復(fù)雜地形一地盤多孔大角度斜孔鉆探技術(shù)研究

趙 磊，喻廣建

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復(fù)雜地形一地盤多孔大角度斜孔鉆探技術(shù)研究

趙 磊1，喻廣建2

(1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016；2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471002)

針對(duì)地質(zhì)勘查鉆探施工項(xiàng)目地層地質(zhì)特點(diǎn)及鉆孔質(zhì)量要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)外新技術(shù)、新方法及礦區(qū)施工情況，選擇配套先進(jìn)設(shè)備，應(yīng)用初級(jí)定向技術(shù)在地形陡峭礦區(qū)進(jìn)行一地盤多孔大角度斜孔鉆探技術(shù)研究，使鉆探在地形復(fù)雜地區(qū)施工技術(shù)得以突破，實(shí)現(xiàn)了效率大幅度提高，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益顯著增長(zhǎng)。該項(xiàng)目研究成果對(duì)地形陡峭復(fù)雜地區(qū)鉆探，提供了新技術(shù)、新方法、新思路，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

復(fù)雜地形；一地盤多孔；大角度斜孔；鉆探

豫西熊耳山、外方山、崤山地區(qū)是金銀鉛鋅礦產(chǎn)的聚集區(qū)，該區(qū)地質(zhì)勘查工作已經(jīng)列入國(guó)家級(jí)重點(diǎn)勘查突破區(qū)，資源潛力巨大。該區(qū)成礦條件十分優(yōu)越，但是對(duì)于勘查手段之一的鉆探工作而言，則困難重重。該區(qū)地形陡峭、切割劇烈，山高林密，按常規(guī)的一個(gè)地盤一個(gè)鉆孔的施工方法，修路、修地盤工作量巨大，使勘查周期延長(zhǎng)、鉆探成本提高。結(jié)合豫西地區(qū)礦脈產(chǎn)狀較陡，地形復(fù)雜的實(shí)際情況，提出在一個(gè)地盤上施工不同頂角、不同方位的叢式鉆孔，在達(dá)到勘查目的的同時(shí)，可以降低鉆探成本，加快勘查進(jìn)度，保護(hù)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境，使一些不易施工的鉆孔也能通過(guò)變更設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊施工達(dá)到地質(zhì)目的。下面就本次復(fù)雜地形一地盤多孔大角度斜孔鉆探施工談幾點(diǎn)體會(huì)。

1 鉆探設(shè)備選型

1.1 鉆機(jī)

一地盤多孔大角度斜孔鉆探項(xiàng)目以河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì)正在施工的嵩縣下蒿坪金鉛鋅礦勘查區(qū)、洛寧縣鐵爐坪銀鉛鋅勘查區(qū)為試驗(yàn)基地，研究周期內(nèi)在相同地盤施工開(kāi)孔頂角大于45°、鉆孔深度200～600 m的鉆孔。要在現(xiàn)有的XY系列鉆機(jī)和鉆塔中，選擇出鉆進(jìn)能力達(dá)到1 000 m，開(kāi)孔頂角大于60°的回轉(zhuǎn)式立軸鉆機(jī)。結(jié)合我局河南有色巖土工程公司為解決山區(qū)陡峭地形鉆塔重、占用地盤面積大、搬遷困難等問(wèn)題，在XY-44型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，于2009年研制并取得了國(guó)家專利與之配套的"直斜兩用輕便鉆塔"。直斜兩用輕便鉆塔與XY-44型的有效組合形成了HXY-44T型塔機(jī)一體化新型鉆機(jī)(見(jiàn)圖1)，能滿足本次鉆探設(shè)計(jì)要求。

1.2 泥漿泵

BW—250泥漿泵經(jīng)過(guò)我們多年使用，比較適合地質(zhì)鉆探使用，選用BW-250泥漿泵具有多級(jí)變速性能，輕便、額定壓力高。該泵能滿足液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)和金剛石繩索取心鉆進(jìn)兩種工藝對(duì)設(shè)備的需要。該泵經(jīng)久耐用，修復(fù)應(yīng)用方便，泵量及泵壓能滿足本工地需要，本項(xiàng)目選擇衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠產(chǎn)的 BW-250型泥漿泵。

1.3 液動(dòng)潛孔錘

本次試驗(yàn)選用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所推薦并提供的 SYZX系列繩索取心液動(dòng)潛孔錘SYZX-75型、SYZX-96型。SYZX系列繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，重量輕，鉆進(jìn)時(shí)效高，壽命長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 正在施工的鉆機(jī)

圖2 SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘鉆具圖

1.4 鉆桿

一地盤多孔大角度斜孔小口徑鉆探對(duì)鉆桿強(qiáng)度要求高，否則易發(fā)生斷鉆桿事故。所以本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆桿使用唐山金石超硬材料有限公司生產(chǎn)的Φ71高強(qiáng)度重索鉆桿，鉆桿的材質(zhì)是30CrMnSiA。

2 技術(shù)保證措施

2.1 有效的防斜糾斜措施

為防止鉆孔偏斜，本項(xiàng)目使用剛性好的鉆具進(jìn)行滿眼鉆進(jìn)，盡量減小鉆孔孔壁與鉆具之間的間隙，提高底部鉆具的抗彎曲能力，力求消除鉆具彎曲引起的鉆頭傾角和鉆頭傾角引起的橫向偏斜力，提高防斜糾偏的效果。施工每一個(gè)孔開(kāi)孔就下雙層套管，如果下部需要下套管，就把里層套管拔出擴(kuò)孔再下套管。為更有效的防斜、糾斜采用LZ型連續(xù)造斜器控制頂角、方位角進(jìn)行定向鉆進(jìn)。使用連續(xù)造斜器進(jìn)行導(dǎo)斜或糾斜鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，基本操作要點(diǎn)如下：

(1)造斜器下到孔內(nèi)距孔底0.5～1.0 m時(shí)，在孔口用墊叉卡進(jìn)行定向。

(2)下鉆過(guò)程中遇到阻力時(shí)，應(yīng)上下串動(dòng)鉆具，但絕不能像常規(guī)鉆具那樣開(kāi)車掃孔，實(shí)在下不去時(shí)，應(yīng)把造斜器提出地表，將鉆孔掃通后再下。

(3)造斜器定向結(jié)束，再開(kāi)泵通水。等沖洗液返出孔口后，把造斜器緩慢下到孔底，孔底不能有過(guò)多的巖粉或殘留巖心。

(4)先加壓后開(kāi)車。按規(guī)程加夠鉆壓后，用低速緩慢開(kāi)車，不可猛合離合器，等造斜鉆進(jìn)無(wú)異常情況，可把轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高。若是斜孔，鉆具應(yīng)先稱重。

(5)造斜進(jìn)尺長(zhǎng)度以1.2～2.0 m為宜，如果進(jìn)尺太多，鉆孔形成的“狗腿”彎度太大，不利于下一步安全鉆進(jìn)。

(6)回次造斜完畢，用長(zhǎng)約1.0 m的短鉆具鉆進(jìn)2～3次，然后鉆具逐漸加長(zhǎng)并及時(shí)測(cè)斜，根據(jù)測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算鉆孔空間位置。

(7)根據(jù)不同地層選用與造斜器配套使用的是全面鉆進(jìn)不取心鉆頭，堅(jiān)硬打滑地層選用電鍍金剛石鉆頭，中硬偏軟地層用聚晶金剛石復(fù)合片PDC鉆頭。

(8)造斜鉆進(jìn)過(guò)程中，若出現(xiàn)異常情況，不允許將導(dǎo)斜鉆具提離孔底，應(yīng)先關(guān)車，分析原因，然后重新加壓鉆進(jìn)。

(9)造斜孔段孔徑，巖層應(yīng)完整，孔徑不易過(guò)大。

2.2 使用金剛石繩索取心液動(dòng)潛孔錘“二合一”鉆具提高鉆探效率

嵩縣下蒿坪研究區(qū)，巖層主要是流紋巖,其次是安山巖、流紋質(zhì)火山集塊巖、英安質(zhì)流紋巖。巖石較硬，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始鉆探效率較低，后來(lái)引進(jìn)了SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘，效率大大提高。我們所使用的勘探技術(shù)研究所SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 SYZX系列液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)圖

金剛石繩索取心液動(dòng)潛孔錘“二合一”鉆具是在金剛石鉆探基礎(chǔ)上，將繩索取心鉆具、液動(dòng)潛孔錘有機(jī)結(jié)合為一體，形成一種新的組合鉆探技術(shù)。繩索取心減少了提打鉆次數(shù)，增加了鉆頭在孔底的鉆進(jìn)時(shí)間，液動(dòng)潛孔錘給予鉆頭施以一定能量的高頻振動(dòng)，增加了鉆進(jìn)效率及回次進(jìn)尺長(zhǎng)度，減少了孔內(nèi)事故發(fā)生的幾率，因而有純鉆時(shí)間長(zhǎng)，鉆進(jìn)效率高，孔內(nèi)事故少的優(yōu)點(diǎn)。

繩索取心液動(dòng)錘是靠泥漿泵產(chǎn)生的高壓液流驅(qū)動(dòng)的，工作范圍內(nèi)泵量越大，沖擊頻率、沖擊功越高，在泥漿泵及地層條件允許情況下，泵量越大越好。隨著鉆孔深度增加，鉆孔環(huán)狀空間的壓力降增大，必須提高泵壓而適當(dāng)降低泵量，以保證正常的鉆進(jìn)效率，而隨著孔深增加，鉆進(jìn)所需的沖擊功也會(huì)增加。為使孔內(nèi)液動(dòng)潛孔錘正常工作，必須合理運(yùn)用泵壓和泵量這對(duì)參數(shù) ，鉆進(jìn)實(shí)踐證明，在鉆孔深部孔段施工時(shí)，以高泵壓為主，盡量保持泵壓在較高值，鉆進(jìn)效果較好。

2.3 保證巖礦心采取率的具體措施

(1)根據(jù)鉆進(jìn)巖礦石的物理機(jī)械性質(zhì)，正確選用取心鉆具；正確選擇合適的鉆進(jìn)參數(shù)；使用性能良好的無(wú)固相護(hù)壁沖洗液。本區(qū)選用繩索單動(dòng)雙管金剛石取心鉆具，可保證采取率符合地質(zhì)要求。

(2)經(jīng)常檢查繩索單動(dòng)雙管金剛石取心鉆具的單動(dòng)效果，用后及時(shí)清洗檢查，注潤(rùn)滑脂。

(3)在較為破碎地段鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量縮短回次進(jìn)尺長(zhǎng)度及回次時(shí)間，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速、壓力、及泵量，盡量采用SYZX液動(dòng)沖擊錘鉆進(jìn)。

(4)在礦層、頂?shù)装宓V層及重要標(biāo)志層鉆進(jìn)時(shí)，遇巖、礦心采取率不夠時(shí)，必須專程撈取，鉆進(jìn)撈取時(shí)進(jìn)尺不得超過(guò)0.5 m。

(5)退巖心時(shí)，不得重敲，盡量避免人為破碎及上下次序顛倒。

2.4 合理的鉆進(jìn)系數(shù)

本礦區(qū)除地表覆蓋層采用金剛石復(fù)合片鉆進(jìn)方式外，均采用金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)，取心鉆具采用金剛石繩索取心鉆具，后來(lái)采用金剛石繩索取心+液動(dòng)潛孔錘鉆具鉆進(jìn)。金剛石繩索取心鉆進(jìn)效率不僅關(guān)乎地層因素，更取決于鉆進(jìn)工藝、鉆頭(胎體硬度)選擇與鉆進(jìn)參數(shù)選擇。金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1中數(shù)據(jù)來(lái)源于新的《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/ T0227-2010)。

本礦區(qū)金剛石繩索取心鉆進(jìn)開(kāi)孔采用了P系列，正常鉆進(jìn)采用了H、N系列，鉆頭只選用了孕鑲鉆頭。

金剛石繩索取心鉆進(jìn)參數(shù)簡(jiǎn)單計(jì)算：

鉆壓的確定：

常用的孕鑲鉆頭的鉆壓根據(jù)巖石硬度確定：

P=FPo

式中：F為鉆頭有效工作面積，cm2；Po為鉆頭單位面積上的鉆壓N/cm2(巖石可鉆性Ⅳ～Ⅵ時(shí)400～700 N，Ⅶ～Ⅷ時(shí)700～900 N，Ⅸ以上時(shí)900～1 000 N或更高)。

孕鑲鉆頭實(shí)際鉆壓的確定是在已知鉆頭的底唇面積、水口面積、鉆頭凈承壓面積，算出鉆頭理論鉆壓后，結(jié)合鉆機(jī)稱重表中孔內(nèi)鉆具稱重?cái)?shù)據(jù)而斟酌給定的。

鉆壓是孔底破巖的必要條件。在鉆進(jìn)中，鉆頭受軸向壓力和回轉(zhuǎn)力的作用，金剛石在壓入、剪切巖石的過(guò)程中被磨損、變鈍或損壞，必然影響鉆進(jìn)速度。隨著鉆壓的增加，鉆速會(huì)不斷提高，而鉆頭也會(huì)加速磨損，影響到鉆速。在本礦區(qū)實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)松散破碎地層、軟硬互層及易彎曲、超徑孔段應(yīng)適當(dāng)減壓鉆進(jìn)；經(jīng)初磨的新鉆頭，正常鉆壓即可獲得高鉆速，而隨著金剛石的逐漸磨鈍，鉆速下降，應(yīng)逐漸平穩(wěn)的增大鉆壓。

轉(zhuǎn)速的確定：

n=60v/πD

式中：V為鉆頭線速度，m/s；正常情況下孕鑲鉆頭的圓周速度以1.5～3.5 m/s計(jì)算；D為鉆頭直徑，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

轉(zhuǎn)速的選擇除計(jì)算確定外，還要考慮地層因素，如鉆進(jìn)堅(jiān)硬的弱研磨性地層、破碎地層、軟硬互層或易斜地層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，在蝕變帶軟巖中鉆進(jìn)，應(yīng)限制轉(zhuǎn)速；還需考慮鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆具級(jí)配的合理程度，若鉆桿與孔壁的間隙小，適于開(kāi)高轉(zhuǎn)速，鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換徑多，鉆桿與孔壁間隙大時(shí)，鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性差，不宜開(kāi)高轉(zhuǎn)速。

泵量選擇：

常根據(jù)沖洗液上返速度確定泵量。

Q=kVF

式中：V為沖洗液上返流速，一般為0. 3～1.5 m/s；F為環(huán)狀間隙面積，cm2；k為系數(shù)，一般k=1.0～1.4，k與巖石性質(zhì)有關(guān)。

地層與泵量大小的關(guān)系是：鉆進(jìn)堅(jiān)硬、顆粒細(xì)的巖層，巖粉少，鉆速低，泵量可小一些；鉆進(jìn)軟及中硬的巖層，鉆速高，巖粉多，泵量應(yīng)大些；鉆進(jìn)裂隙、漏失地層，泵量應(yīng)稍大于正常情況。保持沖洗液上返速度在0.5～1.5 m/s。

表1 金剛石繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)表

2.5 潤(rùn)滑減阻、護(hù)壁堵漏

2.5.1 潤(rùn)滑減阻措施

大頂角鉆孔施工中摩擦阻力明顯增大，易造成脫扣、斷鉆桿等事故，孔內(nèi)事故不易處理。減小鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦阻力是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本項(xiàng)目主要通過(guò)使用無(wú)固相潤(rùn)滑沖洗液來(lái)進(jìn)行潤(rùn)滑減阻的。使用的無(wú)固相潤(rùn)滑沖洗液配方如下：

(1)在水中加0.1%～0.2%皂化油；

(2)在水中加0.1%十二烷基苯磺酸鈉,PHP0.02% +高粘CMC 0.1%，粘度18～21s。

在部分漏失孔段也用向鉆桿外壁上涂抹潤(rùn)滑油脂，減小鉆進(jìn)過(guò)程中的摩擦阻力，增加鉆具轉(zhuǎn)速。本項(xiàng)目未使用潤(rùn)滑劑時(shí)孔深一百多米轉(zhuǎn)數(shù)就開(kāi)不起來(lái)了，使用無(wú)固相潤(rùn)滑沖洗液后，孔深470 m，轉(zhuǎn)數(shù)仍能開(kāi)到最高轉(zhuǎn)速。

2.5.2 護(hù)壁堵漏措施

提高鉆探施工可靠性的重要前提是提高鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，鉆孔漏失造成了多種孔內(nèi)復(fù)雜情況，護(hù)壁堵漏工作極為重要。鉆進(jìn)一般復(fù)雜地層可采用優(yōu)質(zhì)泥漿保護(hù)井壁，但遇到嚴(yán)重漏失、坍塌地層或鉆遇較厚斷層等嚴(yán)重影響下部施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先利用上部預(yù)留口徑及時(shí)下入套管，如果位置很深下套管不現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)先堵漏，然后改善泥漿性能，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。

2.6 增效措施

本礦區(qū)幾年來(lái)一直使用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，其提鉆次數(shù)少、臺(tái)月效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)越性得以體現(xiàn)；但本礦區(qū)主要巖層是流紋巖、流紋斑巖、安山巖等硬及堅(jiān)硬巖層，尤其是以流紋巖為多，鉆進(jìn)時(shí)，存在鉆頭底部唇面較厚，刻取巖石的表面積較大，鉆進(jìn)效率相對(duì)較低。

本項(xiàng)目采用金剛石繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，即在金剛石繩索取心回轉(zhuǎn)鉆探的基礎(chǔ)上通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵輸出的沖洗液驅(qū)動(dòng)液動(dòng)潛孔錘(簡(jiǎn)稱液動(dòng)錘或沖擊器)其內(nèi)部的沖錘對(duì)鉆頭施加一定頻率和能量的沖擊功，加速碎巖，也就是鉆頭上帶有沖擊負(fù)荷的金剛石繩索取心回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。使用金剛石鉆頭進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)．金剛石細(xì)粒在鉆壓的作用下，給孔底巖石一預(yù)壓應(yīng)力，在預(yù)壓應(yīng)力的作用下，金剛石細(xì)粒并不吃人巖石，只是使其下區(qū)域的巖石產(chǎn)生彈性變形；在沖擊力的作用下，由于能量的急劇集聚，已經(jīng)產(chǎn)生彈性變形的巖石會(huì)產(chǎn)生體積破碎坑。同時(shí)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以將此坑擴(kuò)大，并將金剛石細(xì)粒換位。當(dāng)下一沖擊波到來(lái)時(shí)，該金剛石細(xì)粒又會(huì)在新的位置破碎巖石。

在鉆孔時(shí)，將液動(dòng)錘安裝在鉆桿或巖心管與鉆頭(取心或全面鉆進(jìn))之間，這時(shí)巖石受到鉆壓的作用，切削刃將巖石表面局部壓碎，同時(shí)使破碎部分處于緊張的預(yù)壓應(yīng)力狀況，當(dāng)受到來(lái)自液動(dòng)錘的周期性的沖擊能量時(shí)就更加容易破碎；隨鉆孔之延深而潛入鉆孔中對(duì)鉆頭施加沖擊負(fù)荷，它是在沖擊和回轉(zhuǎn)的共同作用下碎巖，因此可大幅度提高硬巖鉆進(jìn)時(shí)效，減輕孔斜，降低成本，提高綜合效益。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)選一套適合在復(fù)雜陡峭地形礦區(qū)進(jìn)行一地盤多孔大角度斜孔鉆探的設(shè)備、機(jī)具，根據(jù)礦體產(chǎn)狀和地質(zhì)設(shè)計(jì)，在一個(gè)地盤上施工多個(gè)鉆孔；利用金剛石繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)，大大減少對(duì)地質(zhì)環(huán)境的破壞，并顯著降低生產(chǎn)成本，節(jié)約費(fèi)用占鉆孔總施工費(fèi)用的20～40%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，值得推廣。

[1]河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第六地質(zhì)大隊(duì).陡峭地形一地盤多孔大角度斜孔鉆探技術(shù)研究報(bào)告.2014.

[2]楊甘生.沖擊回轉(zhuǎn)碎巖機(jī)理探討.探礦工程(巖土鉆掘工程).2013，(2).

[3]孫建華，張永勤，等.深孔繩索取心鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及研發(fā)工作思路.地質(zhì)裝備.2011，(6).

[4]杜祥麟，等.潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù).地質(zhì)出版社.1988，10.

[5]周宗奇，熊家勤.SYZX75型繩索取心液動(dòng)錘在破碎地層中的應(yīng)用.中國(guó)煤炭地質(zhì).2011，(1).

[6]王文忠.金剛石繩索取心鉆探工藝鉆探深孔實(shí)際應(yīng)用總結(jié).有色礦業(yè).2006，(12).

[7]傅從群，彭金灶.SYZX75型繩索取心液動(dòng)錘在福建武平銀多金屬礦的應(yīng)用.探礦工程(巖土鉆掘工程)2008，(6).

[8]段鴻海，宋金亭.小口徑深孔鉆探?jīng)_洗液循環(huán)阻力測(cè)算.探礦工程(巖土鉆掘工程)2012，(5).

2016-08-14

趙 磊(1977- )，女，河南鎮(zhèn)平人，助理工程師，主要從事礦產(chǎn)勘查、礦區(qū)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)工作。

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1004-1184(2017)02-0147-03