关于复杂地层钻进技术的探讨

张云祖
摘要：采矿工作在露天或地下采场。劳动量大，工作条件差，安全性差，不易实现综合机械化和自动化，故需特别重视改善劳动保护和环境条件。在地质条件复杂、地层破碎的矿区，存在一些勘探难题，采用贯通式潜孔锤反循环连续取芯(样)钻进技术进行探矿施工，取得了良好的效果。该方法具有钻进效率高、岩矿样采取率高、钻孔质量好等优点，有效地解决了破碎漏失地层的钻孔问题。
关键词：复杂地层；钻进技术；探矿
Abstract: mining jobs in the open air and underground mining. Labour is big, bad working conditions, poor safety, not easy to realize comprehensive mechanized and automation, reason need to pay special attention to improve labor protection and environmental conditions. In the complex geological conditions, the strata broken mining area, there are some exploration problem, the breakthrough type DTH hammer reverse circulation continuous core (sample) drilling technology prospecting construction, and have achieved good effect. This method has high drilling efficiency, rock ore samples taken rate is high, drilling quality advantages, which can effectively solve the problem of the mall broken strata drilling.
Keywords: complex formation; Drilling technology; prospecting

中图分类号：TU74    文献标识码：A    文章编号：

近年来随着生产规模的逐年扩大，原有的地质勘探资料勘查网度稀，可靠性差，工程揭露矿体与地质详勘阶段探明矿体存在较大差别，已不能有效地指导生产。另外，由于某些矿区早期采用地下采矿方法采矿，且施工单位多，开采形成大量的地下盲空区错综复杂，成为安全生产的重大隐患，需要采用适合矿山地质情况的钻探工艺进行勘探。一方面，探明基建区域内矿体形态、产状、空间位置、矿石质量和夹石分布情况，以指导生产；另一方面，探明基建区域内空区的顶板厚度和盲空区的位置，为下一步生产提供可靠地质数据，为空区处理提供的地质资料。
本文重点探讨的矿区是典型的难钻进、难成孔、难取样的复杂地层。考虑到探矿施工不能和正常生产相互冲突，并且在勘探手段选择上采用与矿体产状相适应的钻探方法勘探，经综合考虑，结合以往其它钻探方法的应用比较，认为贯通式潜孔锤反循环连续取芯(样)钻进技术能够有效地解决矿区地质勘探的“三难”问题，是露天采场地质勘探合理有效的工艺方法。
1 贯通式潜孔锤反循环钻进工艺方法
1.1 工作原理
实现贯通式潜孔锤反循环连续取样钻进的配套钻具主要有：贯通式潜孔锤、反循环钻专用钻头、双通道气水龙头、双壁钻杆等。贯通式潜孔锤反循环钻进工作原理见图1。

                 图1贯通式潜孔锤反循环钻进工作原理    1一天车2一鹅颈排芯(样)管3一双通道气水笼头 4一双壁钻杆 5—孔口管6一排渣管 7一旋流取芯(样)器8一岩样槽9一塌孔形成的扩径 1O一贯通式潜孔锤ll一反循环钻头12一空压机13一高压胶管14一钻头
从图1可以看出，压缩空气从空压机12输出后，经双通道水龙头1，进人双壁钻杆4的环状通道，驱动贯通式潜孔锤10工作，冲锤活塞高频冲击反循环钻头14，从而实现高速碎岩钻进。作用后的废气经反循环钻头高速喷射出，在钻孔底部形成均匀的负压区，通过卷吸作用携带岩矿样上返，经潜孔锤的贯通孔和双壁钻杆的中心通道，通过双通道气水龙头的鹅颈管2、排渣管6排到旋流取样器7中，充分减速后落人岩粉槽8，从而实现动力和流体介质的反循环。
该工艺方法利用潜孔锤高效碎岩，钻进效率高，利用双壁钻杆有效的保护孔壁，并为流体介质反循环携带岩矿样提供上返中心通道，有效的将碎岩钻进和连续取样两部分工作结合起来，形成连续工作
过程。
1.2 技术特点
潜孔锤反循环连续取芯(样)技术是集潜孔锤快速碎岩、流体介质反循环和钻探中连续取心3种钻探技术于一体，是一种先进的钻进工艺方法。其主要特征如下。
(1)利用潜孔锤高效碎岩钻进，成孔质量高，适用于该矿区硬岩地层的钻进。
(2)流体介质全孔反循环。压缩空气和上返流体介质均在封闭的双壁钻具内运输，避免了与孔壁的接触和对孔壁的冲刷，清洁孔底干净，大幅度降低了孔内事故发生的机率，有利于保持孔壁的稳定，对
复杂、漏失地层有独特的效果。
(3)利用反循环钻头实现全孔反循环，不增加其他辅助设备。岩矿样在流体介质的携带下直接从钻具的中心通道流至地表，不接触孔壁，岩矿样采取率高且无污染，此外，反循环上返速度快，时效性强，有利于地质人员及时判断地层，并做出正确决策，提高工程质量。
(4)空气钻进，适用于该矿区缺水和地层漏失的情况。
2 贯通式潜孔锤反循环钻进技术的应用
2.1 主要钻进设备
(1)G一3工程钻机。
(2)Adas空压机厂生产的XRVS466型螺杆空压机，额定风压2.4 MPa，排风量25 L／min。
(3)GQ127、GQ108贯通式潜孔锤及配套专用反循环钻头。
(4)SBC一89／44型外平双壁钻杆。
(5)双通道气水龙头、高压风管、排渣胶管、旋流取样器等辅助设备。
2.2 工艺参数
GQ127潜孔锤的最优风压为1.8～1.9 MPa；CQlO8潜孔锤的最优风压为1.6～1.7 MPa，钻压为6.4～8 kN，钻速为42 r／min。
2.3 钻进过程
采用 Φ150mm冲击器开孔，下人Φ 146mm孔口管保护孔壁，然后采用GQ127或GQ108潜孔锤正常钻进，钻进的同时采取岩矿样，如产生孔内事故处理事故后继续钻进，钻至设计孔深后终孔。
2.4 应用效果
利用贯通式潜孔锤反循环钻进技术在典型的复杂地层钻孔10个，累计进尺800 m，其中最深孔深88.6 m，最浅孔深47.0 m。钻孔质量好，完全满足设计要求。此外，利用反循环方法采取的岩芯(样)的采取率高，位置正确，取得了良好的应用效果。
(1)钻进效率高。在石英岩中，GQ127冲击器正常钻进时平均机械钻速可达11 m／h，最高机械钻速达20 m／h，GQ108冲击器正常钻进时平均机械钻速可达6 m／h。透辉石斜长石角岩地层中，GQ127冲击器正常钻进时平均机械钻速可达6.87 m／h，最高机械钻速达7.83 m／h。钻进效率远高于其他钻孔方法。
(2)采用贯通式潜孔锤实现反循环连续取芯(样)，反循环排渣干净，岩矿样采取率高达95％以上。样品及时上返至地表，分层准确，取出的岩矿样为大颗粒状，并且能够取出薄片状的岩矿芯，能够有效地反映孔底岩层的变化，样品真实度高。岩矿样反循环排出，与孔壁无接触和交换，无污染，具有不贫化、不富集、地层不丢失的特点。
(3)双壁钻杆为流体介质反循环提供了运输通道，使流体介质不冲刷外孔壁，有效地保证了孔壁的完整性。此外，反循环孔底排渣干净，孔壁悬挂的岩粉极少且颗粒小，有效防止了掉块、卡钻、埋钻等事故的发生。
(4)采矿区地层破碎，采用其它取心办法很容易卡堵。由于潜孔锤钻进能够震动解卡，从而实现了钻进过程中不提钻连续取芯，减少了提钻、下钻等工序，提高了钻进效率。
(5)由于矿区地层漏失严重，存在大量的盲空区和大裂隙。使用金刚石钻进等方法不但需要大量的泥浆或护壁堵漏材料，并且增加了工序。采用潜孔锤空气钻进，除减少了泥浆、护壁堵漏材料等费用外，还减少了工序，大大降低了钻探成本。
(6)采用硬质合金钻头冲击回转钻进，钻头寿命相对较长，有效地减少提钻、下钻次数，提高了钻进效率。
3 总结
贯通式潜孔锤反循环取心技术完全适用于地层破碎的露天矿区地层，能够解决地层复杂、破碎，易坍塌泄露的问题。专用的反循环钻头能够钻进地层破碎、充满裂隙的地层，由于空气流体能够在钻头底部形成稳定的负压区，卷吸孔底的空气流体携带岩矿样形成反循环，尽管充满裂隙的孔底有漏风，但反循环空气有足够大的风量携带岩矿样上返。使用反循环钻进取样，有利于岩矿样的收集。由于取样的时效性好，在钻头接触孔底的同时，岩矿样可同时排到地表，并按先后顺序排列好，以便于观察地层的变化情况。总之，贯通式潜孔锤反循环连续取芯(样)钻进技术在复杂条件地层钻进中具有明显的优点，能够在露天矿区、干旱缺水地区或复杂地层中使用。