繩索取芯液動錘在新疆和靜縣鐵銅多金屬礦復雜地層鉆探中的應用

余桂紅，趙尊亭，余東山，李曉丹

（河南地質礦產勘查開發局第三地質勘查院，河南洛陽471000）

繩索取芯液動錘在新疆和靜縣鐵銅多金屬礦復雜地層鉆探中的應用

余桂紅*，趙尊亭，余東山，李曉丹

（河南地質礦產勘查開發局第三地質勘查院，河南洛陽471000）

新疆和靜縣鐵銅多金屬礦區巖石破碎強烈，繩索回轉鉆進經常出現內管巖芯堵塞，打撈頻繁現象，造成鉆探效率低下。采用繩索液動錘沖擊回轉鉆進，不但提高了鉆探效率，而且鉆孔質量好，鉆頭壽命長，取得了良好的經濟與社會效益。

巖石破碎；繩索取芯液動錘；沖擊回轉鉆進

新疆和靜縣鐵銅多金屬礦預詳查項目是新疆新興鑄管巴州兆融礦業公司投資的地勘項目，地質勘查工作河南省地質科學研究所承擔，鉆探施工任務由河南地礦局地勘三院承擔。其中鉆探設計工作量3480m，鉆孔6個，設計最深孔850m。

1 礦區概況

1.1 交通與地理位置

主要施工區位于和靜縣鞏乃斯鎮阿爾先溝村，距離縣城較遠，出村為砂石公路，砂石公路向南20km與G218國道相連，但到工區仍有10km陡峻山丘，無路可行，給施工帶來不便。

1.2 地層與構造

該礦區巖石破碎強烈，多呈裙狀分布于陡峭的山峰腳下。區域上斷裂構造發育，斷裂主要呈北西西—南東東向展布。礦區內以閃長巖，石英巖和二長花崗巖為主要巖體，巖石硬度達到Ⅷ級以上。

礦區地層由老到新依次有：下石炭統大哈拉軍山組（C1d）、艾肯達坂組C1ak）、阿克沙克組（C1a），上石炭統伊什基里克組（C2y），上二疊統鐵木里克組（P2tm）以及早侏羅統八道灣組（J1b）。

第四系：在工作區山前、溝谷及高山地帶分布，主要有更新統殘坡積層（Qpesl）、更新統冰川沉積層（Qpgl）、全新統沖洪積物（Qhpal）等。

2 繩索鉆進中存在的問題

因地層破碎強烈，導致繩索鉆進施工中出現以下問題，這些問題也是重點解決問題，同時也是采用繩索取芯液動錘鉆進的合理理由。

（1）鉆探效率低：因地層破碎強烈，用繩索回轉鉆進經常出現堵芯現象，回次進尺少，打撈頻繁，純鉆進時間低，臺鉆效率低，巖芯采取率低。繩索取芯鉆探用的鉆頭底唇面較厚，克取巖石面積較大，鉆進效率相對較低，尤其在堅硬致密打滑地層，鉆進效率尤其低下。

（2）鉆頭壽命短：因地層破碎，回轉鉆進鉆頭磨損大，從而壽命短。

3 SYZX75繩索取芯液動錘的成功應用

3.1 SYZX75繩索取芯液動錘結構

該工區采用中國地質科學研究院勘探技術研究所生產的SYZX75型繩索取芯液動錘。鉆具分為雙管和打撈器2部分（見圖1）。

（1）雙管部分：雙管包括外管總成和內管總成。外管總成含彈卡擋頭、彈卡室、上擴孔器（上扶正環）、上外管、承沖環接頭（內裝承沖環）、下外管、下擴孔器（內裝下扶正環）和鉆頭等；內管總成包括打撈、彈卡、沖擊器（YZX液動錘）、傳功和到位報信、緩沖、單動、上下分離、調節、巖芯容納及卡取巖芯和扶正等機構。

（2）打撈器部分：打撈器與同規格繩索取芯打撈器相同，故略去。

3.2 SYZX75繩索取芯液動錘工作原理

由水泵送入的沖洗液經由鉆桿內孔流入內外總成間隙，通過彈卡架的4個長條孔進入液動錘后由上噴嘴噴出形成高速射流，其卷吸作用將上缸套上腔介質抽往下腔，上腔迅速降壓，同時由于下噴嘴的節流作用使得上缸套下腔的壓力升高，推動上閥上行至上限；進入下腔的液流經下噴嘴高速噴出，同樣由于卷吸作用使沖錘（上活塞、下活塞和沖垂體三件的組合體簡稱沖錘）腔內壓力下降，而下活塞底部由于水路被堵塞，壓力升高，形成壓差，使沖錘上行抵達行程上限，上活塞頂部與上閥下端接觸關閉水路，至此回程結束。水路關閉時形成水擊，上缸套上腔壓力迅速增加，下腔壓力急劇下降，壓力差推動沖錘和上閥向下運動。上閥抵達行程下限后停止，沖錘在慣性和（閥、錘分開后沖洗液路暢通的）液流共同作用下，繼續向下運動直至沖擊錘軸上端將沖擊能量輸出，形成一個工作周期。傳功機構將沖擊功傳到鉆頭上，提高鉆進效率。

圖1 SYZX75型繩索取芯液動錘結構示意圖

3.3 繩索取芯液動錘破巖機理與優點

3.3.1 提高鉆探效率 鉆孔質量好

沖擊回轉鉆進是在鉆頭承受一定靜荷載的基礎上，以縱向沖擊力和回轉切削力共同破碎巖石的方法。沖擊使接觸應力瞬間達極限，應力集中，巖石產生裂紋，沖擊速度快，巖石脆性強，裂紋發育就越大。因此面對堅硬地層和致密打滑地層可提高鉆進效率。另外被破碎的巖石在高頻沖擊力作用下能迅速、順利、較完全地通過卡簧進入內管，防止巖芯堵塞，回次進尺高，純鉆時間長，輔助時間短，巖芯采取率高，鉆孔質量好。

3.3.2 鉆頭壽命長

沖擊回轉鉆進，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；還由于沖擊回轉鉆進泵量大，沖洗液對鉆頭具有較強的沖飾性；高頻脈動沖擊載荷是金剛石切削刃“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鉆進時低，造成金剛石出刃比回轉鉆進時大，一方面有利于載荷“吃入”巖石，提高碎巖效果；另一方面造成回轉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，從而彌補了金剛石出刃量大，支撐胎體減弱所產生弊端。沖擊回轉鉆進，孔底沖洗液流量大，呈高頻脈動沖擊流動狀態，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大，攜帶巖粉、冷卻鉆頭能力強，減少了巖粉粘附和重復破碎，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，巖芯順利進入內管，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，只要液動錘工作正常，參數匹配合理，用常規鉆頭就能獲得理想的鉆進效果，鉆頭不會因高頻脈動沖擊載荷而發生磨損和損壞。

3.4 繩索鉆進與繩索液動錘鉆進應用效果對比

3.4.1 鉆進效率大幅提高

由于首次在該礦區施工，對地層了解少，前期施工鉆孔采用繩索鉆進，鉆進效率較低，后來采用繩索取芯液動錘（SYZX75）后，效率大大提高。各孔鉆進方法與 工期對比如表1所示。

表1 鉆孔鉆進方法與工期統計表

從表1可以看出，同樣破碎地層，粗略計算，ZK1600孔采用繩索液動錘鉆進，用48d就完成了800.98米的孔深，平均每天進尺16m；而ZK1505孔單純采用繩索鉆進，854.53m的孔深用了87d完成，平均每天進尺10m。效率方面，前者是后者的1.6倍，所以，采用繩索液動錘鉆進，純鉆時間長，輔助時間短，打撈次數少，鉆進效率大大提高，能提高60%左右。

3.4.2 鉆孔質量好鉆頭壽命長

以ZK1600鉆孔為例說明。

該孔處在多發地震帶上，地層破碎、坍塌并且漏水嚴重，給施工帶來極大的不便。施工前18d（2013-07-21～08-07），繩索鉆進鉆遇破碎巖層,巖芯易堵塞,在后續鉆進中,如果還用繩索鉆進,必將出現頻繁撈取內管現象,這樣會使輔助時間大量增加,純鉆進時間少,嚴重影響鉆探效率;同時巖芯采取率低，影響鉆孔的質量;另外鉆頭承受較大壓力與較高轉速,再加上粗顆粒的磨損，鉆頭壽命短。針對上述情況，項目部決定采用繩索取芯液動錘鉆進方法。

該孔2013年8月8日改用繩索取芯液動錘鉆進工藝，施工中鉆進時效與回次進尺大幅提高，單班進尺最低鉆進15m，最高單班進尺23m（12小時制）；取芯率也達到95%以上（見圖3）；另外鉆頭壽命也提高了70%（見表2）。該孔于2013年9月7日終孔，鉆孔質量被評為優質孔，獲得了甲方好評。

表2 ZK1600鉆孔繩索和繩索液動錘鉆進施工效果對比表

3.5 繩索液動錘鉆進注意事項

（1）液動錘各部件制造精細，易磨損件多，因此，要求泥漿含砂量低。施工中應加長泥漿循環槽，在循環槽中間多做幾個沉淀坑，勤撈砂，最好配備除砂器。

（2）每次提鉆一定要認真檢查液動錘各零部件，及時更換易損件。

（3）為了減少磨損，在投入內管總成前，應在上、下活塞密封處涂抹黃油。

（4）定期檢查傳動環外徑、承沖環內徑的磨損情況，比設計尺寸間隙（0.05～0.15mm）大0.2～0.3mm時應予以更換。

（5）定期檢查下活塞沖擊面上的4個起振槽深度，若磨損變淺后，應用砂輪加深加寬，否則會影響液動錘啟動。

（6）檢查繩索取芯液動錘的絲扣連接情況：由于液動錘傳遞的是高頻脈動載荷，內管總成各絲扣連接部分容縣出現倒扣或者松動，引起內管總成彈卡鉗與彈卡室的間隙變小或變無，極易引起拉不動內管情況，造成提大鉆或其它孔內事故的發生。在每個回次撈出內管總成后，下入之前，都要認真檢查內管總成各個連接部位的絲扣連接情況。

圖2 繩索鉆進巖芯

圖3 繩索液動錘鉆進巖芯

（7）不進尺時要及時取芯：在破碎地層中鉆進，破碎巖芯經常容易卡在卡簧處，即便高頻脈動載荷的液動錘敲擊振動作用也不能及時解卡。如不及時取芯，在長時間孔底回轉和沖擊作用下，極易引起卡簧座的碎裂和斷開，從而引起提大鉆情況發生。在遇到約10min左右不進尺的情況，或者瞬時更換為較大泵量仍然不進尺的情況，要及時打撈內管。

（8）避免繩索取芯液動錘較長時間空打：由于液動錘沖擊功是經承沖環與傳功環傳遞到外管鉆具和鉆頭上，所以當孔內鉆具懸空時或是未接觸孔底大泵量沖孔時，液動錘長時間的進行空打工作，容易引起液動錘內部錘體的磨損和斷裂，較大沖擊功甚至會將液動錘鉆具外管與承沖環接頭的連接處打脫。

（9）卡簧座、內管和內管總成的上部連接必須同軸；內管應光滑平直，不得有彎曲或局部出現凹坑等現象。

（10）在漏失地層鉆進時，應先往孔內注入沖洗液，等液面升到正常位置時再投放。如果鉆孔嚴重漏失，孔內無沖洗液（干孔）或液面很低（半干孔），應用打撈器將內管總成送入，以免撞壞鉆具和鉆頭，造成事故。

4 結語

該礦區巖層極為破碎，成功應用繩索液動錘鉆進工藝后,不但大大提高了鉆探效率與鉆孔質量,降低了鉆探成本，而且也取得了良好的經濟與社會效益。值得在硬、脆、碎地層以及致密打滑地層中推廣與應用。

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[5]中國地質科學研究院勘探技術研究所.繩索取心液動錘使用指南[E].

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1004-5716(2015)08-0056-04

2014-09-05

余桂紅（1968-），女（漢族），河南平頂山人，高級工程師，現從事鉆探技術與管理工作。