秦承春

（山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂276006）

提高深部鉆探取芯質(zhì)量的技術(shù)方法探討

秦承春*

（山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂276006）

我們在進(jìn)行地質(zhì)礦產(chǎn)勘探的過程當(dāng)中，離不開鉆探、取芯的技術(shù)支持，尤其是在是深部地質(zhì)礦產(chǎn)勘探中，我們唯一能夠依靠的就只有鉆探取芯，通過鉆探取芯可以幫助我們了解深部的地質(zhì)情況和礦產(chǎn)資源情況，這是我們進(jìn)行礦產(chǎn)開發(fā)的前提條件。因此，探討如何提高深部鉆探的取芯質(zhì)量和取芯效率就顯得至關(guān)重要?；谧髡咦陨淼膶?shí)際工作與學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，主要從技術(shù)方法等角度出發(fā)，對如何提高深部鉆探的取芯質(zhì)量和取芯效率提出了部分探討性建議，以期能對我國地質(zhì)礦產(chǎn)勘探事業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。

深部鉆探；取芯；質(zhì)量；效率

1　深部鉆探取芯設(shè)備選擇

通過實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)我們都知道，在進(jìn)行鉆探取芯時(shí)，不論是鉆探取芯設(shè)備還是具體的技術(shù)方法，都可能會對鉆探取芯的效率、質(zhì)量甚至是成本帶來影響。因此，想要提高深部鉆探取芯質(zhì)量與效率，減低鉆探取芯成本，首先應(yīng)合理選擇設(shè)備，在保證設(shè)備性能能夠滿足工程需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對成本的有效控制。

在深部鉆探取芯設(shè)備選擇的過程當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)以下幾點(diǎn)基本原則，合理選擇設(shè)備器具：第一，首先是要對工程施工的目的、條件、技術(shù)要求等，合理選擇鉆機(jī)類型。在確定鉆機(jī)類型后，再合理選擇配套的其他器具，例如動力機(jī)、鉆塔和泥漿泵等等；其次，選擇鉆機(jī)類型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇立軸行程較大、變速范圍較寬和重心較低的鉆機(jī)類型；第三，鉆機(jī)盡量通過電能驅(qū)動，而且為了確保鉆機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，應(yīng)當(dāng)為鉆機(jī)配備發(fā)電機(jī)組；第四，要確保所有的設(shè)備、器具都符合行業(yè)或國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這既可以確保鉆探取芯的質(zhì)量與效率，同時(shí)還可以保障施工的安全性；第五，要考慮選擇同類廠家系統(tǒng)總成、部件等是否有互換性的生產(chǎn)設(shè)備；第六，在繩索取芯鉆進(jìn)過程當(dāng)中鉆桿的質(zhì)量能性能至關(guān)重要，它緊緊關(guān)系著鉆進(jìn)的效率和安全，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況合理宣傳繩索取芯鉆桿管材，常見的2種繩索取芯鉆桿管材性能如表1所示，在實(shí)際的施工過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)需求選擇最合適的鉆桿管材。

表1　常用繩索取芯鉆桿管材性能

當(dāng)前，國際上較為流行的深部探礦設(shè)備主要采用長行程全液壓動力鉆機(jī)進(jìn)行取芯，該類設(shè)備的啟動與停止都是非常平穩(wěn)的，行程較長，動作調(diào)控方便，在斜孔鉆探取芯工程中具有明顯優(yōu)勢。繩索取芯鉆進(jìn)時(shí)，取芯和加鉆桿時(shí)具有無須將鉆桿提離孔底的優(yōu)點(diǎn)，特別是在復(fù)雜地層中，這種鉆探設(shè)備優(yōu)勢更加明顯。而當(dāng)前我國應(yīng)用最廣的深部鉆探設(shè)備是機(jī)械傳動和液壓控制的立軸巖芯、礦芯鉆機(jī)和以金剛石繩索取芯為主體的鉆探器具。該類設(shè)備主要具有可靠實(shí)用、成本較低、結(jié)構(gòu)和維護(hù)簡單、操作簡便等特點(diǎn)。它在構(gòu)成相對簡單的深部地層中進(jìn)行鉆探取芯能夠取得較好的質(zhì)量效果，但是如果深部地層較為復(fù)雜，則在取芯的過程中，必須將鉆具提離孔底較大距離，容易導(dǎo)致孔底坍塌掉塊和鉆頭重復(fù)破碎造成巖芯、礦芯堵塞，會對取芯質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響。因此，如何提高我國未來地質(zhì)找礦鉆探效率并降低成本，開發(fā)利用機(jī)械傳動液壓控制長行程立軸式不停車倒桿巖芯、礦芯鉆機(jī)，采用無主動鉆桿于機(jī)上加桿，配套高效節(jié)能繩索取芯及空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探技術(shù)手法，是鉆探取芯技術(shù)未來發(fā)展的主要方向之一。當(dāng)然，在過程中，由于國外設(shè)備價(jià)格相對較高而導(dǎo)致國內(nèi)難以大量購置利用，間接影響找礦鉆探取芯工作的完整性和連續(xù)性，從而某中程度上影響了找礦成果［1］。

2　鉆探取芯施工工藝和方法優(yōu)化要

目前使用的常規(guī)鉆探取芯方法可以滿足淺部比較完整或不很嚴(yán)重破碎的基巖以及泥巖等地層取芯的質(zhì)量要求。對于砂卵石覆蓋層、軟酥脆巖層、破碎的擠壓破碎帶、基巖的斷層帶、軟弱夾層等這類結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地層，則必須經(jīng)過采用特殊的工藝技術(shù)措施和特殊的工具才能滿足取芯的質(zhì)量要求。所以，為了確保復(fù)雜底層鉆探取芯效率和質(zhì)量，對鉆探施工工藝和方法的優(yōu)化迫在眉睫［2］。

除了提高對各種地層鉆探取芯施工工藝和方法外，在鉆探取芯過程中，特別是深部鉆探的巖芯、礦芯提取中，對鉆具的優(yōu)化使用也是非常關(guān)鍵的。采用合適的鉆具在不同的地質(zhì)環(huán)境中能最大限度地提高鉆探巖芯、礦芯采取率。深部鉆孔施工過程中影響巖芯、礦芯采取率的取芯鉆具有3個(gè)方面：鉆具的種類、結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量等。鉆具包括單管鉆具、孔底反循環(huán)鉆具、單動雙管鉆具等。其中單管鉆具只在巖層完整和對取芯質(zhì)量無嚴(yán)格要求的地層中使用，孔底反循環(huán)鉆具存在巖芯、礦芯嚴(yán)重分選和混亂等缺陷，現(xiàn)在在施工中已經(jīng)很少應(yīng)用。單動雙管鉆具所用的鉆頭有電鍍金剛石鉆頭、熱壓孕鑲金剛石鉆頭、硬質(zhì)合金鉆頭和復(fù)合片鉆頭等。一般情況下，在深部鉆孔的施工中應(yīng)該根據(jù)巖石的不同特征，選擇相適應(yīng)的鉆頭類型、設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，這樣才能獲得較好的巖芯、礦芯采取效果，繩索取芯金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)常見配置如表2所示［3］。

表2　繩索取芯金剛石鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)常見配置

選擇鉆具類型和設(shè)計(jì)參數(shù)的基本要求是要能夠鉆進(jìn)速度快，鉆進(jìn)中不易堵巖芯、礦芯，不因切削具的振動而破碎巖芯、礦芯，磨損巖芯、礦芯等。實(shí)踐證明如果選擇的鉆頭進(jìn)尺快，巖芯、礦芯在鉆頭處停留的時(shí)間就短，被沖洗液沖刷的時(shí)間也就短；鉆頭設(shè)計(jì)的內(nèi)徑磨損小，不呈喇叭口，保徑效果好，在鉆探施工過程中就不易堵巖芯、礦芯，就能避免巖芯、礦芯自磨；硬質(zhì)合金雙管鉆頭和復(fù)合片鉆頭不設(shè)計(jì)內(nèi)出刃，這樣在軟巖中鉆進(jìn)不會因?yàn)殂@具的晃動使巖芯、礦芯直徑變小；如果選用硬質(zhì)合金鉆頭和復(fù)合片鉆頭在某些硬度不高的脆性巖層中鉆進(jìn)，就會因?yàn)檎駝虞^大，巖芯、礦芯破碎呈小顆粒狀和砂礫狀而無法卡?。ㄈ绱罄韼r、硅質(zhì)巖、白云巖等）。上述施工工藝和方法都對深部鉆孔取芯質(zhì)量有重大影響［4］。

3　實(shí)例分析

3.1工程概況

某探礦工程監(jiān)測站布置工程地質(zhì)取芯鉆孔1個(gè)，深度1200m，目的是查明1200檢測深度范圍的工程地質(zhì)背景，并建立1200m以淺地層巖性剖面，供科普教育以及永久性展覽［5］。該1200m工程地質(zhì)取芯鉆孔屬于深部鉆探，主要是對礦區(qū)地質(zhì)進(jìn)行探測，為了確保地層分層的準(zhǔn)確性，巖芯采取率要求較高，粘性土為90%以上，砂性土70%以上。同時(shí)要保證所采取的原狀土樣不被擾動，以保證室內(nèi)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性。另外，取芯結(jié)束后，該鉆孔要擴(kuò)孔建成1200m分層標(biāo)，因此，要求終孔時(shí)鉆孔垂直度不大于1°。

3.2取芯鉆探工藝的研究改進(jìn)

綜合考慮該地區(qū)的地層特性，在研究分析目前普遍采用的單管干鉆投球鉆探取芯工藝?yán)椎幕A(chǔ)上，針對本工程鉆探取芯技術(shù)要求，技術(shù)人員嘗試性地實(shí)施了“孔內(nèi)攪拌泥漿”、不采用護(hù)壁管、對常規(guī)的取芯工具進(jìn)行研究改良等措施，不僅高標(biāo)準(zhǔn)地完成了該項(xiàng)目鉆孔取芯要求，而且節(jié)約了成本。各項(xiàng)研究改良措施分述如下。

（1）鉆孔內(nèi)攪拌泥漿護(hù)壁法。該1200m超深地質(zhì)鉆孔所處的構(gòu)造區(qū)內(nèi)，淺部地層松散、液化流變性強(qiáng)，成孔過程中易出現(xiàn)傾斜、坍塌等鉆探事故，按常規(guī)需下入護(hù)壁套管至正常固結(jié)的地層（20m以下）［6］，在保證鉆孔垂直度的同時(shí)，進(jìn)行人工護(hù)壁。

技術(shù)人員在仔細(xì)分析研究工作區(qū)地層條件后，提出采用孔內(nèi)泥漿攪拌法，不下護(hù)壁管的技術(shù)措施，即：?l10mm口徑取芯鉆進(jìn)20m后，先采用?140mm口徑鉆頭擴(kuò)孔至20m，然后采用?400mm口徑的六翼螺旋鉆頭擴(kuò)孔至15m，預(yù)留小徑孔段5m，用于二次開孔鉆進(jìn)。大泵量沖孔、清孔后，回填優(yōu)質(zhì)高嶺土至孔口。當(dāng)高嶺土徹底浸透后，再采用?400mm的六翼螺旋鉆頭自上而下在孔內(nèi)攪拌，高嶺土在充分的攪拌過程中擠向孔壁形成人工護(hù)壁層。在攪拌時(shí)要嚴(yán)格控制水泵泵量，同時(shí)加入純堿、聚丙烯酰胺等泥漿添加劑，控制泥漿性能指標(biāo)：粘度20～23s、比重1.03～1.05g/cm2、pH值7.5～8.5，在孔內(nèi)形成優(yōu)質(zhì)泥漿。施工過程中應(yīng)確?？變?nèi)泥漿液面高度不能低于孔口0.5m，防止因壓差造成孔內(nèi)坍塌（孔內(nèi)攪拌泥漿護(hù)壁過程見圖1）。

圖1　孔內(nèi)攪泥漿護(hù)壁過程示意圖

孔內(nèi)攪拌泥漿護(hù)壁的方法，保持了孔壁的完整性，節(jié)約了護(hù)壁管的投入資金，工藝操作簡單可行，同時(shí)大大縮短了鉆探周期。在長達(dá)3個(gè)月的鉆探過程中，沒有出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象，證明該項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)是非常成功的。

3.3鉆探取芯鉆具的改進(jìn)

（1）異徑接頭鉆具的改進(jìn)。平原凹陷區(qū)內(nèi)地層松散，流變性強(qiáng)，易沖蝕，易擾動，巖芯采取率較低，尤其以天津?yàn)I海新區(qū)地層為代表。為保證巖芯采取率，對取芯鉆具的異徑接頭在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究改良。改進(jìn)后的異徑接頭外徑?l27mm，成梯形，最小端?110mm。內(nèi)中心孔為盲端，與水平方向均布的4個(gè)?l5mm的小孔相連通，能分散并減小泥漿對巖芯管內(nèi)巖芯的沖射，使高壓泥漿不直接沖蝕巖芯，有效地保證了巖芯的完整性。

（2）取芯鉆頭的改進(jìn)。針對項(xiàng)目的要求，對常規(guī)采用的硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)［7］。改進(jìn)后鉆頭直徑為?130mm，長度150mm，有4個(gè)月牙形的出水口，高度10mm，外肋骨4個(gè)，厚度5mm，內(nèi)出刃直徑3mm，底出刃2mm。與傳統(tǒng)的合金肋骨鉆頭相比較：改進(jìn)后的鉆頭，減小了鉆頭底面積，縮小了鉆頭對地層的切削面，減小了取芯過程中對巖芯的磨損及擾動，同時(shí)縮短了鉆進(jìn)時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率及巖芯采取率。

（3）巖芯保護(hù)罩。為切實(shí)保護(hù)巖芯管內(nèi)的巖芯不被擾動，同時(shí)提高鉆進(jìn)巨厚砂層時(shí)的巖芯采取率，研究設(shè)計(jì)了巖芯保護(hù)罩。巖芯保護(hù)罩長度300mm，外徑?114mm，材質(zhì)為硅膠。外徑大于取芯鉆頭內(nèi)出刃對角距離，保證其在下鉆過程中不掉入孔底。在鉆進(jìn)取芯過程中，巖芯不斷進(jìn)入巖芯管中，保護(hù)罩隨之升高，保護(hù)罩使巖芯不會被射流沖走，對沖洗液起緩沖作用，使沖洗液不直接沖蝕巖芯，提高采取率的同時(shí)，有效地保證了巖芯不被擾動。

4　結(jié)語

在現(xiàn)代環(huán)境條件下，礦產(chǎn)決定著一個(gè)國家在多方領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是生產(chǎn)制造和科研創(chuàng)新等領(lǐng)域，都不離不開礦產(chǎn)資源的支持，所以地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作就顯得至關(guān)重要，因?yàn)榈刭|(zhì)礦產(chǎn)勘探是礦產(chǎn)開發(fā)的前提條件。可靠準(zhǔn)確的地質(zhì)礦產(chǎn)勘探工作能夠提供準(zhǔn)確的地質(zhì)和礦產(chǎn)資源信息，從而能夠?qū)ΦV產(chǎn)資源的價(jià)值進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。因此需要不斷提高深部鉆探的質(zhì)量和效率，為礦產(chǎn)資源開發(fā)提供科學(xué)、準(zhǔn)確且具有價(jià)值的參考資料。

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1004-5716（2016）01-0017-04

2015-11-10

2015-11-13

秦承春（1980-），男（漢族），山東臨沂人，工程師，現(xiàn)從事探礦工程、巖土工程等施工與技術(shù)管理工作。