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1、多工艺空气潜孔锤钻进技术在 矿区勘察中的应用 2009.3.29 吉林大学建设工程学院 2009-3-29 研究意义和背景 多工艺空气潜孔锤钻进技术是当今世界范围内最 有发展前景和广泛应用的钻探与施工技术之一。它采 用压缩空气作为动力介质和冲洗介质，采用冲击回转 钻进工艺碎岩。 本项目对复杂地层勘探技术进行深入研究，采用 多工艺潜孔锤钻进技术的集成化，综合治理，针对地 层变化，采取相适应的钻进方法和钻进工艺，解决河 南栾川钼矿极复杂地层中的面临的生产勘探难题。同 时，也为解决复杂地层钻探技术难题提供了新的思路 。 一. 研究的意义和背景 2009-3-29 复杂地层是指受地质构造运动，使岩层产
2、生节 理、裂隙、裂缝、断层；以及受外力作用影响，产 生了不同程度的孔内坍塌、漏失和漏、涌、塌同时 发生的现象，复杂地层勘探也是钻探界的一项技术 难题。 复杂地层地质勘探 一. 研究的意义和背景 2009-3-29 河南栾川钼矿是亚洲最大的露天钼矿之一。矿区内的地 质结构复杂，岩层间夹有松散的破碎带，更为严重的是爆破 或空区塌陷造成孔内裂隙纵横交错、严重漏失，属于典型的 硬、碎、碎、坍、塌、漏的复杂地层。 该矿区最早采用地下开采，无序的开采所形成的地下空 区星罗密布。目前已转为露天开采，近年来随着开采平面越 来越接近采空区，空区塌陷时有发生，使本已复杂的地层更 加严重，也使勘探工作变得更加困难。
3、 采用常规钻探技术或单一的钻探方法无法进行勘探施工 ，因此，解决该矿区的复杂地层钻进技术难题，对提高钻探 技术水平具有重要意义，也对类似复杂地层的勘探起到示范 作用。 二. 矿区概况 矿山概况 2009-3-29 雄伟广袤的三万吨采矿场一角 2009-3-29 河南栾川钼矿区露天采矿场 2009-3-29 露天采矿大爆破 2009-3-29 钼矿区复杂的地层情况 塌方区 2009-3-29 1. 解决矿区复杂地层存在的钻探技术难题，提 高钻孔成孔率，探明下部地层存在的采空区和盲 空区，及时排除生产过程中存在的安全隐患； 2. 探明露天开采设计区域内矿体产状、空间位 置、矿石质量及夹石分布情况，
4、为计划生产提供 详实的地质资料。 矿区勘探主要目的 二. 矿区概况 2009-3-29 地质勘探钻孔任务设计 勘探网度2525m， 钻孔分布在多个水平面上 ，钻孔每2m取一个样，用于钼矿品位分析，并 提供地下采空区顶、底板准确深度。钻孔设计深 度60100m不等，钻过空区为止。 二. 矿区概况 2009-3-29 岩石 名称 容重 （g/cm3 ） 吸水率 （%） 抗压压 强度 （MPa） 弹弹性常数 （GPa） 抗拉强度 （MPa） 抗剪强度 （MPa） 可钻钻 性 研磨 性 石英岩2.682408010302060IXV 透辉辉岩3.42806010304VIIV 矽卡岩3.210.191
5、24808.71.8IXV 斜长长岩2.960.3144608.91.3VIIIV 矿区内岩石的物理性质 二. 矿区概况 矿区内的岩石可钻性达79级，研磨性达5级， 是典型的硬、脆、磨地层。 2009-3-29 矿区内存在的钻探技术难题 二. 矿区概况 1. 地层构造结构复杂，岩石可钻性在810级，且研磨性 强，钻进效率低钻具、磨损严重、 ； 2. 地层裂隙发育，空区塌方区分布面积较大，该区域内所 形成的塌陷状地层结构极其复杂，钻孔施工过程中，坍塌、掉 块、漏失情况时有发生。为典型的“难成孔、难钻进、难取样 ”地层； 3. 矿区生产进度较快，需要相应的高效率的勘探手段进行 超前勘探、分析化验样
6、品，从而指导现场的生产。 2009-3-29 贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术 潜孔锤跟管钻进技术 CSR中心取样钻进技术 三. 钻探工艺方法的选择 钻探工艺方法 综合对比分析，多工艺空气潜孔锤钻进技术能有效 地解决该矿区钻探的“三难”问题，是露天矿山地质勘 探的首选钻探工艺方法。 2009-3-29 该技术集潜孔锤冲击回转高速碎岩钻进、流体 介质（气、液、固多相介质）全孔反循环、钻进 过程中连续获取岩矿心（样）三项钻孔工艺于一 体，是一种先进的钻探技术。 贯通式潜孔锤反循环技术概况 三. 钻探工艺方法的选择 2009-3-29 双通道钻杆 排渣管 双通道气水龙头 反循环取芯钻头 进气
7、管 反循环机理 2009-3-29 底喷孔钻头（上）内喷射孔钻头（下） 流场模拟效果图 三. 钻探工艺方法的选择 2009-3-29 底喷孔取样钻头 内-底喷孔取样钻头 内喷孔取样钻头 模拟试验证明： 具有内喷射孔的反循环钻头更适用于复杂地层 三. 钻探工艺方法的选择 2009-3-29 1、空气反循环钻进、利于环保； 2、配合使用贯通式潜孔锤，钻进效率高； 3、不提钻连续取芯、排渣流畅、岩心质量好； 4、可压缩流体热膨胀性冷却钻头效果好； 5、空气作为流体介质，更适合矿山作业。 三. 钻探工艺方法的选择 贯通式潜孔锤反循环技术特点 2009-3-29 三、理论研究与实验研究 空区坍塌地层极其
8、复杂，导致孔内事故 频发（如：塌孔、掉块、埋钻），为预防 该类事故的发生，采取的主要技术手段之 一就是：跟管钻进，即边钻孔边下入套管 护壁，确保安全、快速的穿过上部破碎地 层并保护孔壁后，再采用其他钻进方法继 续施工。 偏心跟管钻进技术 2009-3-29 三. 钻探工艺方法的选择 2009-3-29 CSR中心取样钻进技术 1.可配备普通高风压潜孔锤，钻具结 构简单，钻进效率高； 2.局部反循环，完整地层取心率高； 缺点： 1.孔底1m多正循环，可能造成混样。 2. 地层漏失时无法取样； 2009-3-29 四.钻探设备和机具 2.5MPa/25m3 空压机 GSDII型钻 机 2009-3
9、-29 反循环钻具 （1）贯通式潜孔锤反循环钻具系统 主要包括：双通道水龙头、双壁钻杆、贯通式潜孔锤、专用反循环钻头。 其钻具组合： a）SBZ-89/43双壁钻杆+GQ89/28潜孔锤+95（93）反循环钻头； b）SBZ-89/43双壁钻杆+GQ108/43潜孔锤+115反循环钻头； c）SBZ-89/43双壁钻杆+GQ127/43潜孔锤+150反循环钻头。 GQ89潜孔锤和SBZ89双壁钻杆 四.钻探设备和机具 2009-3-29 取样钻头取心钻头 四.钻探设备和机具 2009-3-29 1-盖板；2-鹅颈弯管；3- 上球轴承；4-轴向密封圈 ；5-进气口；6-下球轴承 ；7-外管；8-
10、内管；9-下 法兰；10-下壳体；11-进 风套；12-上壳体。 双通道气水龙头 四.钻探设备和机具 2009-3-29 （2）CSR钻具系统 为了能与SBZ-89/43型双壁钻杆相匹配，选用HCD34型潜孔锤，并设 计加工了实现反循环的交叉接头。其钻具组合：SBZ-89/43型双壁钻杆 +95（93、90）交叉接头+HCD34型普通高风压潜孔锤+95钻头。 CSR 钻具 四.钻探设备和机具 岩样入口 2009-3-29 跟管钻具 （2）跟管钻具 跟管钻具包括钻具和套管。钻具选用偏心跟管组合：115导向钻头 +151偏心钻头+127管靴+126导向器+HCD44潜孔锤+SBZ89/43双壁 钻
11、杆。 跟管钻具 四.钻探设备和机具 2009-3-29 套管 四.钻探设备和机具 2009-3-29 拔管机 拔管机的最大起 拔力为50KN、起 拔行程500mm； 通孔直径 168/178mm。 四.钻探设备和机具 2009-3-29 四. 应用效果 地层概况 该矿区属于典型的硬、脆、碎、磨、漏、易漏失复杂地层。 2009-3-29 完整地层取心钻进 良好的反循环效果 2009-3-29 反循环上返的岩心 2009-3-29 钻进现场 坚硬、破碎地层取样钻进 2009-3-29 复杂的工作环境 坚硬、破碎地层取样钻进 2009-3-29 坚硬、破碎地层钻进试验 2009-3-29 反循环上返
12、的岩样 2009-3-29 破碎、松散地层钻进 矿山主干路 2009-3-29 2009-3-29 前期试验存在的问题 1. 地层破碎严重，孔内频繁发生坍塌、掉块。采用非 外平贯通式潜孔锤钻具组合时，发生埋钻事故； 2.采用 89mm外平式钻具时，钻进效果良好，但因塌 孔容易引发的夹钻事故，而钻机扭矩和提升能力不 足； 3. 坍塌地层岩石坚硬，研磨性强，钻头磨损严重，单独 采用GQ89潜孔锤钻进，效率低，钻具寿命短。 2009-3-29 2009-3-29 GSDIII 2009-3-29极复杂孔ZK2152 2009-3-29 2009-3-29 跟管钻进试验研究 跟管钻进现场 2009-3
13、-29 2009-3-29 2009-3-29 跟管钻进试验钻进试验 情况 孔号孔深（m）套管深度（m）套管直径（mm） TK-0140.025.5146 TK-0239.028.5146 ZK215264.59.0146 ZK901196.015.0146 ZK901296.019.5146 ZK911299.018.0146 ZK9013100.221.0146 TK020121.012.0146 TK020211.07.5146 TK10917.57.5146 TK00119.012.0146 TK-09013016.0 146 TK-09023219.5 146 TK-09031412
14、.0 146 TK-090419.515.0 146 TK-0905229.0 146 跟管钻进试验数据 2009-3-29 四、生产性试验研究 空区勘探及处理 空区勘探与探测测 2009-3-29 四、生产性试验研究 空区处理后塌陷现场 2009-3-29 空区探测数据 孔号 实际实际 孔深(m) 空区 顶顶板 (m) 空区 底板(m) 空区 高度(m) 孔号 实际实际 孔深(m) 空区 顶顶板 (m) 空区 底板(m) 空区 高度(m) TK0140.040.059.519.5TK10917.517.524.06.5 TK0239.039.075.034.0TK00119.019.019.
15、50.5 TK0415.015.02.217.2TK00251.551.554.53.0 TK0542.042.068.026.0TK00334.534.555.521.0 TK0645.045.058.013.0TK00448.048.061.013.0 TK0814.014.016.62.6TK00535.035.045.010.0 TK0971.071.086.515.5TK00710.510.511.00.5 TK1042.042.054.612.6TK0089.09.010.01.0 TK020121.021.0243.0TK09023232397 TK020211.011.012.
16、31.3TK09031414151.0 TK260147.047.049.02.0TK090419.519.520.51.0 TK260233.533.548.014.5TK09052222264.0 2009-3-29 结合河南栾川钼矿具体地层情况，采用了以 空气作为循环介质，以贯通式潜孔锤反循环钻进 技术为主、辅以跟管钻进、CSR钻进的集成化钻 进技术，在常规钻进方法无法成孔的复杂地层进 行了生产性试验，完成了44个钻孔，其中有24个 钻孔钻遇空区，最大采空区高度34.0米，累计完 成2080米的试验性生产工作量，为矿区安全生产 和生产计划提供了十分重要的地质资料，取得了 显著的经济效益和社会效益。 试验结果 2009-3-29 五、项目研究成果 研究成果 一、以贯通式潜孔锤反循环钻进技术为主、辅以跟管钻进技 术、CSR钻进技术的集成化钻进技术，摸索出一套适合矿区 地层的钻进工艺方法，有效解决了矿区复杂地层钻进技术难 题。使钻进成孔率达100%，较常规方法提高一倍以上，岩样 采取率达9
