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1、复杂地层岩心钻探施工技术总结岩心钻探是在进行固体矿产地质勘探时经常采用的勘探手段之一。在我国，岩心钻探仍然是目前和今后相当长一段时间内地质工作者在进行地质工程勘探时，获取直观地质资料的最主要方式。本文对复杂地层特性和岩心钻探施工方法进行叙述,并就如何进行复杂地层的岩心机械钻探施工技术进行研究，进而提高钻探质量，降低勘探成本，以达到提高找矿效率的目的。一、复杂地层分类根据钻探施工特点及地质情况, 把复杂地层分为以下几类:(一) 松散破碎地层: 主要包括松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。较为典型的有胶结性很差的砂石和石灰岩组成的二叠纪地层, 这种地层含有大量的砂岩, 部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部
2、分卵石。受钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用, 钻探钻孔易发生坍塌、漏失、超径等事故。(二) 水敏性地层: 主要包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化溶蚀煤系地层。（三) 漏、涌水地层: 这类地层钻探施工护孔堵漏难度极大, 漏失分大、中、小漏; 涌水地层一般涌水量为10 m3/h50 m3/h。煤系地层硅质胶结, 灰岩多破碎, 且研磨性大, 构造裂隙较发育, 稳定性较差, 透水性强, 地下水丰富, 承压水力大, 钻孔缩径或涌水时有发生。二、钻探方法和设备的选择（一）钻进方法的选择岩心钻探规程中按岩石硬度的大小分为四类十二级: 软- - 可钻性13级、中硬- - 可钻性46级、硬- - 可钻性79 级、
3、坚硬- - 可钻性1012级; 按研磨性的强弱分为三类: 弱研磨性、中研磨性、强研磨性; 按完整程度分为三类: 完整、较完整、破碎。在具体施工中根据岩石可钻性、研磨性、完整程度等选择磨料和钻进方法。16级和部分7级岩石可选用硬质合金、金刚石、复合片钻进; 4 12 级岩石可选用金刚石回转钻进, 712级岩石也可选用钢粒钻进; 68级岩石可选用硬质合金冲击回转钻进; 612级可选用金刚石冲击回转钻进。严格执行岩心钻探规程的规定是在复杂地层区提高钻探质量的保证。（二）钻孔结构的选择钻孔结构设计和选择直接影响到钻探效率的提高和施工成本的降低, 尤其是在复杂地层区的岩心机械钻探施工。因此, 应充分考虑
4、地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和设备情况, 并合理选择开孔直径、换径次数与深度、套管程序等。根据经验对复杂地层深孔岩心机械钻探施工一般采用130 /110 /91 /75/60多径成孔, 把60mm口径作为技术口径备用, 下部75mm口径采用金刚石绳索取心钻进, 采用优质泥浆护孔。（三）钻探设备的选择应根据钻孔设计深度、钻孔设计倾角、岩层条件、钻进方法以及钻孔设计结构等, 合理地选择钻探设备。应尽量选择电动机动力机。钻探设备包括钻机型号、钻塔类型、联动型号、泥浆泵型号、拧管机型号等要配套, 严格执行岩心钻探规程中规定的钻探常用设备配套标准。三、钻孔弯曲影响因素钻孔弯曲(特别是
5、深钻) 会造成未能按设计穿过矿体或地质层位, 可能歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探密度等, 从而影响对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。通常在复杂地层区岩心机械钻探施工中钻孔弯曲的主要因素是地层因素和钻探工艺因素。四、钻探技术和冲洗液技术（一） 松散破碎地层: 由于在此地层主要采用大径钻具钻进, 增加冲洗液冲孔时的过流断面, 减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孔壁破坏; 同时, 采用优质低固相冲洗液保护孔壁。在特殊孔段下入套管与技术套管的方法, 一般能保证此类地层的稳定。冲洗液各项指标以控制在下列范围为宜: 黏度18 s25 s, 比重1.051.15, 失水量每30
6、min 小于15 mL, 泥皮厚度小于1 mm, 含砂量小于4%,pH值89。(二) 水敏性地层: 此类地层主要是采用钻进冲洗液护孔, 冲洗液的滤液性能和泥皮质量( 或孔壁网状膜结构强度) 是影响孔壁稳定的关键因素。因此, 控制钻井液失水量, 增强泥皮强度或冲洗液在孔壁所形成的高分子网状结构“胶膜”强度, 减少冲洗液中自由水的含量, 降低滤液对岩石的渗透水化和提高滤液对岩石的胶结力是至关重要的。冲洗液通常加入PHP, HPAN, CMC 等聚合物和KHM与植物胶的低固相冲洗液。冲洗液性能为: 失水量小于10 mL, 泥皮厚小于1 mm。（三）漏、涌水地层: 这类地层在钻探施工中难度是最大的。根
7、据岩石结构与长期施工经验, 这类地层的漏失大多由于裂隙漏失和含水量水层层位漏失与松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。目前, 就各钻探施工中堵漏、防涌特点来看, 主要有以下几类方法:胶结堵塞法: 适用于中漏以下和较小的涌水地层。常采用浓泥浆加化学浆液加惰性材料与交联物的堵漏方法, 涌水则加入加重剂, 进行压漏作业。主要配方是浓泥浆中加入质量分数为5010- 6 的PHP, 再加入惰性材料搅拌均匀, 随着钻进可逐渐堵塞漏失通道。水泥堵漏法: 适用于中漏以上的漏失和中等的涌水地层。压力平衡法: 此方法是利用冲洗液的液柱压力平衡地层压力, 以达到孔壁稳定, 保证冲洗液能正常循环的一种方法。它适用于中漏以下及
8、小量涌水的任何孔隙、裂隙地层, 特别是对长孔段漏失和断层裂隙漏失有效。比如在漏失地层使用泡沫泥浆, 在涌水地层使用加重泥浆等。顶漏钻进法: 这种方法多用于不便堵漏或代价太大的长孔段漏失地层。采用这种方法的条件是在孔壁失去平衡的情况下, 裸眼稳定期须能满足施工的要求; 同时, 水源较近, 用水比较方便。套管隔离法: 该法是在其他办法难以达到护孔和堵漏目的时( 特别是处理较大涌水) 所采取的最可靠的办法, 对任何孔深和漏失程度以及涌水都有效, 但由于使用管材和需要停钻进行专门作业, 故多用于浅孔。较深孔段有时先采用S91 绳钻钻进至一定深度, 将钻具留在孔内作为套管, 再改用S75 绳钻钻进。随着
9、科学技术的不断发展和新技术、新材料、新工艺的广泛应用，勘探机械设备的种类也更加齐全，结构更加复杂，对工程机械操作人员的要求也有新的要求。操作人员不仅要懂得工程机械的结构组成、原理、性能、掌握操作技巧，而且还要有工程机械的故障快速诊断和维修能力。因而，完善地质钻探现场设备工具、材料、仪表、仪器和工艺技术配套工作,加大对勘探技术人员的培训力度，是提高钻探经济技术效果和技术水平的重中之重。岩心钻探工程中的绳索取心工艺 近年来， 绳索取心技术不断改进， 其相对于常规钻进工艺的优越性愈加凸显出来， 得以在行业中广泛应用。主要对钻探设备、 钻具选择 及应用中发现的问题进行探讨。岩心钻探的钻孔由以前的 40
10、0600m ,到最近几年的 15002000m , 甚至在未来的施工中还要设计更深的钻孔。 1000m 左右的孔深, 对于石 油、 天然气、 地热等勘查和开采算不上是深孔,但是对于固体勘查的小口 4 实际钻进情况及钻探规程参数掌握 钻压:根据经验公式,P=p A 计算 （其中 p 按金刚石孕镶钻头单位压 力推荐表中,中硬-坚硬间选择:70100kg/cm2;胎体外径 76.5mm、 内径 49mm,水口数量为 10 的绳索取心钻头底面积 A 大约为 20cm2 ,钻压 ） 径岩心钻探来说,已经算得上是深孔了。 深孔的钻探施工,对于钻探设备、 应该在 14002000kg。 由某矿段上部覆盖坚硬
11、致密的混合岩,个别段位甚 管材、 钻探工艺、 冲洗液， 钻探规程和参数、 人员操作方式等等都有不同 至出现钻头 “打滑” 现象,因此,实际钻进的钻压非常高,大约在 3000kg 左 于浅孔施工的要求。 右,甚至还要高些,远远大于经验推荐值;这里存在着一种矛盾,即选择胎 2 钻探设备 我国正规的小口径金刚石岩心钻探设备的专业生产厂家不多,钻机 仅有张家口探矿机械厂、 石家庄煤矿机械厂， 连云港黄海机械厂和无锡 探矿机械厂等生产;泥浆泵仅有衡阳探矿机械厂和吉林地质勘探公司修 造厂等生产。 目前,野外钻探施工应用最广泛的岩心钻机是连云港黄海机械厂生 产的 XY-4 型、其次是张家口探矿机械厂生产的
12、XY-5 型和 XU-1000 型。XY-4 型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用 42 mm 钻杆可 我队以往应用的实际情况是 钻进 1000 m;用 50mm 钻杆可钻进 700m。 使用 50mm 钻杆、 采取普通单管工艺、 91mm 孔径,最深钻进孔深为 720m。其实,还可以继续钻进,但由于单管工艺提取岩心时每个回次都需 要升上孔内全部钻具, 不使用水刹车系统, 钻机的升降系统消耗磨损严 重,对钻机损坏相当大;使用水刹车系统,速度非常慢,效率极低,700 多 m 钻具升降一次需要 4、 个 h ， 5 纯钻利用率极低。2004 年,由于钻探深孔需要, 为了提高钻机能力, 厂家改进了
13、 XY-4 型钻机, 将标准配置为 30 kW 电动机改装为 45 kW 电动机。钻机的技术规格标明该型号钻机可 以安装 2000r/min、功率为 60 马力的 4100 型柴油机,60 马力相当于 44kW ,因此,选用 45 kW 的电动机不算超标。使用如此改造的钻机,采 用 71mm 绳索钻杆、绳索取心工艺、 77mm 孔径,最深孔钻进 1000m 。 XY-5 型钻机的技术规格参数所示钻探能力为:用 50 mm 钻杆,孔 径 56mm 钻进深度为 1500 m;我队 2005 年首次使用 XY-5 型钻机,采 用 71mm 绳索钻杆、绳索取心工艺、 77mm 孔径,最深孔钻进 836
14、 m , 根据实际使用情况采用该设备和工艺可以钻进 11001200 m 的钻孔。 3 钻具级配选择 前几年,由于整个岩心钻探行业的工作量偏低,我国生产配套绳索取心工艺钻探工具及管材的厂家很少,尤其是国家标准化与国际标准的接 轨等工作,笔者认为还不完善。 经过到生产厂家的调研、 考察,结合我单位 钻探工人的工作习惯, 我单位绳索取心工艺采用如下级配: 71mm 绳索取心钻杆 （江西新余生产,材质 45MnMoB ,符合国家标准,按冶金 YS75 标准加工外螺纹 。 ） 74mm 重索钻杆接手 （按冶金 YS75 标准加工接手内螺纹,按金刚 石有限公司标准加工卡槽, 可以使用 NY-3 型拧管机
15、和卡槽式提引器 。 ） JS75 弹卡总成和 JS75 打捞器,为新地质标准:DZ2.1,2.2-87;这里注意的 细节是冶金标准的接手和新地标的弹卡总成上部的短管 （弹卡挡头 的 ） 内外螺纹连接。JS75 弹卡总成由唐山金石超硬材料有限公司生产,该总 成尤其是上扩孔器的设置,笔者个人认为要比 YS 系列更趋合理,长度不 包括岩心管仅为 850mm ,使用更加方便;打捞器的长度为 1300mm。 重索 77mm 扩孔器和重索 76.5mm 金刚石钻头,长度、 螺纹和内 径均按新地标 JS 标准加工,为适应 74mm 接手,扩孔器和钻头外径比 标准加厚 1.5mm。这样, 组成的钻具级配基本是
16、钻杆和钻杆接手按冶金 YS 标准加工螺纹,弹卡挡头以下按新地标 JS 标准配备弹卡总成、 打捞 器、 内外管、 卡簧、 卡簧座、 扩孔器和钻头等。 “打滑” ,钻进效率极低, 体硬度大的钻头,胎体磨损慢,金刚石出露差,甚至 选择胎体软的钻头,效率明显提高,可钻头寿命又大降。较软的可钻性在 6 级左右的岩层,钻压在 2000kg 以下,进尺的速度也很快,时效可达 3m/h ,钻头的使用寿命最高可达 150m。 转速:根据金刚石孕镶钻头适用转数推荐表,可知 75mm 的孕镶钻 头转数在 400850r/min 之间, 配置 1470e/min、 45kW 电动机的 XY-4 型 钻机转数在 101119r/min 之间,完全适合此钻头钻进的转数要求。实际 应用情况是采用慢 4 档即 388r/min 的时候最多, 此时 76.5mm 钻头外 圆的圆周线速度是 1.55m/s,也可采用
