寧夏寧東地區(qū)巖芯鉆探施工設(shè)備及工藝選型與使用

曹學(xué)斌，何玉云，王發(fā)民，王文林，何 林，謝建軍

（寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏銀川750021）

1 地質(zhì)概況

工作區(qū)位于寧夏寧東—靈武地區(qū)，屬于荒漠化或半荒漠化地區(qū)，地層基本情況為：上部多為泥質(zhì)膠結(jié)的粘土、泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度在300m以內(nèi)；下部多為泥質(zhì)砂巖、粗粒砂巖、粉砂巖，礦層為粗砂巖、粉砂巖地層，厚度在300～700m左右，該地層遇水容易分散，膠結(jié)性差。巖石可鉆性在Ⅲ-Ⅴ級，局部達(dá)到Ⅵ級。具體地層情況見表1。

表1 研究區(qū)地層系統(tǒng)一覽表

2 設(shè)備選型及施工工藝

我單位先后在寧東地區(qū)采用XY-44/XY-6B立軸鉆機和阿特拉斯C6動力頭鉆機，分別配套普通單管鉆進和繩索取芯鉆探2種施工工藝。

2.1 立軸鉆機普通單管鉆進

立軸鉆機回轉(zhuǎn)、升降等主傳動為機械傳動，給進、卡夾等輔助動作為液壓傳動，立軸給進行程60cm。立軸鉆機采用普通回次提鉆施工法，鉆桿為普通地質(zhì)?60mm鉆桿，取芯鉆具為單管鉆具和單動雙管鉆具。每回次進尺4～8m后，提鉆采取巖芯，用卡簧或卡絲卡取巖芯。

2.1.1 立軸式鉆進設(shè)備

立軸式鉆進近幾年主要使用的是XY-4型和XY-6B型巖芯勘探鉆機，設(shè)備配置見表2。

表2 立軸鉆機設(shè)備配置表

2.1.2 立軸鉆機普通單管鉆進鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進參數(shù)

開孔鉆具組合為：?150mm硬質(zhì)合金鉆頭+單管取芯鉆具+?60mm鉆鋌+?60mm鉆桿；

巖層鉆具組合為：?113mm金剛石復(fù)合片鉆頭+9m單管取芯鉆具+鉆鋌+?60mm鉆桿；

礦層鉆具組合為：?96mm孕鑲金剛石鉆頭+4.5m單動雙管鉆具+鉆鋌+?60mm鉆桿。

立軸鉆機普通單管鉆進鉆進參數(shù)為：轉(zhuǎn)速300～450r/min，泵量20～40L/min，鉆壓5～15kN。

2.1.3 寧東地區(qū)立軸鉆機施工特點

（1）立軸鉆機多數(shù)情況下采用單管取芯工藝，單管鉆具長度達(dá)到9m，每回次可鉆進6～9m，同時因鉆孔環(huán)狀間隙大，不容易出現(xiàn)憋泵、卡鉆現(xiàn)象。在0～500m鉆孔深度，能夠保證每天鉆進50～70m，施工效率能夠滿足生產(chǎn)要求。

（2）在礦層施工時，由于砂巖膠結(jié)性較差，松散破碎，鉆具回轉(zhuǎn)和泥漿沖刷易造成砂巖段礦巖芯的采取率不夠，為此，技術(shù)組對取芯工藝進行了改進，采用普通?60mm鉆桿加上雙管取芯鉆具，同時增加雙管取芯鉆具長度到4.5m，增加了每回次進尺長度，利用雙管取芯鉆具良好的單動性能和內(nèi)外管的保護，巖芯采取率可以達(dá)到90%以上，能滿足地質(zhì)找礦要求。

（3）由于立軸鉆機普通單管取芯鉆具配套?113mm復(fù)合片鉆頭和?60mm鉆桿，鉆進過程中環(huán)狀間隙可達(dá)到26.5mm，可有效降低事故率，避免了縮徑、掉塊等復(fù)雜情況對鉆進的影響，同時立軸鉆機具有良好的事故處理能力。

（4）由于立軸鉆機的施工特點，使得在使用立軸鉆進在該地區(qū)進行鉆探施工時，生產(chǎn)成本較低，一方面柴油機綜合功率較低，以XY-44鉆機為例，鉆機4105柴油機功率為61.5kW，泥漿泵所需柴油機功率15kW，正常鉆進所需總功率約為76.5kW，而全液壓動力頭鉆機（以阿特拉斯C6鉆機為例），柴油機功率153kW，XY-44鉆機只有全液壓動力頭鉆機的二分之一，對于500m以淺的淺孔，2種鉆機每天的有效進尺并無明顯差異。另一方面，針對寧東地區(qū)的地層，立軸鉆機采用一般的低固相沖洗液就能滿足鉆進需要，而全液壓動力頭鉆機采用的繩索取芯鉆具往往需要優(yōu)質(zhì)的無固相沖洗液才能確保高效鉆進。

（5）立軸鉆機操作簡單，鉆機維護成本較低。

2.2 動力頭鉆機繩索取芯鉆進

全液壓動力頭鉆機鉆進和泥漿泵運轉(zhuǎn)均可實現(xiàn)液壓傳動，以動力頭為主要結(jié)構(gòu)特征，可施工傾角為45°～90°鉆孔，適應(yīng)范圍較廣。鉆桿采用繩索取芯鉆桿和3m長繩索取芯鉆具，鉆塔為桅桿式，動力頭沿桅桿移動，給進行程達(dá)到3m。

2.2.1 動力頭鉆機設(shè)備配置

鉆機類型為全液壓動力頭式鉆機，給進行程3m。設(shè)備配置見表3。

表3 繩索取芯鉆進設(shè)備配置

2.2.2 動力頭鉆機繩索取芯鉆進鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進參數(shù)

開孔鉆具組合：?122mm繩索取芯鉆具+?114mm繩索取芯鉆桿；終孔鉆具組合：?96mm繩索取芯鉆具+?89mm繩索取芯鉆桿。在出現(xiàn)孔內(nèi)復(fù)雜情況時可更換?76mm鉆具鉆進一定孔深時用?96mm鉆具擴孔后繼續(xù)鉆進。

動力頭鉆機繩索取芯鉆進工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速450～700r/min，泵量20～60L/min，鉆壓10～15kN。

2.2.3 寧東地區(qū)動力頭鉆機施工特點

（1）主要優(yōu)點是給進行程長，可達(dá)3m，導(dǎo)向性好且實現(xiàn)長行程給進，增加了純鉆時間，采用的單動雙管取芯鉆具減少了對巖芯的擾動和沖洗液對巖芯的沖刷，有助于提高巖芯采取率，鉆孔傾角范圍廣，可根據(jù)設(shè)計要求在45°～90°之間自由選擇，而近幾年在寧東地區(qū)施工的鉆孔鉆孔全部為直孔，動力頭鉆機傾角可變的優(yōu)勢不能得到有效發(fā)揮。

（2）動力頭鉆機在寧東地區(qū)施工時，因地質(zhì)取樣及測井對鉆孔口徑和巖芯的要求，采用繩索取芯鉆具時只能采用2種口徑（?114mm和?96mm）。鉆孔孔壁與鉆桿之間環(huán)狀間隙較?。?～2mm），由于寧東地區(qū)上段泥巖段較長，容易發(fā)生泥巖吸水膨脹而造成縮徑和泵壓升高，造成提下鉆遇阻和卡鉆事故時有發(fā)生，2011年我單位阿特拉斯C6鉆機在寧東地區(qū)施工效率每天只有20～30m，明顯低于立軸鉆機在該地區(qū)的施工效率。

（3）動力頭鉆機正常施工消耗的功率較高，同時對沖洗液要求較高，在生產(chǎn)成本方面明顯高于立軸鉆機。

（4）動力頭鉆機操作較立軸鉆機復(fù)雜，對操作人員要求較高。

3 結(jié)論

通過2種類型的鉆機在寧東地區(qū)進行巖芯鉆探施工的應(yīng)用情況對比，可得出以下結(jié)論：

（1）設(shè)備與鉆探工藝的選擇應(yīng)充分考慮施工地區(qū)的地層特點，寧東地區(qū)地層可鉆性不高，鉆孔深度大多在600m以內(nèi)的中深孔，且均為直孔，立軸鉆機在施工效率方面完全能滿足鉆探生產(chǎn)的要求。

（2）近幾年在寧東地區(qū)實施的鉆孔深度多數(shù)在0～500m范圍內(nèi)，立軸鉆機臺月效率可以達(dá)到600m以上，從市場價格因素、鉆探成本和鉆進效率等方面考慮，優(yōu)先選用立軸鉆機。

（3）鑒于寧東地區(qū)地層特點屬于沉積巖地層，存在大段泥巖地層，容易發(fā)生縮徑、掉塊、吸鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況，而立軸鉆機鉆進時的環(huán)狀間隙大，孔內(nèi)事故事故率較低，在孔壁穩(wěn)定和孔內(nèi)安全方面優(yōu)于全液壓動力頭鉆機。

（4）立軸鉆機在寧東地區(qū)施工時，為了確保巖芯采取率滿足地質(zhì)找礦要求，可以使用普通?60mm鉆桿+雙管取芯鉆具來保證礦層巖芯采取率，并且適當(dāng)加長鉆具至4.5m，也可以增加回次效率。

總之，在綜合考慮各方面因素的情況下，在寧東地區(qū)進行600m以內(nèi)的中深孔鉆探施工時，應(yīng)優(yōu)先選用立軸式鉆機，巖層鉆進時采用單管取芯工藝，在礦層鉆進時輔助以雙管取芯鉆機，在確保施工質(zhì)量的前提下，可有效提高施工效率，節(jié)約鉆探成本，增加社會效益。