董海燕

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì)，山東 煙臺(tái)264004)

0 引言

我院2007年10月通過山東省地礦局局立項(xiàng)“繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探工藝試驗(yàn)項(xiàng)目”，開始引進(jìn)10臺(tái)套SYZX型繩索取心液動(dòng)錘鉆具，于2009年提交《繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝研究與試驗(yàn)應(yīng)用報(bào)告》，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。自2012年2月開始在山東省地礦局勘查施工處的安排組織下，以我院和局研究中心為依托，開始在全局范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。我院在原有基礎(chǔ)上，先后引進(jìn)繩索取心液動(dòng)錘鉆具15臺(tái)套，在我院的所有工地進(jìn)行推廣應(yīng)用。特別是在中國巖金勘查第一深鉆ZK96－5鉆孔的深部鉆探施工過程中，采用繩索取心液動(dòng)錘，保證了在復(fù)雜破碎地層巖心采取率和回次長度，同時(shí)增加了時(shí)效和鉆速，大幅縮短鉆進(jìn)輔助時(shí)間，在一定程度上保證了鉆孔的安全順利施工。

1 工程施工概況

位于山東省萊州市三山島礦區(qū)的中國巖金勘查第一深鉆ZK96－5鉆孔設(shè)計(jì)孔深4000 m，設(shè)計(jì)鉆孔傾角90°，終孔口徑75 mm。業(yè)內(nèi)專家表示“中國巖金勘查第一深鉆”的順利實(shí)施，將開創(chuàng)國內(nèi)固體礦產(chǎn)勘查小口徑巖心深部鉆探的先河，在巖金勘查領(lǐng)域具有劃時(shí)代的意義，對于膠西北地區(qū)乃至全國深部成礦預(yù)測研究具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義。萊州位于郯廬斷裂以東的隆起區(qū)，是一個(gè)主要由前寒武系基底巖石為主、中生代構(gòu)造與巖漿強(qiáng)烈發(fā)育的內(nèi)生熱液金礦成礦集中區(qū)，裂隙發(fā)育明顯，含有多個(gè)較長破碎帶，巖石較堅(jiān)硬，對深部鉆進(jìn)影響較大。

2 深部鉆進(jìn)技術(shù)方法的選擇

鉆孔采用以PHP(聚丙稀銑胺)、PAV(聚乙烯醇)、K－21(鉆井液用低熒光防塌潤滑劑)為主的無固相聚合物沖洗液，采用BM300/10型泥漿泵。

0～3000 m采用常規(guī)繩索取心回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆具組合為:鉆頭+擴(kuò)孔器+普通鉆具+擴(kuò)孔器+彈卡室+繩索取心鉆桿。

3000～4000 m采用繩索取心液動(dòng)錘(SYZX型)鉆進(jìn)方法，鉆具組合為:鉆頭+擴(kuò)孔器+繩索取心液動(dòng)錘+擴(kuò)孔器+彈卡室+繩索取心鉆桿(3000 m)+石油鉆桿。

3 鉆探器具的改進(jìn)

4 液動(dòng)錘在硬、脆、碎地層中的應(yīng)用情況

4.1 提高了回次進(jìn)尺與鉆速

在ZK96－5鉆孔施工中，鉆遇破碎地層巖心堵塞問題，始終影響該孔的鉆探效率。尤其在深部鉆進(jìn)中，頻繁撈取內(nèi)管致使輔助時(shí)間大量增加，特別是鉆遇較厚的破碎地層，每天鉆進(jìn)1～2個(gè)回次，進(jìn)尺僅有10～30 cm，既增加了勞動(dòng)強(qiáng)度和輔助時(shí)間，又制約鉆探效率的增加。

由于液動(dòng)錘的沖擊帶動(dòng)內(nèi)管有規(guī)律的軸向震動(dòng)，使巖心容易進(jìn)入內(nèi)管，減少了內(nèi)管堵塞的幾率，平均回次進(jìn)尺提高。特別是在破碎嚴(yán)重孔段，效果更明顯。表1～3為ZK96－5孔不同地層繩索取心液動(dòng)錘和常規(guī)鉆進(jìn)效果對比。圖1、圖2分別為破碎和完整地層巖心情況。

表1 ZK96－5孔硬、脆、碎地層鉆進(jìn)效果比較

表2 ZK96－5孔特別破碎孔段鉆進(jìn)效果比較

表3 ZK96－5孔在特別完整地層鉆進(jìn)效果比較

圖1破碎地層巖心

圖2 完整地層巖心

從表1～3中的對比可以看出，在復(fù)雜破碎地層中，液動(dòng)錘優(yōu)越性比較明顯，可以有效防止破碎地層鉆進(jìn)時(shí)巖心堵塞情況，回次提高20%～200%，提高了鉆探效率。

在特別完整地層中鉆進(jìn)，將內(nèi)管加長到4.3 m后，回次進(jìn)尺提高明顯，在大于3000 m的深孔情況下大幅縮短打撈內(nèi)管等輔助時(shí)間，提高了鉆探效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 增加了鉆頭壽命

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)用金剛石鉆頭主要是取心孕鑲式鉆頭，金剛石出刃的后面存在與金剛石出刃高度相近的胎體凸起，它對出露的金剛石起著重要的支撐保護(hù)作用，在堅(jiān)硬地層，為保證金剛石出刃，每回次需要往孔內(nèi)投入敲碎后的石英小塊來研磨鉆頭。而沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，巖石體積破碎下來的巖粉顆粒較大，并且有棱角，對胎體具有研磨性磨損;還由于沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泵量大，沖洗液對鉆頭有較強(qiáng)的沖蝕性;高頻脈動(dòng)沖擊載荷使金剛石切削刃“吃入”巖石，破碎的巖石對金剛石出刃的根部胎體有破壞作用，致使金剛石鉆頭出刃后面的胎體凸起高度比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)低，造成金剛石出刃比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)大，一方面有利于沖擊載荷“吃入”巖石，提高碎巖效果;另一方面造成回轉(zhuǎn)切削碎巖過程中金剛石脆斷。但由于沖擊載荷的作用，減少巖石的抗破碎阻力，從而彌補(bǔ)了金剛石出刃量大，支撐胎體減弱所產(chǎn)生的弊端。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，孔底沖洗液流量大，呈高頻脈動(dòng)沖擊流動(dòng)狀態(tài)，鉆頭唇面與巖石表面間隙是高頻變化的，致使孕鑲金剛石鉆頭唇面沖洗液漫流面擴(kuò)大，攜帶巖粉，冷卻鉆頭能力增強(qiáng)，減少了巖粉粘附和重復(fù)破碎，也有利于提高效率和鉆頭壽命。此外，孔底鉆具受高頻沖擊作用而隨之震動(dòng)，巖心順利進(jìn)入巖心管，使鉆壓有效地作用于鉆頭上，防止鉆頭唇面的金剛石拋光。

因此，只要液動(dòng)錘工作正常，參數(shù)匹配合理，用常規(guī)鉆頭也能獲得理想的鉆進(jìn)效果，鉆頭不會(huì)因高頻脈動(dòng)沖擊載荷而發(fā)生磨損和損壞。

表4為不同孔段鉆探效果及鉆頭壽命對比情況，由表中可以看出，液動(dòng)錘鉆進(jìn)能有效提高硬巖鉆進(jìn)的時(shí)效和鉆頭壽命，鉆頭壽命可延長20 m左右，效率提高60%左右，臺(tái)月效率提高56%左右。

表4 ZK96－5鉆孔不同孔段鉆探效果及鉆頭壽命對比

4.3 純鉆時(shí)間利用率高

由于液動(dòng)錘鉆進(jìn)能提高鉆頭壽命和回次進(jìn)尺，延長了提鉆和取心周期，減少了輔助時(shí)間。另外液動(dòng)錘總成比普通總成質(zhì)量大，在投擲內(nèi)管過程中，內(nèi)管下降速度快，到達(dá)孔底時(shí)間較常規(guī)內(nèi)管到底時(shí)間明顯縮短，且內(nèi)管到底聲音清晰，判斷準(zhǔn)確，特別對深孔更為明顯。例如在3500 m孔深時(shí)，提出上部石油鉆桿，在3000 m鉆桿內(nèi)送內(nèi)管，在常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)為了確保內(nèi)管到位，往往用打撈器送普通內(nèi)管，需要2.5 h左右的時(shí)間;采用液動(dòng)錘鉆進(jìn)時(shí)，用沖洗液送液動(dòng)錘內(nèi)管，大約50～70 min內(nèi)管即可到位，每個(gè)回次節(jié)約時(shí)間90 min以上。

在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，由于孔內(nèi)比較復(fù)雜，經(jīng)常伴有破碎帶引起坍塌掉塊，造成回轉(zhuǎn)扭矩增大，難以開高轉(zhuǎn)速。同時(shí)為了防止泵量大，對孔壁造成的沖刷侵蝕，一般采用較小泵量，達(dá)不到液動(dòng)錘的額定沖洗液量，使沖擊功變小，不能使堅(jiān)硬巖石產(chǎn)生裂紋，難以使液動(dòng)錘發(fā)揮出最佳的效果。這也是鉆孔時(shí)效提高幅度不大的主要原因。

由于施工孔深較深，已達(dá)3900余米，開52 L/min的泵量，泵壓達(dá)到7 MPa，無法達(dá)到液動(dòng)錘需要的額定泵量，活閥、沖錘等敲擊頻率和沖擊功都比較小，磨損相對較輕，液動(dòng)錘的壽命延長。見圖3、圖4所示。

圖3 下活塞與錘軸接頭的敲擊磨損

圖4 活閥的正常工作磨損

5 繩索取心液動(dòng)錘的使用技術(shù)分析

5.1 做好沖洗液的凈化

繩索取心液動(dòng)錘是靠沖洗液驅(qū)動(dòng)，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求不允許有大顆粒固體(或油脂團(tuán)塊)，以避免噴嘴堵塞和阻礙部件靈活運(yùn)動(dòng)。因此要求盡量不要為減少回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)阻力在鉆桿外壁涂抹黃油或其他涂抹脂，同時(shí)要注意沖洗液凈化，保持沖洗液性能穩(wěn)定，減少大顆粒固體的侵入。因此要求施工現(xiàn)場應(yīng)配備旋流除砂器、除泥器等沖洗液固相控制設(shè)備;未使用凈化設(shè)備的機(jī)臺(tái)，循環(huán)槽的長度不得短于15 m，內(nèi)寬220～250 mm，深200 mm，坡度1/100～1/80;槽中每隔1.5～2 m要能夠交錯(cuò)安設(shè)擋板，上擋板高100 mm，距槽底50 mm，下?lián)醢甯?00 mm，直接安靠槽底。

泥漿中的固相顆粒以及取心鋼絲繩與鉆桿摩擦脫落的鋼絲繩渣子(圖5)極易進(jìn)入上活塞(下噴嘴)和下缸套與下活塞的配合處，進(jìn)入上活塞容易造成上活塞的堵塞;下活塞的螺旋槽不能有效排沙，造成下活塞的卡死以及下活塞與沖錘接頭的卡阻，引起液動(dòng)錘的不沖擊，不能發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

圖5 鋼絲繩渣子

5.2 檢查繩索取心液動(dòng)錘的絲扣連接情況

由于液動(dòng)錘傳遞的是高頻脈動(dòng)載荷，內(nèi)管總成各絲扣連接部位容易出現(xiàn)倒扣或者松動(dòng)，引起內(nèi)管總成彈卡鉗與彈卡室的間隙變小或變無，極易引起拉不動(dòng)內(nèi)管情況，造成提大鉆或其他孔內(nèi)事故的發(fā)生。在每個(gè)回次撈出內(nèi)管總成后，下入之前，都要認(rèn)真仔細(xì)檢查內(nèi)管總成各個(gè)連接部位的絲扣連接情況。

5.3 不進(jìn)尺時(shí)要及時(shí)取心

在破碎地層中鉆進(jìn)時(shí)，破碎巖心經(jīng)常容易卡在卡簧處，即便是高頻脈動(dòng)載荷的液動(dòng)錘敲擊振動(dòng)作用也不能及時(shí)解卡。如不及時(shí)取心，在長時(shí)間孔底回轉(zhuǎn)和沖擊作用下，極易引起卡簧座的碎裂和斷開(如圖6所示)，從而引起提大鉆情況的發(fā)生。在遇到約10 min左右不進(jìn)尺的情況，或者瞬時(shí)更換為較大泵量仍然不進(jìn)尺的情況，要及時(shí)打撈內(nèi)管。

5.4 避免繩索取心液動(dòng)錘的較長時(shí)間空打

圖6 斷裂損壞的卡簧座

由于液動(dòng)錘沖擊功是經(jīng)承沖環(huán)與傳功環(huán)傳遞到外管鉆具和鉆頭上，所以當(dāng)孔內(nèi)鉆具懸空時(shí)或是未接觸孔底大泵量沖孔時(shí)，液動(dòng)錘長時(shí)間的進(jìn)行空打工作，容易引起液動(dòng)錘內(nèi)部錘體的磨損和斷裂，較大沖擊功甚至?xí)⒁簞?dòng)錘鉆具外管與承沖環(huán)接頭的連接處打脫。

6 結(jié)語

中國巖金勘查第一深鉆ZK96－5鉆孔在3000～4000 m孔段的深部施工證明，國產(chǎn)繩索取心液動(dòng)錘能夠在較深的鉆孔中安全使用，不斷地在突破國產(chǎn)繩索取心液動(dòng)錘的使用深度記錄。能有效提高破碎地層和完整地層的各項(xiàng)鉆探經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。表明我國在繩索取心液動(dòng)錘的實(shí)際使用水平處于世界領(lǐng)先。在使用的過程中，如能準(zhǔn)確判斷孔內(nèi)液動(dòng)錘的工作情況，保障沖洗液的凈化和鉆探機(jī)工具的配套，并做為機(jī)臺(tái)常規(guī)配套機(jī)具，將能進(jìn)一步地彰顯繩索取心液動(dòng)錘的先進(jìn)性和優(yōu)越性，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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