巖心鉆探施工工藝方面新技術(shù)的應(yīng)用分析

董學(xué)銀

（山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)，山東 滕州 277500）

近些年，在國(guó)家相關(guān)政策引導(dǎo)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)下，多項(xiàng)重大找礦行動(dòng)陸續(xù)實(shí)施，深孔及超深孔的鉆探工作量將會(huì)不斷增多，鉆探技術(shù)迎來(lái)一定發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面對(duì)較沉重的挑戰(zhàn)。既往大量生產(chǎn)實(shí)踐表明[1]，鉆探技術(shù)水平高低直接關(guān)系著地址勘探工作質(zhì)效及推進(jìn)過(guò)程順利性。從宏觀層面上分析，巖心鉆探施工時(shí)一類富有較高技術(shù)性、綜合性的工藝類型，結(jié)合生產(chǎn)作業(yè)要求，有針對(duì)性的創(chuàng)新巖心鉆探技術(shù)，不僅能降低鉆探的工作量，還能減少工程生產(chǎn)成本，確保施工質(zhì)量，協(xié)助企業(yè)獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。

1 巖體鉆探技術(shù)的應(yīng)用思路

1.1 技術(shù)方面

在既往的巖心鉆探施工實(shí)踐中，金剛石是鉆頭的主要結(jié)構(gòu)類型，鉆進(jìn)階段可能會(huì)滋生出打滑、時(shí)效性降低等問(wèn)題，在以上工況中開(kāi)展鉆進(jìn)作業(yè)，對(duì)施工進(jìn)度與成本均形成不良影響。很多工程技術(shù)人員再長(zhǎng)期實(shí)踐中持續(xù)探索，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探尋應(yīng)對(duì)以上情況的有效辦法，斷水干磨加壓就是典型技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)鉆進(jìn)活動(dòng)中，其能提升高度能達(dá)到2.0m，一方面維持了鉆頭胎體造型的合理性，另一方面也延長(zhǎng)了鉆頭的使用年限，且這種鉆探方法在繩索鉆進(jìn)施工領(lǐng)域中表現(xiàn)出較好的適用性。金剛石鉆探發(fā)展對(duì)巖心鉆探技術(shù)改革過(guò)程起到良性促進(jìn)作用，繩索取心技術(shù)日益完善，其撼動(dòng)了既往巖心鉆探對(duì)劍中調(diào)換鉆頭的傳統(tǒng)觀念，越來(lái)越多的人們持續(xù)探究與研發(fā)不提鉆換鉆施工工藝。近些年，在世界范圍內(nèi)，各類不提鉆換鉆頭技術(shù)方案陸續(xù)被提出，巖心鉆探領(lǐng)域中相關(guān)人員給予其較高重視。繩索取心和反循環(huán)取心鉆進(jìn)技術(shù)隸屬于不提鉆取心范疇，盡管以上兩種工藝技術(shù)有益于減縮鉆探輔助時(shí)間，提升鉆探效率，但未檢查鉆頭狀態(tài)或更換，伴隨勘探深度拓展，地下鉆進(jìn)作業(yè)量相應(yīng)增加，巖層結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜化，下鉆是影響純鉆實(shí)踐的重要工序，并且以上環(huán)節(jié)容易滋生出各種問(wèn)題而影響施工進(jìn)度。

針對(duì)不提鉆換鉆頭鉆進(jìn)的實(shí)質(zhì)，可以做出如下概述：省略了升降鉆桿工序，在特殊結(jié)構(gòu)鉆具協(xié)助下于地表調(diào)換服役鉆頭。從大量工程實(shí)踐中可以得知，大部分在工業(yè)領(lǐng)域中有廣袤發(fā)展前景的技術(shù)方案，基本上均是采用轉(zhuǎn)變工藝的方法將鉆頭提升到地表，檢查或調(diào)換后再由鉆桿柱投放到孔底。

1.2 技術(shù)先進(jìn)性與意義

不提鉆換鉆頭鉆進(jìn)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在其掙脫了傳統(tǒng)調(diào)換鉆頭的作業(yè)模式，在鋼繩協(xié)助下升降鉆頭，不必起下鉆便可以順利把服役鉆頭由孔中提升到地面，或經(jīng)由地面投到鉆孔內(nèi)，使鉆進(jìn)輔助作業(yè)內(nèi)容更具精簡(jiǎn)行，其意義主要表現(xiàn)在如下幾方面[2]：

（1）能較為及時(shí)的掌握孔底鉆頭作業(yè)狀況與磨損程度，使其更為快速的適應(yīng)地層環(huán)境，進(jìn)而提升工作質(zhì)效及降低鉆頭成本投入量的目的。

（2）延長(zhǎng)了純鉆時(shí)間，明顯降低勞動(dòng)力投入量，優(yōu)化施工作業(yè)條件與鉆探設(shè)備作業(yè)狀況。

（3）有益于保護(hù)孔壁，規(guī)避，規(guī)避鉆孔彎曲情況。

（4）對(duì)鉆頭使用壽命未能提出較嚴(yán)苛的要求，為各類金剛石鉆頭加工制造創(chuàng)作了便利條件，特殊情況下可以采用合金鉆頭，進(jìn)而規(guī)避數(shù)次起下鉆的情況。

2 巖心鉆探施工難點(diǎn)分析

我國(guó)國(guó)土遼闊，不同地區(qū)地質(zhì)條件存在差異，這就要求一定要結(jié)合工程所在地地質(zhì)條件，科學(xué)選擇鉆探設(shè)備與鉆探形式，金剛石、硬質(zhì)合鉆、牙輪鉆頭鉆進(jìn)等均是可供選擇的方式。當(dāng)下，國(guó)內(nèi)鉆探技術(shù)成熟度還不是很高，實(shí)踐中還存在一些技術(shù)難點(diǎn)，使地質(zhì)勘探工作運(yùn)作階段遇到諸多阻力，主要表現(xiàn)在如下幾方面[3]：

（1）地表土層沉積著風(fēng)化層和殘坡物，厚度通常在5m ～20m 區(qū)間內(nèi)取值。因巖層破碎、巖痕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，促進(jìn)了高嶺土化與綠泥石化現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程，增加了該地區(qū)土質(zhì)的松散度，膠結(jié)性明顯降低。地質(zhì)勘探施工階段，開(kāi)孔操作時(shí)孔壁坍塌率相應(yīng)增加，孔眼形成難度增加，不利于巖石鉆探施工作業(yè)的順利推進(jìn)。

（2）許多礦區(qū)巖礦層內(nèi)存有碳質(zhì)板巖，遇水以后松散性相應(yīng)增加，孔壁容易塌陷，護(hù)壁工作難度提升，斷鉆事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加，對(duì)作業(yè)人員晟敏個(gè)安全構(gòu)成威脅，也不利于施工進(jìn)度計(jì)劃順利實(shí)施。

（3）對(duì)地表行巖心鉆探時(shí)，泥、頁(yè)巖等地質(zhì)成分會(huì)相繼裸露出，以上成分和地下水融合后會(huì)誘發(fā)膨脹現(xiàn)象，以上是造成坍塌事故的主要原因之一。鉆探過(guò)程中出現(xiàn)的凝灰?guī)r、火山灰?guī)r等結(jié)合地表水后，產(chǎn)物為硅化石英巖，出現(xiàn)“打滑”狀況，導(dǎo)致鉆頭作業(yè)階段不斷被磨損、使用年限減縮、鉆進(jìn)工效降低。

3 鉆探施工技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用方案

3.1 落實(shí)套管護(hù)壁工作

既往國(guó)內(nèi)很多礦區(qū)生產(chǎn)階段，巖心鉆探開(kāi)孔難度均偏高?；趲r層風(fēng)化破碎較嚴(yán)重的實(shí)況，鉆進(jìn)實(shí)踐中通常會(huì)采用低固相泥漿進(jìn)行護(hù)壁堵漏。但以上處理效果整體欠佳，鉆孔中經(jīng)常出現(xiàn)塌陷、掉塊等問(wèn)題，開(kāi)孔難度進(jìn)一步增加。為促進(jìn)巖心鉆探技術(shù)順利應(yīng)用過(guò)程，將技術(shù)效能充分發(fā)揮出來(lái)，就一定要削弱開(kāi)孔施工難度，認(rèn)真落實(shí)開(kāi)孔護(hù)壁工作。建議將110 硬質(zhì)合金鉆頭與108mm 套管下端側(cè)，用套管做鉆桿，同時(shí)準(zhǔn)備數(shù)量充足的短套管輔助鉆進(jìn)，長(zhǎng)度以0.3m ～0.5m 為宜，伴隨鉆桿朝下方推進(jìn)。若工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)鉆頭下降過(guò)程受阻，棵推薦采用76mm 硬質(zhì)合金鉆具進(jìn)行透孔，并將泵開(kāi)啟至一定量完成沖孔，隨后再跟進(jìn)套管鉆進(jìn)，借此方式抵達(dá)預(yù)設(shè)的孔深[4]。在以上施工實(shí)踐中，一定要保證套管絲扣間持有較高穩(wěn)固性、緊密銜接，規(guī)避套管反扣、脫節(jié)等情況。巖心鉆探套管降落環(huán)節(jié)中，要準(zhǔn)確計(jì)算，進(jìn)而保證套管內(nèi)落至預(yù)設(shè)位置。與此同時(shí)，還需將適量脂膏均勻的涂刷于在套管外側(cè)壁，有益于減少鉆取巖心時(shí)起拔難度。針對(duì)外層觸及孔壁的套管，建議把鐵片增設(shè)于絲扣位置，并緊固焊接，保證焊接緊固性。

3.2 選用適宜鉆頭設(shè)備

對(duì)礦區(qū)巖石層行巖石鉆探施工階段，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)硅質(zhì)板巖、長(zhǎng)石石英巖等成分，有含量高、硬度大、抗磨性和抗壓強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)緊湊等特征，同時(shí)以上成分基本儲(chǔ)留于堅(jiān)硬底層和他類巖層間，屢次出現(xiàn)，厚度不勻稱。以上成分接觸淺表層地下水融合后會(huì)有膨脹表現(xiàn)，很可能使礦區(qū)生產(chǎn)階段出現(xiàn)坍塌的危況。針對(duì)以上情況，地質(zhì)勘探施工時(shí)間中，應(yīng)加大金剛石粒度與濃度，鉆頭的硬度與辱面形狀等方面的研究，立足于礦區(qū)巖石層的實(shí)況，選擇適宜的巖心鉆探探頭。例如，金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝中，建議選用高品級(jí)人造金剛石加工制造的鉆頭，品級(jí)達(dá)SMD25 C60/70、濃度偏低（60±15）、粒度中等（65±5mm）；而針對(duì)鉆頭胎體，推薦選用尖齒形辱面構(gòu)造，器對(duì)應(yīng)的硬度為HRC20-25，使用年限較為長(zhǎng)久，下鉆效果較好，有較高的應(yīng)用價(jià)值[5]。在長(zhǎng)期的施工實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，若僅依賴孔底巖石修磨鉆頭，很難取得較好的出刃成效，通常推薦聯(lián)合使用人工磨削反復(fù)，即使用砂輪機(jī)對(duì)鉆頭的作業(yè)辱面進(jìn)行打磨處理，維持打磨與鉆頭回轉(zhuǎn)方向兩者的統(tǒng)一性。為規(guī)避金剛石過(guò)早脫落問(wèn)題，要求相關(guān)人員一定要準(zhǔn)確把控打磨操作力度，以防因鉆頭“打滑”而不進(jìn)尺。為應(yīng)對(duì)鉆頭突發(fā)“打滑”問(wèn)題，建議將粒徑較小的石英顆粒投進(jìn)鉆桿柱中，對(duì)鉆頭胎體起到磨損作用，能較為有效的優(yōu)化金剛石出刃效果。

3.3 合理選擇沖洗液

在復(fù)雜地層鉆探施工中，沖洗液起到護(hù)壁、潤(rùn)滑、防止鉆具結(jié)垢、冷卻鉆頭等諸多作用。在選用沖洗液過(guò)程中，應(yīng)予以如下幾點(diǎn)問(wèn)題一定重視[7]：

（1）若地層上部土層較松散、容易坍塌，則建議選用護(hù)壁性能較優(yōu)良的泥漿。將泥漿粘度控制在35s 內(nèi)，密度以1.03kg/L 為宜，失水量取值區(qū)間為11mL ～15mL，pH 值為8.5。

（2）針對(duì)鉆進(jìn)較長(zhǎng)，和開(kāi)孔段相比較硬脆碎地層及容易坍塌掉渣地層，推薦選用護(hù)壁性能較好的優(yōu)質(zhì)低固相泥漿。泥漿主要性能參數(shù)如下：粘度以18s ～25s 為宜、密度為1.03kg/L ～1.05kg/L ；失水量10mL ～15mL ；pH 值為8 ～9。

（3）若確定鉆進(jìn)的地層隸屬于水敏性地層，則推薦采用低固相鉀鹽泥漿，該類沖洗液能較好的控制該類地層膨脹縮徑、坍塌水化等問(wèn)題。性能參數(shù)如下：粘度25s ～35s、密度1.07kg/L ～1.1kg/L ；失水量區(qū)間6mL ～8mL ；pH 值8.5 ～9。

3.4 優(yōu)化金剛石鉆進(jìn)新工藝

小口徑金剛石是水平鉆孔結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成，最好于基巖內(nèi)進(jìn)行開(kāi)孔。針對(duì)硬度偏大的巖石層，推薦采用孕糧金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。具體開(kāi)孔操作前，可以組織人力于基巖表層開(kāi)鑿一深度以（15±5）cm、半徑適宜的孔，為鉆頭精確定位創(chuàng)造便利條件，有益于強(qiáng)化鉆具的穩(wěn)固性，使礦區(qū)工程鉆進(jìn)作業(yè)有序推進(jìn)。既往有大量生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)鉆進(jìn)角度為0°～25°時(shí)，孔壁對(duì)鉆具形成的阻力偏大，伴隨鉆進(jìn)深度的拓展，摩擦阻力也會(huì)隨之增加。為有效解除以上阻力，調(diào)整鉆進(jìn)角度是有效方法之一，將其調(diào)整為25°～60°時(shí)，鉆孔深度增加，阻力有不斷被削弱趨勢(shì)，以上是提升鉆孔作業(yè)效率的有效方法之一。

3.5 積極應(yīng)對(duì)金剛石鉆頭遇“打滑”地層的問(wèn)題

工程隊(duì)在長(zhǎng)期實(shí)踐中，探尋到一套應(yīng)對(duì)“打滑”地層的方法，即投砂短時(shí)斷水干磨加壓法，能使鉆進(jìn)時(shí)效性由最初不足1m 提升至1.5m ～2.0m，且因強(qiáng)化了鉆頭胎體破度造型結(jié)構(gòu)合理性（通常HRC=40 ～45），鉆頭壽命均值能達(dá)到30m ～35m。具體方法可以做出如下表述：①在工程現(xiàn)場(chǎng)選擇3mm ～5mm的堅(jiān)硬碎石；②對(duì)內(nèi)管進(jìn)行打撈處理后，每次朝向鉆桿中投入0.5kg ～0.5kg 碎巖粒；③上主桿以后開(kāi)啟大泵，將碎顆粒泵送到孔底；④投放內(nèi)管，而后對(duì)準(zhǔn)主桿，卡盤卡牢固。無(wú)需開(kāi)啟泵，斷水2min ～4min，采用油缸加壓干磨處理，干磨操作環(huán)節(jié)采用油缸竄動(dòng)鉆具，加壓與干磨操作同步推進(jìn)，使鉆頭胎體外露[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年，國(guó)內(nèi)鉆探工藝技術(shù)持續(xù)發(fā)展進(jìn)步，各種技術(shù)手段日益完善化，且應(yīng)用范疇有不斷拓展趨勢(shì)。但這些技術(shù)和國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)相比較，在水平上還存在較大差異，鉆探施工實(shí)踐中還需有較多問(wèn)題需要處理。故而，一定要完善專業(yè)的配套設(shè)施，加大新技術(shù)的研究，完善工藝流程，及時(shí)應(yīng)對(duì)施工中存在的問(wèn)題，選用適宜的鉆頭，進(jìn)而使地質(zhì)勘探工作質(zhì)量得到根本保障。