破碎地層鉆探中孔底局部反循環(huán)鉆具的設(shè)計與應(yīng)用

李茂軍，張家軍

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

破碎地層鉆探中孔底局部反循環(huán)鉆具的設(shè)計與應(yīng)用

李茂軍*，張家軍

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

小口徑金剛石鉆頭在破碎地層中鉆進時，經(jīng)常遇到提下鉆頻繁、回次進尺短、鉆頭壽命低及取芯困難等問題，直接影響著鉆進效率、鉆孔質(zhì)量和鉆探成本。怎樣解決在破碎地層中的取芯問題，是小口徑金剛石鉆探急需解決的技術(shù)關(guān)鍵之一。在河南省靈寶市南山礦區(qū)崟鑫金礦普查的地質(zhì)鉆探施工過程中，遇到了上述情況，通過將鉆具的結(jié)構(gòu)改成分壓式孔底局部反循環(huán)，使這一問題得到有效解決。

金剛石鉆進；破碎地層；分壓式孔底局部反循環(huán)；單動雙管鉆具

1　工程概況

1.1自然地理概況

南山礦區(qū)崟鑫金礦位于河南省靈寶市朱陽鎮(zhèn)，東起楊寨峪，西至藏珠峪，礦區(qū)面積為58.14m2，礦區(qū)距靈寶市65km，有柏油公路相通。

礦區(qū)位于小秦嶺分水嶺南側(cè)，地勢北高南低。小秦嶺最高峰老鴉岔腦，海拔2413.8m，為河南省最高峰，位于礦區(qū)西北部。礦區(qū)范圍內(nèi)最高海拔2300m，最低800m，相對高差達1500m，屬切割強烈的中山區(qū)。

1.2簡要地質(zhì)特征

從上至下地層的巖性依次為：變質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、石英巖（中部夾大理巖）、花崗片麻巖、黑云母斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、斜長角閃巖等。

區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造較發(fā)育，尤以斷裂構(gòu)造最為發(fā)育。

1.3含礦層

（1）含金石英脈：主要賦存在主成礦構(gòu)造派生的近南：北向壓扭性斷裂中，多在地表下l00～200m范圍內(nèi)。脈石礦物主要是石英，次為長石，絹云母及圍巖捕擄塊；（2）含金破碎硅鉀蝕變巖：主要賦存在地表下200m以下，致密塊狀、條帶狀、斑雜狀，主要礦物為石英、正長石、方解石、綠泥石、絹云母。

1.4水文情況

該礦區(qū)的水文情況分為2類：（1）第四系孔隙潛水：巖性為亞粘土、中粗砂、少量卵石，層厚10～50m，水位埋深約20m，單井出水量300～500t/d。（2）基巖裂隙水：賦存于基巖裂隙中，深度200～600m不等，水量變化大，流量0.1～2.6L/s。

1.5鉆孔及鉆探工作量

2013年布設(shè)鉆孔4個，直孔，孔深分別為1575m、1515m、410m和330m，2014年度布設(shè)3個鉆孔，直孔，孔深分別為1360m、570m和370m。鉆探工作量合計6130m。

2　鉆孔質(zhì)量技術(shù)要求

鉆探工程必須按照鉆探施工通知書要求進行施工，現(xiàn)場進行定點，開孔位置應(yīng)于設(shè)計位置相符，偏差不得超過5m，鉆探方位與設(shè)計方位一致。鉆孔回次記錄、巖礦芯的采取與順序擺放工作，鉆進過程中要詳細做好臺賬記錄，回次循環(huán)時間，巖芯采取長度，巖芯采取率不低于80%，礦芯采取率不低于85%。巖芯取出后，要規(guī)范進行編號、放置，并標記巖芯段號、深度，并按順序排放，必須確定鉆孔截穿礦脈礦體底板，終孔前必須經(jīng)地質(zhì)人員確認達到設(shè)計要求方可終孔。

終孔孔徑不小于?75mm。

3　施工概況

3.1施工機械設(shè)備的選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計及甲方要求，2013年我方進場3臺鉆機，分別為HXY-6B型2臺、XY-42型1臺，泥漿泵分別為BW250型2臺和BW150型1臺，鉆塔分別為23.5m四角塔2套和18.5m管子塔1臺，?73mm繩索取芯鉆具配備?76mm繩索取芯金剛石鉆頭。

2014年我方使用2臺鉆機進行施工，型號分別為HXY-6B、XY-42，泥漿泵分別為BW250型和BW150型，鉆塔分別為23.5m四角塔和18.5m管子塔。

3.2鉆孔結(jié)構(gòu)

上部10～50m第四系地層用中130mm合金鉆頭施工，至完整基巖后，下入?127mm和中108mm雙層套管，?76mm繩索取芯鉆具施工至終孔。

3.3施工概況

在2013年的前期鉆探工程施工中，由于區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造較發(fā)育，破碎帶分布較多，地層復雜，巖芯破碎，因此屢次出現(xiàn)巖芯堵塞現(xiàn)象，致使提下鉆頻繁，回次進尺短，鉆頭損毀嚴重，采取巖芯困難，嚴重影響了施工效率和鉆孔質(zhì)量。

為了解決這一問題，我們以防止巖芯堵塞為突破口，在對鉆進工藝問題和巖性特點進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外有關(guān)資料，經(jīng)過反復研究、計算、改進，完成了“分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具”的設(shè)計，并在該礦區(qū)施工應(yīng)用成功。此套鉆具適用于回次短，取芯困難的破碎地層鉆進，結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，使用方便。

4　分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具的工作原理及設(shè)計指導依據(jù)

4.1工作原理

分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具簡稱分反鉆具，它具有普通單動雙管和孔底局部反循環(huán)的功用，其結(jié)構(gòu)與普雙鉆具類似，但單動雙管接頭、卡簧座系統(tǒng)和鉆頭的水路結(jié)構(gòu)自有特點。其水流分布如下：鉆進時，沖洗液經(jīng)分水接頭的3個送水孔，進入內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙，流至孔底，由于內(nèi)外管上返水路的過水斷面積從結(jié)構(gòu)參數(shù)上有比例限制，因而沖洗液在上返時的阻力就有差別，迫使它在卡簧座底端產(chǎn)生分流。即分成內(nèi)外2路上返：①過卡簧底座切口進入內(nèi)管，經(jīng)活動內(nèi)管接頭中心孔、分水接頭的3個返水孔與外返液流匯合，同時上返沖洗液通過內(nèi)管時可攜帶一部分巖屑，能浮動小塊巖芯，延緩或防止堵芯，并能保護巖芯（減少自磨）；②過鉆頭水口，經(jīng)鉆具與孔璧之間的環(huán)狀間隙上返，起到清除巖粉和冷卻鉆頭的作用。

分反鉆具的基本特點是：

（1）孔底正反循環(huán)液流壓力相等，同步上返；

（2）內(nèi)返液流量大于外返液流量；

（3）鉆進過程產(chǎn)生的巖屑大部份隨沖洗液從內(nèi)管上返，粗顆粒巖屑（從返水孔不能排出的）則浮集于內(nèi)管的上部空間；

（4）巖芯管內(nèi)碎塊巖芯或較短的柱狀巖芯可被沖洗液浮起；

（5）基于返水孔與鉆桿外環(huán)空間貫通，鉆具不存在“活塞效應(yīng)”，升降鉆具時的抽吸和激動壓力均可減輕。

4.2設(shè)計指導依據(jù)

影響小口徑金剛石鉆進效率和回次長度的關(guān)鍵因素是巖芯堵塞，而巖芯堵塞又主要是因為巖芯破碎，粗粒巖芯在重力作用下沉落內(nèi)管下端（多發(fā)生在卡簧座與短節(jié)處），使巖芯進入內(nèi)管受阻，中斷回次進程。因此，要解決破碎地層的取芯問題，關(guān)鍵在于有效預防堵心。目前，國內(nèi)公認的比較簡單可行的方法之一是利用沖洗液的反向循環(huán)，對巖芯產(chǎn)生舉力，使破碎巖芯處于浮動狀態(tài)，從而防止或延緩巖芯堵塞，同時也能夠提高巖礦芯采取率，有效地保護巖芯。

根據(jù)上述情況分析，并參考大量國內(nèi)外有關(guān)資料，我們認為，按現(xiàn)有水泵的性能，在保證沖洗液冷卻鉆頭，清除巖粉的前提下，應(yīng)盡量加大內(nèi)管返水量，使其上舉力能滿足浮動破碎和短柱狀巖芯的需要。一般情況下，金剛石鉆進送水量為30L/min時，即可達到攜帶巖屑，冷卻鉆頭的功用，而內(nèi)返流量在50L/min時，即可達到懸浮短柱狀巖芯的目的，所以，最后決定把內(nèi)返流量控制在55～65L/min之間。

根據(jù)流體動力學原理可知，局部反循環(huán)鉆具內(nèi)，外返水的匯合點和分流點的壓力是相等的。在兩點之間，內(nèi)外返水量的大小取決于內(nèi)返水阻力和外返水阻力的大小，而返水阻力的大小又取決于過水斷面的大小，故只需設(shè)計合理的內(nèi)、外返水路的斷面積，以保證外返水阻力：內(nèi)返水阻力=（2～3）∶1，因此，我們從設(shè)計能形成孔底局部反循環(huán)的雙管接頭和修改鉆具的卡簧座系統(tǒng)以及調(diào)整鉆頭的內(nèi)外徑規(guī)格和過水斷面入手。

5　分反鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.1分反接頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如表1所示）

分反接頭外徑為?58mm，可安裝?60mm鉆具，此分水接頭，是在普雙的異徑接頭基礎(chǔ)上，稍加改動而成的。

（1）在接頭體內(nèi)均布6個?8mm水孔，其中3個進水孔，3個返水孔，相互交叉，沖洗液通過3個送水孔進入內(nèi)外管間隙，而內(nèi)返上來的沖洗液則通過3個返水孔排至孔壁間隙中，與外返液匯合。

（2）為了減少返水通道的局部壓力損失，3個返水孔均與軸線成20°交角的斜孔，且在出口處加工成與返水孔角度相同的圓錐，一是為打孔方便，二是作外返沖洗液的導向槽，減少壓力損失，減少沖洗液對孔壁的沖刷破壞。

（3）考慮到接頭的強度，先在接頭體中打一?15mm× 55mm的圓孔，然后再加工成長45mm的M27×2螺紋，以連接空心吊軸。此種分水接頭一體化，結(jié)構(gòu)簡單，加工使用方便。

5.2活動的內(nèi)管接頭

（1）空心吊軸的通孔直徑為?16mm，使之過水順暢，上端的絲扣長度為65mm，以保證空心吊軸軸向伸縮的微調(diào)量。

（2）為保證內(nèi)外管之間有較好的同心度，把軸承放在軸套的兩邊，利用沖洗液的流向，簡化了軸承的密封裝置。

（3）側(cè)通螺帽有4個?18mm的排水孔，是為了防止巖芯浮至鉆具頂端后封閉吊軸通孔，使內(nèi)返水路堵塞而降低或失去反循環(huán)的作用。

表1　分水雙管接頭水孔的主要參數(shù)

5.3卡簧座系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在卡簧座系統(tǒng)的設(shè)計上，我們采取了2套方案：

（1）組合式卡簧座系統(tǒng)：由底座、套管、卡簧、擋簧管組成，起卡斷巖芯和沖洗液分流作用。

①主要零件的設(shè)計根據(jù)及尺寸參數(shù)的確定：

a.底座：用于排水和承座收緊卡簧，下端最大外徑為?51mm，以保證內(nèi)管對中和限制沖洗液外返，上端開有6條透槽，與套管插接后保持有4個矩形水口，與6條透槽相連有6條水槽，一直通到底座下部的6個半圓形水口，使另一部份水通過底座而到達鉆頭的工作面，用于外返；

b.套管：用于接連底座與擋簧管，壁厚lmm，以保持套管內(nèi)外有足夠的間隙；

c.卡簧：設(shè)為光皮式，即卡簧體上無過水附切口或排水槽，這可以隔離沖洗液對巖芯的直接沖刷。為保持卡簧有較好的彈性，上端簧體壁厚1.5mm，卡簧高度為15mm；

d.擋簧管：為防止卡簧改短后易擠進短節(jié)而設(shè)置的，上端與短節(jié)插接，下端與套管插接，并保持通水順暢，端面應(yīng)淬火使之耐磨；

e.把卡簧座系統(tǒng)改為組裝式，是為了底座加工簡化和對卡簧的限位可靠，同時，也可有效地防止巖芯在此阻塞。

②卡簧座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：接一定的斷面積來控制其阻力（表2）。

表2　卡簧座系數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

（2）卡簧加深水槽式：此種卡簧座系統(tǒng)與普雙卡簧座系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一致，但為了加大內(nèi)返水量，將卡簧的內(nèi)水槽加深。

①卡簧座：尺寸形狀與?60mm普雙卡簧座大致相同；

②卡簧：外徑根據(jù)?60mm普雙卡簧設(shè)計，內(nèi)徑根據(jù)?60mm繩鉆卡簧設(shè)計，因而，可將水槽加深至3mm（由于鉆頭加厚，巖芯直徑為?35mm）；

③結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3　卡簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.4鉆頭結(jié)構(gòu)及其水路參數(shù)的確定

除分反鉆具的雙管接頭和卡簧座系統(tǒng)對內(nèi)返水量有影響外，鉆頭的結(jié)構(gòu)及其水路參數(shù)對內(nèi)返水量也有影響。

（1）鉆頭內(nèi)徑的確定。在鉆具內(nèi)管規(guī)格（?47.5mm× 2mm）不變的情況下，鉆頭內(nèi)徑的大小決定了巖芯的粗細。巖芯與內(nèi)管的間隙也隨之變化，從而影響到卡簧座系統(tǒng)與內(nèi)管過水斷面積和返水量的大小，?60mm普雙鉆頭的內(nèi)徑為?41.5mm，為了增大巖芯與內(nèi)管的間隙，增加內(nèi)返水量，我們設(shè)計了內(nèi)徑為?35mm的厚壁鉆頭，為方便加工，厚壁鉆頭胎體部分與繩索取芯鉆頭相同，鋼體部分與普雙鉆頭相同。

（2）鉆頭水路尺寸的確定。鉆頭水路的分布對沖洗液的分流起著控制作用，其中以鉆頭內(nèi)外排水糟斷面積對分流的影響尤為敏感，為滿足管內(nèi)流量大于管

外，故此鉆頭排水槽斷面積S內(nèi)大于S外。所以，在加工鉆頭時，加深了內(nèi)排水糟，改淺了外排水糟，以增加內(nèi)管上返水量。

（3）水路參數(shù)的確定如表4、表5所示。

表4　水路參數(shù)表

表5　分反鉆頭與普雙鉆頭的巖芯與內(nèi)管的環(huán)狀間隙值對比

6　分反鉆具最終結(jié)構(gòu)的確定

以上各種技術(shù)參數(shù)確定后，通過多次試驗并不斷改進，分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具的結(jié)構(gòu)最后確定，其裝配包括：變絲接頭、分水接頭、活動內(nèi)管接頭、內(nèi)管、外管、擴孔器、短節(jié)、卡簧座及鉆頭。

7　應(yīng)用效果

分反鉆具研制、改進后，經(jīng)在工區(qū)ZK0802、ZK1807鉆孔試用，有效解決了巖芯堵塞的技術(shù)難題，使鉆進的平均回次長度由以前的0.85m提高到1.53m，巖、礦芯的采取率由以前的56%提高到73%，金剛石鉆頭的壽命由以期的平均23.6m提高到平均42.8m，最高的一個鉆頭使用壽命為82.7m，鉆進效率大大提高，鉆孔質(zhì)量得到改善，施工成本大大降低，達到了預期的效果。

［1］彭步濤.繩索取心鉆進技術(shù)在復雜地層中的應(yīng)用［J］.中國煤田地質(zhì)，2007（S1）.

［2］李世忠.鉆探工藝學（上、下）［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992.

［3］王世堯.鉆探工程學（上、下）［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986.

P634.4

A

1004-5716（2016）02-0069-04

2015-11-16

2015-12-03

李茂軍（1977-），男（漢族），河南潢川人，工程師，現(xiàn)從事施工技術(shù)與管理工作。