組合鉆探工藝的試驗研究

190探礦工程2003年增刊組合鉆探工藝的試驗研究張永勤,劉輝,陳修星,孫建華,田志坤〔中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所河北廊坊065000摘要組合鉆探工藝是一種為了提高不同地層取樣鉆探施工綜合效率的多用途鉆探技術(shù)。該工藝方法將當今地質(zhì)找礦鉆探最先進(jìn)和廣泛應用旳反循環(huán)連續取心(樣)及金剛石繩索取心鉆探技術(shù)有機地結合起來(lái)利用一套器具冋可實(shí)現多種工藝方法并針對地層、施工環(huán)境及地質(zhì)要求采取與之相適應的鉆探方法達到優(yōu)質(zhì)高效的缐合鉆探目的。介紹了組合鉆探工藝的研究與應用試驗過(guò)程及取得的技術(shù)效果。關(guān)鍵詞姐合鉆探反循環(huán)連續取心樣)繩索取心地質(zhì)效果綜合鉆探效率中圖分類(lèi)號1634.5文獻標識碼:A文章編號1000-37462003)S1-0190-04Testing and Research on the Combined Drilling Technology/ ZHANG Yong-gin, LIU Hui, CHEN Xin-xing SUN Jianhua, tiaN Zhi-hun( Institute of Exploration Techniques, Cags, Langfang Hebei 065000, ChinaAbstract: Combined drilling technology is a multi-purpose drilling method which is developed to increase the comprehenive drilling efficiency in different formations. It combines the RC drilling with the diamond wireline coring drilling and usese same drilling pipes and tools to realize several drilling methods adapted to its formations according to the engineering environments and geological requirements and so on. The processes of the combined drilling technology research, field testingKey words: combined drilling technology reverse circulation coring wireline coring geological results comprehensive隨著(zhù)我國人口的增加和經(jīng)濟的持續發(fā)展以及本1問(wèn)題的提出世紀中期達到中等發(fā)達國家目標的實(shí)現未來(lái)對礦在地質(zhì)找礦鉆探領(lǐng)域應用較廣泛的鉆探技術(shù)是產(chǎn)資源的需求量將不斷增加為了滿(mǎn)足上述需要國金剛石繩索取心和反循環(huán)連續取檥心)兩大鉆探家實(shí)施了地質(zhì)大調查和西部大開(kāi)發(fā)重大工程。這些技術(shù)。繩索取心鉆探技術(shù)具有較高的鉆探效率及適重大工程在實(shí)施過(guò)程中有相當一部分工作是加速地合深孔鉆探施工的特點(diǎn),目前已在許多地質(zhì)礦產(chǎn)勘質(zhì)礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā),為國家經(jīng)濟建設尋找新探施工中較廣泛地應用,自上個(gè)世紀70年末至80的礦產(chǎn)資源而礦產(chǎn)資源的勘探與開(kāi)發(fā)在很大程度年代初一些西方工業(yè)發(fā)達國家又相繼研究開(kāi)發(fā)岀上要借助于高效的地質(zhì)取樣鉆探技術(shù)。從目前地質(zhì)空氣反循環(huán)連續取樣鉆探技術(shù)。該技術(shù)采用雙壁鉆找礦技術(shù)發(fā)展現狀看最終確定地下礦產(chǎn)資源的埋桿、主要以全面破碎的碎巖方式、利用壓縮空氣或液藏深度、儲量、品位等仍需要地質(zhì)取樣鉆探方法加以體作為循環(huán)介質(zhì)將孔底巖屑(心)經(jīng)雙壁鉆杄的中驗證。隨著(zhù)地質(zhì)找礦向更深部、更復雜及多樣化地心通道不斷地輸送到地表以該巖屬(心)作為地質(zhì)層方向的發(fā)展單一鉆探技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足優(yōu)質(zhì)、高樣品。這一鉆探技術(shù)的出現大幅度地提高了鉆探效效、低成本的的要求。為了滿(mǎn)足地質(zhì)大調查、西部大率降低了成本。但由于反循環(huán)連續取樣鉆探技術(shù)開(kāi)發(fā)工程及未來(lái)地質(zhì)找礦鉆探施工的需要中國地以全面破碎的方式鉆進(jìn)所取的巖屑不能真實(shí)地反質(zhì)調查局將組合鉆探工藝研究列為地質(zhì)大調查技術(shù)映出所鉆地層的構造及產(chǎn)狀所以對于一些需要了發(fā)展工程項目進(jìn)行實(shí)施解所鉆地層的地質(zhì)構造及產(chǎn)狀特殊要求的普查區H域全中國煤化工還不能使地質(zhì)人員完CNMHG循環(huán)連續取樣鉆探技收稿基金項目國土資源大調查資助項目F5.5.2)作者簡(jiǎn)介張永1960-)江蘇沛縣人沖國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所新技術(shù)一室副主任教授級高級工程師探礦工程專(zhuān)業(yè)從事繩索比坊經(jīng)熟0技木夏雜地層油地震物尿做孔及錯固工程施工鉆進(jìn)技術(shù)等若士鉆提施工技木的開(kāi)發(fā)研究工作2003年增刊探礦工程191術(shù)在地下水位較淺、水量較大的地區鉆探施工時(shí)存120Lmin。在著(zhù)效率低、取樣較困難等缺點(diǎn)。水力反循環(huán)連續取心在較完整地層和中深孔條件下施工具有較高鉆3組合鉆探工藝器具及其不同條件下的組合進(jìn)效率和取心效果但對于嚴重漏失和破碎地層還組合鉆探工藝的實(shí)質(zhì)就是采用一套鉆桿、設備不能取得較滿(mǎn)意的鉆探效果。繩索取心鉆探技術(shù)在及輔助工具根據地質(zhì)條件、施工環(huán)境、地質(zhì)要求等深孔鉆探施工中具有較明顯的優(yōu)點(diǎn)和較髙的鉆探效采取相適應的空氣反循環(huán)連續取樣、水力反循環(huán)連率但與反循環(huán)取心鉆探技術(shù)相比還存在著(zhù)時(shí)間利續取心、繩索取心或提鉆取心鉆探工藝以達到滿(mǎn)足用率低等不足。實(shí)踐證明仼任何鉆探工藝方法都有地質(zhì)要求的前提下提高鉆探效率及降低成本的根本一定的適應范圍和優(yōu)點(diǎn)。因此國外曾有人提岀取目的。組合鉆探工藝研究的主要內容包括沨雙壁鉆心取樣并舉的綜合鉆探方法。我國在20世紀80年?yáng)e系統的研究、組合鉆探工藝快速互換系統的研究、代末也曾提岀綜合鉆探的設想但由于進(jìn)入90年代各種孔底鉆具、輔助器具的研究、組合鉆探施工工藝以來(lái)我國的地質(zhì)找礦鉆探工作量大幅度減少使得參數的研究等。先進(jìn)高效的鉆進(jìn)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應用受到了一定3.1雙壁鉆杄系統的研究的制約和影響。通過(guò)分析可以看出雙壁鉆杄是實(shí)現組合鉆探正在實(shí)施的地質(zhì)大調查和西部大開(kāi)發(fā)工程需要的關(guān)鍵器具因為雙壁鉆桿在實(shí)際應用中要同時(shí)滿(mǎn)進(jìn)行地質(zhì)取心取樣鉆探施工的地層是多種多樣的,足空氣反循環(huán)連續取樣鉆進(jìn)過(guò)程中高鉆壓、低轉有些區域是沒(méi)有做過(guò)地質(zhì)工作的,有些區域是已經(jīng)速、大扭矩及沖擊對螺紋強度的影響的要求水力反做過(guò)地質(zhì)工作的。對于沒(méi)有做過(guò)取心鉆探施工的區循環(huán)連續取心鉆進(jìn)過(guò)程中高轉速、大泵量及鉆桿連域地質(zhì)上將會(huì )要求取岀柱狀巖心以便更好地了解接螺紋密封性能好、鉆杄內外管環(huán)隙大及內外平的地層構造。對于一些已經(jīng)做過(guò)地質(zhì)工作地層了解要求繩索取心鉆進(jìn)時(shí)鉆孔較深、鉆桿剛性大等要較清楚的區域有時(shí)并不要求柱狀巖心。為了在滿(mǎn)求。根據鉆進(jìn)過(guò)程中對鉆杄的要求通過(guò)理論計算,足地質(zhì)要求的前提下提高鉆探效率、降低成本有必確定鉆杄體及接頭的材質(zhì)、結構及熱處理和加工工要研究開(kāi)發(fā)一種將反循環(huán)連續取心取樣和繩索取心藝。通過(guò)對高強度的合金結構鋼45MMoB和鉆探技術(shù)有機結合起來(lái)的組合鉆探工藝方法35CrMo的性能及成本和綜合效益的比較內外鉆桿體材質(zhì)選用目前地質(zhì)鉆探最常用的45 MnMoB鉆桿2組合鉆探工藝基本方案及主要技術(shù)參數接頭選用30 rOsIa或42CrMo。按照簡(jiǎn)單實(shí)用、可2.1基本方案靠、便于維修和更換、滿(mǎn)足組合鉆探工藝要求的原針對地質(zhì)大調査和西部大開(kāi)發(fā)所面臨的各種地則內外鉆杄體與接頭之間采用螺紋粘接內鉆杄接層把空氣反循環(huán)連續取樣鉆探技術(shù)效率高、適合干頭在鉆進(jìn)時(shí)采用插接連接方式并借助于O形密封旱缺水地層施工水力反循環(huán)連續取心鉆探技術(shù)取圈達到耐壓密封的目的。外鉆杄接頭之間采用螺紋心質(zhì)量好、勞動(dòng)強度低金剛石繩索取心鉆探技術(shù)適連接并在公螺紋根部增設一道O形密封圈以確合深孔的各自?xún)?yōu)點(diǎn)結合起來(lái)根據地層及地質(zhì)需要保外鉆桿有更好的密封性能。內外鉆桿之間母端內可隨時(shí)互換。組合鉆探工藝要以現有N規格地質(zhì)外接頭同心剛性固定,另一端通過(guò)三爪定心自由對管材和孔徑作為基本孔徑以現有大通孔立軸式鉆中并伸岀外鉆桿公接頭一定長(cháng)度。為了便于擰卸、機及BW-320或BW-400型水泵作為基本設備,使用墊叉及擰管機和防止跑鉆鉆杄外公母接頭設便于推廣應用有切口。根據上述方案對鉆杄整體強度及鉆進(jìn)過(guò)2.2主要技術(shù)參數程中循環(huán)系統阻力進(jìn)行了校核與計算按照初步設鉆進(jìn)孔深可達500m,鉆進(jìn)孔徑110~77mm;計及理論計算加工了鉆桿小樣并進(jìn)行強度測試雙壁鉆桿外鉆桿直徑73/63mm內鉆桿直徑48/42理中國煤化工拉強度779kN最低mm痊空氣反循環(huán)連續取樣鉆進(jìn)風(fēng)量8m3/min風(fēng)壓抗扭CNMHG鉆桿參數可滿(mǎn)足50012MPa取樣間隔及長(cháng)度根據地層及地質(zhì)要求而m孔深組合鉆探工藝要求定水力反循環(huán)連續取心巖心直徑36~38mm巖心3.2不同鉆具的研究與組合長(cháng)度60~150mm泵量300L/min繩索取心鉆進(jìn)巖為了實(shí)現一套鉆桿及輔助器具進(jìn)行多種工藝和心直徑32心回次長(cháng)度3~4.5m,泵量80不同地層與地質(zhì)要求的目的必須研究開(kāi)發(fā)多種不192探礦工程2003年增刊同結構形式的鉆具。組合鉆探工藝可實(shí)現如下鉆具綠泥片巖、黑云斜長(cháng)片麻巖、厚層狀大理巖、蛇紋石組合化大理巖、斜長(cháng)花崗巖、二長(cháng)花崗巖及安山玢巖等。1)普通單動(dòng)雙管取心鉆具組合及鉆進(jìn)工藝:巖石可鉆性級別6~8級,巖石硬、脆、碎鉆孔嚴重用于開(kāi)孔、淺孔、破碎地層正循環(huán)取心鉆進(jìn)施工。漏失全孔不返水2)硬質(zhì)合金或復合片及金剛石取心鉆頭水力4.2主要試驗設備反循環(huán)連續取心鉆具組合及其鉆進(jìn)工藝:用于第四生產(chǎn)試驗所采用的主要設備及參數如下系地層地質(zhì)填圖、中硬較完整巖層地質(zhì)找礦取心鉆CD-3型大通孔立軸式鉆機立軸通孔直徑76探施工。mm轉速67~1180r/min立軸行程450mm立軸3)普通潛孔錘或貫通式澘孔錘空氣反循環(huán)連最大起重能力118kN立軸最大加壓能力88kN惹續取樣(心)鉆具組合及其鉆進(jìn)工藝用于干旱缺水揚機最大提升能力(單繩)40kN動(dòng)力機功率37或地下水位較深、水量較小、地層較破碎的地區進(jìn)行地質(zhì)勘探取樣鉆探施BW-400型水泵泵量190~400L/min,壓力(4)潛孔錘牙輪鉆頭反循環(huán)鉆具組合及其鉆進(jìn)4.0~7.0MPa功率37kW工藝為了發(fā)揮潛孔錘在含水地層的效果及提高鉆VY-12/7型移動(dòng)式空氣壓縮機排量12m3/探效率將潛孔錘與牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)可獲min壓力0.7MPa得較高的鉆探效率和較低的成本。發(fā)電機組額定功率75kW額定頻率50Hz額(5)牙輪鉆頭空氣及水力反循環(huán)鉆具組合及其定電壓400V額定電流136A鉆進(jìn)工藝在鉆孔較深、水量較大、空壓機能力一定SGX17型直斜兩用鉆塔高度17m最大工作的前提下氣動(dòng)潛孔錘已很難發(fā)揮出其優(yōu)點(diǎn)采取空負荷180kN氣或水力反循環(huán)進(jìn)行取樣鉆探施工具有較高鉆進(jìn)效JSJ-1000型繩索取心絞車(chē)(電驅動(dòng))提升速率和地質(zhì)效果。度0.58~4.10m/s提升能力8.71~1.23kN電動(dòng)(6)貫通式液動(dòng)潛孔錘金剛石及牙輪鉆頭取心機功率5.5kW。取樣鉆具組合及其鉆進(jìn)工藝:為了發(fā)揮貫通式液動(dòng)4.4主要試驗效果潛孔錘在深孔含水地層鉆探施工的效率在上述條組合鉆探工藝研究的根本目的是將較成熟及先件下可采用貫通式液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行水力反循環(huán)連續進(jìn)的地質(zhì)鉆探技術(shù)有機地結合起來(lái)達到提高復雜取心取樣鉆探施工。地層綜合鉆探效率的目的。為了證實(shí)組合鉆探工藝(7)雙壁鉆杄繩索取心鉆具組合及其鉆進(jìn)工的可行性及應用效果2002年1月4日至12月14藝對于更深鉆孔采用空氣及水力反循環(huán)連續取樣日組合鉆探工藝在內蒙古西烏蘭烏力查干礎魯金取心鉆探能量消耗較大空壓機或水泵的能力難以礦區進(jìn)行了生產(chǎn)應用試驗。根據組合鉆探工藝的基滿(mǎn)足循環(huán)系統壓力要求即使能滿(mǎn)足要求但綜合效本組合應用順序對空氣反循環(huán)連續取樣、普通金剛益不夠理想。為了滿(mǎn)足地質(zhì)取樣及對孔深的要求,石提鉆取心、水力反循環(huán)連續取心、繩索取心鉆探工達到提高綜合效率的目的可采用雙壁鉆杄繩索取藝在上述地層中進(jìn)行了順序組合試驗。生產(chǎn)試驗證心鉆探工藝。明多種工藝方法完全可以根據地層特點(diǎn)、地質(zhì)要3.3輔助器具的研究求、現場(chǎng)的實(shí)際情況等實(shí)現有效地組合和快速更換,實(shí)現組合鉆探工藝鉆進(jìn)施工除了雙壁鉆杄外,并具有較好的可靠性驗證了鉆探工藝的可行性取還必須有相應的輔助器具及快速轉換機構等主要得了較好的試驗效果達到了試驗目的。試驗過(guò)程包括雙通道氣水龍頭雙壁主動(dòng)鉆杄(用于立軸式中各種工藝方法累計完成生產(chǎn)試驗工作量320.7鉆機〕巖心及巖樣接收與處理裝置提引、打撈及m終孔孔深300.8m。由于試驗環(huán)境及條件非常惡擰卸工具等。中國煤化工:)經(jīng)常出現水管被凍死無(wú)CNMHG故障無(wú)法供電、無(wú)法正4組合鉆探工藝的可行性應用試驗常工作等情況所以根據實(shí)際工作時(shí)間統計平均臺4.1地質(zhì)條件月效率約1200m/臺月。組合鉆探工藝生產(chǎn)試驗取試驗孔地層主要為新生界第三系、第四系等。出的地質(zhì)樣品如圖1、2、3所示。巖性主要為顏君化綠泥石英片巖、絹云石英片巖、2003年增刊探礦工程1935結語(yǔ)畫(huà)A畫(huà)通過(guò)組合鉆探工藝的試驗研究,為提高我國地地質(zhì)找礦取心鉆探綜合效率提供了一種有效的技術(shù)方法。所研制的雙壁鉆杄結構簡(jiǎn)單內外管環(huán)隙及內管中心過(guò)流斷面較大降低了過(guò)流阻力損失滿(mǎn)足了空氣反循環(huán)連續取樣、水力反循環(huán)連續取心及水力繩索取心鉆進(jìn)要求。鉆杄接頭及螺紋強度大加工容易使用可靠方便。研制開(kāi)發(fā)的不同工藝鉆具圖1空氣反循環(huán)連續取樣鉆探取出的巖樣及輔助器具具有容易配套及互換特點(diǎn)具組合品種多。最大的創(chuàng )新點(diǎn)就是有效地將空氣反循環(huán)連續取樣、水力反循環(huán)連續取心、繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)結合起來(lái)可根據地質(zhì)要求、地層條件、鉆探施工目的等采用相適應鉆進(jìn)工藝。在地質(zhì)上允許、干旱缺水地層的條件下可充分發(fā)揮空氣反循環(huán)連續取樣鉆探施工效率高、成本低、可快速穿過(guò)復雜地層的優(yōu)點(diǎn)。在較完整、地下水位淺、水量大、地質(zhì)要求柱狀巖心的情況下可充分發(fā)揮水力反循環(huán)連續取心效率高圖2水力反循環(huán)連續取心鉆探取出的巖礦心取心效果好、時(shí)間利用率高等優(yōu)點(diǎn)。對于更深部地層反循環(huán)取樣取心鉆進(jìn)工藝無(wú)法滿(mǎn)足的情況下可利用繩索取心鉆進(jìn)工藝的優(yōu)點(diǎn)滿(mǎn)足最終孔深要求。生產(chǎn)試驗證明組合鉆探工藝將多種工藝自身優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)不僅完全可行而且可達到根據地層條件、地質(zhì)目的及要求提高綜合鉆探施工效率的最終目的。圖3繩索取心鉆探取出的巖礦心中國煤化工CNMHG