鉆進(jìn)技術(shù)

安徽池州地區(qū)地層中巖石局部包含云英巖化花崗巖、鉀長石花崗巖等，該巖石石英含量較高、鉆進(jìn)效率較差，我們通過更換鉆頭生產(chǎn)廠家及胎體硬度來調(diào)整鉆進(jìn)效率，其結(jié)果往往不理想；有時甚至出現(xiàn)鉆頭打滑不進(jìn)尺的現(xiàn)象，為此現(xiàn)場采用了以下方法解決堅(jiān)硬巖石的鉆進(jìn)效率問題：

①硫酸燒或者打磨胎體，這種方法是通過酸燒或打磨的金剛石鉆頭，雖然胎體中金剛石已經(jīng)出刃，但經(jīng)過一段時間，金剛石磨損后仍然出現(xiàn)打滑不出刃的現(xiàn)象，隨著鉆進(jìn)深度的增加，必然出現(xiàn)經(jīng)常上下鉆桿來重新酸燒或打磨來迫使金剛石出刃，該種方法由于上下鉆次數(shù)較多，故不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，不提倡使用。

②投入孔內(nèi)磨料，這種方法是將硬質(zhì)巖石制成8～12mm左右的小塊，在繩索取芯鉆具內(nèi)管未投放的前提下，通過繩索取芯鉆桿鉆具投放到鉆孔底部的鉆頭端部，利用速度為100～200r/min轉(zhuǎn)速，壓力為300～500kg的鉆壓，對孔底鉆頭干磨15min左右，然后投放繩索取芯鉆具內(nèi)管進(jìn)行正常施工，該種方法硬質(zhì)巖石磨料對金剛石鉆頭胎體的磨損，迫使金剛石鉆頭中金剛石出刃，且不用頻發(fā)上下鉆，在不少的小口徑巖芯鉆探施工過程中得以使用，建議推廣使用。

6 結(jié)論與建議

通過對安徽馬頭銅鉬礦巖芯鉆探深孔的施工技術(shù)的總結(jié)，我們可以得到以下結(jié)論，并提出一些建議供同行們共同探討：

①在小口徑巖芯鉆機(jī)的選型上，選用鉆進(jìn)參數(shù)相對較多的機(jī)型，有利于在施工中使用不同的鉆進(jìn)參數(shù)。

②在泥漿泵的選型上，以滿足沖洗液冷卻鉆頭和排粉的功能的基本功能，在施工完整地層時，可盡量采取小泵量，以免影響鉆進(jìn)施工效率及破壞孔內(nèi)壓力平衡。

③鉆進(jìn)參數(shù)的選擇上，充分考慮各個參數(shù)間的相互關(guān)系，同時對于鉆壓參數(shù)公式，應(yīng)結(jié)合巖石的特征靈活運(yùn)用。

④在鉆頭的選擇上，鉆進(jìn)進(jìn)尺效率是鉆頭選用的重要參數(shù)，在施工中應(yīng)選用多個廠家產(chǎn)品進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)鉆頭使用最優(yōu)化。

⑤在鉆桿、鉆具選擇上，應(yīng)以“Q”系列為基準(zhǔn)，可以有效提高使用效率，減少孔內(nèi)施工的發(fā)生率。

⑥在堅(jiān)硬巖石時，除利用上述的解決金剛石鉆頭中金剛石出刃的問題外，也可以試用“繩索取芯液動潛孔錘鉆探工藝技術(shù)”，以解決施工效率不高等問題。

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1004-5716(2015)08-0051-03

2014-08-23

杭程（1965-），男（漢族），江蘇南京人，高級工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探、煤層氣及石油鉆井等技術(shù)及施工管理工作。