提高深部鉆探取芯質量的技術方法探討

秦承春

（山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂276006）

提高深部鉆探取芯質量的技術方法探討

秦承春*

（山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂276006）

我們在進行地質礦產勘探的過程當中，離不開鉆探、取芯的技術支持，尤其是在是深部地質礦產勘探中，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情況和礦產資源情況，這是我們進行礦產開發的前提條件。因此，探討如何提高深部鉆探的取芯質量和取芯效率就顯得至關重要。基于作者自身的實際工作與學習經驗，主要從技術方法等角度出發，對如何提高深部鉆探的取芯質量和取芯效率提出了部分探討性建議，以期能對我國地質礦產勘探事業的發展起到促進作用。

深部鉆探；取芯；質量；效率

1　深部鉆探取芯設備選擇

通過實際的工作經驗總結我們都知道，在進行鉆探取芯時，不論是鉆探取芯設備還是具體的技術方法，都可能會對鉆探取芯的效率、質量甚至是成本帶來影響。因此，想要提高深部鉆探取芯質量與效率，減低鉆探取芯成本，首先應合理選擇設備，在保證設備性能能夠滿足工程需求的同時，實現對成本的有效控制。

在深部鉆探取芯設備選擇的過程當中，應根據以下幾點基本原則，合理選擇設備器具：第一，首先是要對工程施工的目的、條件、技術要求等，合理選擇鉆機類型。在確定鉆機類型后，再合理選擇配套的其他器具，例如動力機、鉆塔和泥漿泵等等；其次，選擇鉆機類型時，應優先選擇立軸行程較大、變速范圍較寬和重心較低的鉆機類型；第三，鉆機盡量通過電能驅動，而且為了確保鉆機運行的穩定性、安全性，應當為鉆機配備發電機組；第四，要確保所有的設備、器具都符合行業或國家的相關標準，這既可以確保鉆探取芯的質量與效率，同時還可以保障施工的安全性；第五，要考慮選擇同類廠家系統總成、部件等是否有互換性的生產設備；第六，在繩索取芯鉆進過程當中鉆桿的質量能性能至關重要，它緊緊關系著鉆進的效率和安全，所以應當根據實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，在實際的施工過程當中，應當根據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

當前，國際上較為流行的深部探礦設備主要采用長行程全液壓動力鉆機進行取芯，該類設備的啟動與停止都是非常平穩的，行程較長，動作調控方便，在斜孔鉆探取芯工程中具有明顯優勢。繩索取芯鉆進時，取芯和加鉆桿時具有無須將鉆桿提離孔底的優點，特別是在復雜地層中，這種鉆探設備優勢更加明顯。而當前我國應用最廣的深部鉆探設備是機械傳動和液壓控制的立軸巖芯、礦芯鉆機和以金剛石繩索取芯為主體的鉆探器具。該類設備主要具有可靠實用、成本較低、結構和維護簡單、操作簡便等特點。它在構成相對簡單的深部地層中進行鉆探取芯能夠取得較好的質量效果，但是如果深部地層較為復雜，則在取芯的過程中，必須將鉆具提離孔底較大距離，容易導致孔底坍塌掉塊和鉆頭重復破碎造成巖芯、礦芯堵塞，會對取芯質量產生極大的影響。因此，如何提高我國未來地質找礦鉆探效率并降低成本，開發利用機械傳動液壓控制長行程立軸式不停車倒桿巖芯、礦芯鉆機，采用無主動鉆桿于機上加桿，配套高效節能繩索取芯及空氣反循環連續取樣鉆探技術手法，是鉆探取芯技術未來發展的主要方向之一。當然，在過程中，由于國外設備價格相對較高而導致國內難以大量購置利用，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化要

目前使用的常規鉆探取芯方法可以滿足淺部比較完整或不很嚴重破碎的基巖以及泥巖等地層取芯的質量要求。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、軟弱夾層等這類結構比較復雜的地層，則必須經過采用特殊的工藝技術措施和特殊的工具才能滿足取芯的質量要求。所以，為了確保復雜底層鉆探取芯效率和質量，對鉆探施工工藝和方法的優化迫在眉睫［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，對鉆具的優化使用也是非常關鍵的。采用合適的鉆具在不同的地質環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個方面：鉆具的種類、結構和加工質量等。鉆具包括單管鉆具、孔底反循環鉆具、單動雙管鉆具等。其中單管鉆具只在巖層完整和對取芯質量無嚴格要求的地層中使用，孔底反循環鉆具存在巖芯、礦芯嚴重分選和混亂等缺陷，現在在施工中已經很少應用。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、硬質合金鉆頭和復合片鉆頭等。一般情況下，在深部鉆孔的施工中應該根據巖石的不同特征，選擇相適應的鉆頭類型、設計相關的技術參數，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技術參數常見配置如表2所示［3］。

表2　繩索取芯金剛石鉆進技術參數常見配置

選擇鉆具類型和設計參數的基本要求是要能夠鉆進速度快，鉆進中不易堵巖芯、礦芯，不因切削具的振動而破碎巖芯、礦芯，磨損巖芯、礦芯等。實踐證明如果選擇的鉆頭進尺快，巖芯、礦芯在鉆頭處停留的時間就短，被沖洗液沖刷的時間也就短；鉆頭設計的內徑磨損小，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；硬質合金雙管鉆頭和復合片鉆頭不設計內出刃，這樣在軟巖中鉆進不會因為鉆具的晃動使巖芯、礦芯直徑變小；如果選用硬質合金鉆頭和復合片鉆頭在某些硬度不高的脆性巖層中鉆進，就會因為振動較大，巖芯、礦芯破碎呈小顆粒狀和砂礫狀而無法卡取（如大理巖、硅質巖、白云巖等）。上述施工工藝和方法都對深部鉆孔取芯質量有重大影響［4］。

3　實例分析

3.1工程概況

某探礦工程監測站布置工程地質取芯鉆孔1個，深度1200m，目的是查明1200檢測深度范圍的工程地質背景，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工程地質取芯鉆孔屬于深部鉆探，主要是對礦區地質進行探測，為了確保地層分層的準確性，巖芯采取率要求較高，粘性土為90%以上，砂性土70%以上。同時要保證所采取的原狀土樣不被擾動，以保證室內應力實驗的真實性。另外，取芯結束后，該鉆孔要擴孔建成1200m分層標，因此，要求終孔時鉆孔垂直度不大于1°。

3.2取芯鉆探工藝的研究改進

綜合考慮該地區的地層特性，在研究分析目前普遍采用的單管干鉆投球鉆探取芯工藝利弊的基礎上，針對本工程鉆探取芯技術要求，技術人員嘗試性地實施了“孔內攪拌泥漿”、不采用護壁管、對常規的取芯工具進行研究改良等措施，不僅高標準地完成了該項目鉆孔取芯要求，而且節約了成本。各項研究改良措施分述如下。

（1）鉆孔內攪拌泥漿護壁法。該1200m超深地質鉆孔所處的構造區內，淺部地層松散、液化流變性強，成孔過程中易出現傾斜、坍塌等鉆探事故，按常規需下入護壁套管至正常固結的地層（20m以下）［6］，在保證鉆孔垂直度的同時，進行人工護壁。

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

圖1　孔內攪泥漿護壁過程示意圖

孔內攪拌泥漿護壁的方法，保持了孔壁的完整性，節約了護壁管的投入資金，工藝操作簡單可行，同時大大縮短了鉆探周期。在長達3個月的鉆探過程中，沒有出現孔壁坍塌現象，證明該項技術改進是非常成功的。

3.3鉆探取芯鉆具的改進

（1）異徑接頭鉆具的改進。平原凹陷區內地層松散，流變性強，易沖蝕，易擾動，巖芯采取率較低，尤其以天津濱海新區地層為代表。為保證巖芯采取率，對取芯鉆具的異徑接頭在原有基礎上進行了研究改良。改進后的異徑接頭外徑?l27mm，成梯形，最小端?110mm。內中心孔為盲端，與水平方向均布的4個?l5mm的小孔相連通，能分散并減小泥漿對巖芯管內巖芯的沖射，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。針對項目的要求，對常規采用的硬質合金鉆頭進行了改進［7］。改進后鉆頭直徑為?130mm，長度150mm，有4個月牙形的出水口，高度10mm，外肋骨4個，厚度5mm，內出刃直徑3mm，底出刃2mm。與傳統的合金肋骨鉆頭相比較：改進后的鉆頭，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，同時縮短了鉆進時間，提高了鉆進效率及巖芯采取率。

（3）巖芯保護罩。為切實保護巖芯管內的巖芯不被擾動，同時提高鉆進巨厚砂層時的巖芯采取率，研究設計了巖芯保護罩。巖芯保護罩長度300mm，外徑?114mm，材質為硅膠。外徑大于取芯鉆頭內出刃對角距離，保證其在下鉆過程中不掉入孔底。在鉆進取芯過程中，巖芯不斷進入巖芯管中，保護罩隨之升高，保護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，有效地保證了巖芯不被擾動。

4　結語

在現代環境條件下，礦產決定著一個國家在多方領域的發展，尤其是生產制造和科研創新等領域，都不離不開礦產資源的支持，所以地質礦產勘探工作就顯得至關重要，因為地質礦產勘探是礦產開發的前提條件。可靠準確的地質礦產勘探工作能夠提供準確的地質和礦產資源信息，從而能夠對礦產資源的價值進行準確的判斷。因此需要不斷提高深部鉆探的質量和效率，為礦產資源開發提供科學、準確且具有價值的參考資料。

［1］吳書亮.談深部探礦鉆探特點及技術［J］.山西建筑，2015（1）：88-89.

［2］孫建國，鄒悅，張亞振.淺談繩索取芯技術的優勢［J］.河北農機，2015（3）：44.

［3］袁宜勛，雷超.復雜地層深孔取芯鉆探事故的處理方法［J］.人民長江，2015（14）：98-101.

［4］王奇峰.破碎地層金剛石繩索取芯的鉆進經驗［J］.能源與節能，2014（4）：42-43.

［5］祁偉.哈達門溝深孔取芯鉆探技術總結［J］.內蒙古煤炭經濟，2014（5）：179，189.

［6］王書豪.大口徑孕鑲復合體金剛石取芯鉆探技術及其應用［J］.硅谷，2014（3）：101-102.

［7］王盛.繩索取芯液動潛孔錘鉆進技術在巖芯鉆探中的研究與應用［J］.西部探礦工程，2014（11）：45-46.

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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，現從事探礦工程、巖土工程等施工與技術管理工作。