钻天山矿区Φ219 mm大口径金刚石单动双管钻探施工技术

蒋 兵, 汪子奇, 周智勇, 汪发文

(1.江西省地质矿产勘查开发局 赣西北大队,江西 九江 332000; 2.中国地质大学(武汉) 地质调查研究院,湖北 武汉 430074; 3.湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430074)

钻天山矿区Φ219 mm大口径金刚石单动双管钻探施工技术

蒋 兵1, 汪子奇2, 周智勇1, 汪发文3

(1.江西省地质矿产勘查开发局 赣西北大队,江西 九江 332000; 2.中国地质大学(武汉) 地质调查研究院,湖北 武汉 430074; 3.湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430074)

在大口径金刚石单动双管钻探施工过程中,为了获取玄武岩更多的原状及圆形样品,采取在原孔位加大口径至Φ219 mm同心复钻。选用底喷式钻头,设计专用的隔水与返水变径接头,提高岩芯采取率;采用长钻具防斜保直钻进;采用特制的上下同心橡皮胶圈,导正小口径测斜仪防斜纠斜;采用与原孔岩芯同深度一起比对循证;保证新孔中心比原孔中心偏离不大。结果表明:重要岩矿段采芯率可达到95%,玄武岩层原状及圆形样品满足地质设计要求。其中两项新工艺可供类似工程参考借鉴。

岩芯钻探;大口径;岩芯采取率;垂直度;测斜

2012年江西省地质矿产勘查开发局开展了江西瑞昌市武山矿区及外围铜多金属矿远景调查,赣西北大队在钻天山矿区ZK106-1孔钻至孔深110 m处,钻遇志留系泥质粉砂岩地层,钻取到厚度约1.5 cm的玄武岩岩芯(图1中黑饼),岩芯送国内及美国权威部门化验检定后,发现含有高品位天然金刚石矿物成分,引起了国内众多地质专家的高度关注。

图1 ZK106-1孔岩芯照片Fig.1 Photo of ZK106-1 hole core

为了进一步研究查证玄武岩的来源及赋存特征,2013年中国地质调查局南京地调中心决定立项论证。新增钻探工作量,获取玄武岩更多的原状及圆形样品,以作进一步的研究。于是在原ZK106-1孔周边施工了4个取芯钻孔,其中3个孔也许因为钻孔距离原孔太远而没有钻取到玄武岩岩样,其中1个孔因岩矿芯采取率不够而均没有达到地质要求,最后不得不暂停勘查。

2013年赣西北大队向江西省地质勘查基金管理中心提出续作立项申请,继续开展玄武岩金刚石来源的专项研究。经江西省地质勘查基金管理中心专家委员会专家审批决定:在ZK106-1孔原孔位同中心施工大口径采样孔(孔号ZK106-2),钻孔设计孔深150 m,开孔直径Φ350 mm,终孔直径Φ230 mm。

在国内,目前采用Φ219 mm大口径金刚石钻具施工的钻孔均是地质设计上有特殊要求的钻孔,极其少见,文献报道不多。即便有少量报道,但多是大口径金刚石单管钻具钻进技术。单动双管钻进技术方面的报道更是少之又少,所以没有经验可以借鉴。

该孔自2014年10月27日开孔,通过不断试验改进,创造性地解决了岩芯采取率低、垂直度不高及测斜不准确的问题。经过精心施工,2015年3月21日顺利终孔,岩芯取样完全满足地质设计要求。

1 地层情况与地质要求

1.1 地层情况

矿区地层主要为第四系、志留系。志留系为一套浅海相碎屑岩建造,分布于矿段F14线以北,地层产状:走向呈北东30°～60°,倾向南西,倾角45°。矿区主要地层见表1。

表1 矿区地层表[1]

1.2 地质设计要求

通过查看原ZK106-1孔岩芯,发现在孔深65.00 m以上地层因受到地质应力作用,裂隙发育,岩芯破碎,岩芯采取率60%。因此地质设计要求:孔深<65.00 m时,岩芯采取率要达到80%;孔深>65.00 m时,其他段岩芯采取率要达到100%;保持原岩结构;钻孔沿原孔ZK106-1轴线延伸;钻孔开孔口径Φ350 mm,终孔口径Φ230 mm。

2 钻探技术设计

2.1 ZK106-1孔测斜情况

为确保ZK106-2孔成功施工,先对原ZK106-1孔进行透孔钻探,并采用数字式多点测斜仪进行测斜,测斜间距控制在5～10 m,然后将测斜数据输入到地质技术人员预先设计好的软件及MAPGIS软件平台,并输出钻孔轨迹勘探剖面投影和水平投影。

钻天山矿区ZK106-1孔测斜数据成果见表2。

2.2 施工技术方案

图2中大圆为Φ300 mm口径,小圆为Φ170 mm口径,左下角小圆为ZK106-1孔Φ91 mm口径。从图2可以得出,ZK106-1孔见矿点水平投影偏差∑X=-0.165 m、∑Y=-0.10 m。设Φ91 mm的半径为r,两孔中心最大偏心距△s,则有同心最大包络线圆的半径为R=r+△s。所以假如在原位同心套孔钻进,并顺着原孔延伸取芯,则岩芯管外径宜满足:

R≥0.091/2+(0.1652+0.12)1/2=0.238 mm,即R≥0.238 mm。

考虑到地质岩芯管的标准尺寸因素,经与地质专家协商,采取在原孔位上使用Φ230 mm(取芯管外径为Φ219 mm)的大口径金刚石单动双管钻具钻进的方法,并采取防斜保直措施,严格控制钻进参数,以确保钻孔轴线垂直;并顺着原孔延伸,且取出部分原孔岩芯的要求。该方案最后提交给江西省地质勘查基金管理中心专家评审组审查,获得通过。

表2 ZK106-1钻孔测斜数据成果

图2 ZK106-1孔轨迹水平面投影Fig.2 Longitudinal projection of ZK106-1 trajectory

3 钻探设备选择

由于大口径金刚石钻探对单位来说是头一次,国内文献也不多见。为确保钻孔施工成功,经讨论决定选用下列设备与材料:XY-4型钻机、GXB-1型钻塔、BW-150型泥浆泵、数字式多点测斜仪、Φ219/Φ156单动双管钻具(带取粉管长4.17 m、6.94 m)、Φ65 mm外丝钻杆300 m。

4 钻孔施工

4.1 设备安装

(1) 基础硬化:钻塔底座四角基础及前后底梁下用C20素混凝土浇筑、找平,基础平面尺寸为0.7 m×0.7 m,深0.8 m,梁下条基宽0.4 m,深0.5 m,浇筑时采用水平振动板找平。

(2) 钻机安装:钻机安装完毕,应先后对钻塔底座、钻机基座由下向上逐一进行水平校准,符合要求后,再对钻机立轴、机杆进行垂直度校正,垂直度采用线锤十字交叉校正,符合要求后固定钻机立轴。

4.2 开孔钻进与孔口管下入

4.2.1 粗径钻具校正

主要校正粗径钻具的同心度、垂直度。首先在加工车间地面将钻具每30 m组合连接摆开,检查其同心度,看是否在一条直线上。不合格的钻杆坚决不用,严禁进入施工机台。其次在钻机施工时将钻具吊起悬于空中,采用线锤校正四个正交面,确保符合要求[1]。

4.2.2 开孔钻进

采用Φ350 mm带外导向硬质合金钻头钻进,钻进技术参数选用高转速、微压力、大泵量。

4.2.3 孔口管下入

孔口管对钻孔后续施工起导向作用,因此下好孔口管至关重要。打到换径孔深,先将孔内冲洗液抽干,下入Φ219 mm长钻具(图3),用线锤校正长钻具及机杆的垂直度,符合要求后提出长钻具,下入孔口管。在长钻具外上下缠绕两层两圈麻绳,下入到孔口管内,合上机杆,提动孔口管并用线锤校正孔口管垂直度,用C20素混凝土浇筑孔口管与孔壁环状间隙,并捣实固定孔口管[2]。

图3 Φ219 mm钻具及校正孔口管Fig.3 Φ219 millimeter drilling tool and calibration orifice tube

4.3 大口径金刚石钻进

4.3.1 金刚石钻头

志留系泥质砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩属于软岩,地层节理裂隙发育,软硬不均,但研磨性较强。因此在钻头选择上,采用了胎体硬度HRC36,金刚石浓度100%,钻头底面为平底型,矩形水槽加底喷式水口热压金刚石钻头(图4),钻头结构参数:外径/内径(Φ230 mm/Φ165 mm),高度247 mm;水口数21个。钻头由湖北金地探矿机械有限公司量身定做[3]。

该种钻头在钻进泥质砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩时,进尺较快,时效达到0.5～1.0 m/h。胎体唇面金刚石出刃良好,但外径磨损较快,影响到钻头的使用寿命。

4.3.2 钻具结构

Φ219 mm大口径金刚石钻具结构自上而下:取粉管,长1.50 m,与钻具变径接头处用反丝连接;变径接头具有单动机构、过水通道,通过1.70 m长Φ89外丝钻杆与Φ65外丝钻杆连接;外管上与变径接头连接,下与钻头连接;内管上与变径接头单动机构连接,下接卡簧座。连接后的钻具长度为4.17 m、6.97 m两种。

图4 Φ219 mm金刚石钻头Fig.4 Diamond bit of Φ219 millimeter

4.3.3 钻进技术参数

根据我们在多个易斜矿区的成功施工经验,大口径金刚石钻进时,采取的钻进技术参数为高转速,微压力,大泵量,即转速采用三档,压力为平时正常钻进钻压1/5～1/6,泵量为150 L/min。卡簧座底部到钻头胎体的间隙控制在8 mm以内。长短钻具的选择根据地层软硬、裂隙发育、破碎等情况而调换使用。大泵量有利于提高冲洗液的上返速度,使钻进时产生的岩粉及时排到孔外,保持孔底干净,减少重复破碎,提高金刚石钻头使用寿命。

4.3.4 岩矿芯采取

由于地质设计要求岩矿芯采取率高,而施工这种大口径金刚石钻孔还是第一次,没有先例。为了确保下部孔段的岩矿采取率达到地质要求,笔者对65.0 m以上孔段岩芯采取率进行了试验研究。通过试验研究,对钻具加以改进和完善,成功地解决了岩矿芯采取率低的问题。岩芯采取率由50%～60%提高到95%以上,尤其是矿层段及其顶底板采取率达100%,原岩结构清晰可见,没有扰动现象。图5为岩矿层孔段岩芯照片。

4.3.5 钻孔测斜

为及时、准确掌握钻孔的垂直度,以及提高钻孔测斜精度,对钻孔施工采取了动态监控。测斜仪器使用数字式多点测斜仪,该种测斜仪对同一点可进行多次量测。测量精度:顶角±0.01°,方位角±2°。测量时,对每个点进行三次量测,测量数据采集为三次数值的平均值。当三次测量的平均值小于三个数据极差值的20%时,取其平均值,当不满足上述要求时,重新进行测量。同时,在取得测斜数据后,还要与原孔测斜数据、取出的岩芯情况进行综合分析对比,找出产生测斜数据误差的原因。测斜间距控制在1.5～5.0 m之间,在浅部或地层完整性较差的孔段,做到每个回次测斜一次;在深部或地层较完整的孔段,测斜间距控制在不超过3.0 m。ZK106-2孔钻孔测斜数据见表3。

图5 ZK106-2孔岩矿层孔段取出的岩芯Fig.5 Core of ZK106-2 hole ore-bearing rock

4.3.6 冲洗液

钻孔口径大,岩粉颗粒较粗,要求冲洗液具有较高的粘度,较强的岩粉携带能力。鉴于此,冲洗液全孔采用高分子聚合物无固相冲洗液,材料为:聚丙烯酰胺(PHP),分子量1 600万;高粘度羧甲基纤维素(Na—CMC);CORESMART(纳米技术生产的高分子聚合物)[4]。每立方冲洗液配比为:PHP∶Na-CMC∶CORESMART=1.5%∶1.0%∶2.0%;冲洗液性能:粘度25～30 s,比重1.03～1.04,失水量<20 ml/30 min,pH值8～9[5]。

5 钻孔施工难点及解决方法

5.1 施工中存在的主要问题

志留系泥质砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩,裂隙发育,软硬不均,属于软岩系列,65.0 m以上,局部泥化严重,有些孔段呈粉砂状,影响岩芯采取。同时地层倾角较陡,据以往钻孔施工经验,钻孔有“顶层进”的现象。再者,地层因泥化而具有一定的吸水膨胀、失水收缩的特性,影响钻孔垂直度。

5.1.1 岩矿芯高采取率及保持原岩原状圆形结构

从多年钻探施工实践经验及技术工艺成熟性的角度来看,金刚石单动双管钻进技术工艺是确保岩芯采取和保证原岩结构的最有效的钻探技术工艺,但在大口径金刚石单动双管施工方面实践经验少,为此,笔者在国内地质、冶金等系统钻具生产厂家开展调研,最终仅一家即湖北金地探矿机械有限公司能够生产Φ219 mm口径的金刚石单动双管钻具。

表3 ZK106-2孔测斜数据成果

5.1.2 钻孔防斜保直

新老钻孔中心位移不能相差太远,必须顺着原孔延伸并取出部分原孔岩芯。

5.1.3 大口径钻孔测斜

目前市场上使用都是小口径钻孔测斜仪器,对小口径钻孔来说测斜结果可靠。但大口径钻孔测斜如果解决不好,则测斜的误差会较大,测斜数据失真,不能真实反映钻孔轨迹空间延伸状态。特别是如何利用小口径钻孔测斜仪器来对大口径钻孔进行孔斜测量,并保证测斜数据真实性、准确性和精确度,对钻孔如何采取施工技术措施具有重要指导意义。

5.2 解决办法

5.2.1 岩矿芯高采取率及保持原岩结构技术

为确保深65.0 m以下孔段的岩矿芯采取率,经与地质技术人员协商,决定在65.0 m以上孔段开展取芯采取率试验研究,逐步提高岩芯采取率和原岩结构完整率。钻孔施工过程中主要采取了以下三方面的措施。

(1) 全孔段(除开孔段)采用Φ219 mm口径金刚石单动双管钻具钻进,以及长短导向钻具配合使用。

(2) 保证高标号水泥浆封孔质量。施工开始,有些回次的岩芯采取率50%～60%,与取出的原岩芯对比发现,当取出的岩芯中没有原孔的封孔水泥心样(空孔),则岩芯采取率均较低。主要原因是原封孔水泥标号较低,以及未进行清孔和洗孔致使封孔质量差,水泥浆未能固结,强度低,钻进过程中破碎和起钻时脱落所致。由于岩芯直径大,裂隙发育,块状岩芯之间挤夹力较小,在起钻过程中因轻微振动或岩芯自身重力作用下而中途掉落。所以决定对原孔重新进行扫孔、洗孔和清孔,用普通硅酸盐水泥42.5级水泥进行封孔,钻孔施工效果理想,岩芯采取率提高到95%[6]。

(3) 改进完善防止冲刷岩芯的专用变径接头。地层较松散、破碎孔段,回次岩芯采取率偏低甚至采不到岩芯。主要原因是冲洗液从内管中间流通,对岩芯造成直接冲刷,经检查钻头变径专用接头(俗称脑袋)与上部钻杆直通,没有隔水和返水装置。因此,笔者对钻具进行了完善,加装了隔水和返水装置,完善结构装置后,岩芯采取率提高到95%以上,原岩结构基本得到了保证,能够满足地质要求,试验基本成功。

5.2.2 钻孔防斜与保直技术

通过对原ZK106-1孔测斜数据的计算处理,101.87 m在水平面的投影偏差∑X=-0.165,∑Y=-0.100。经计算决定采取铅直孔施工,钻孔顶角最大偏斜控制在0.3°以内,方位角控制在180°～210°之间。为此,钻孔施工采取了防斜与保直相结合的钻探技术措施。

(1) 防斜措施。一是固基,打牢基础是钻孔顺利施工的根本保证;二是钻塔、钻机安装要周正、稳固,确保钻机水平、立轴铅直;三是一定要下直下正孔口套管,保证孔口管垂直、牢固,起到导向作用[7];四是严格操作规程,采用高转速、微压力、大泵量的钻进技术参数;五是加强钻孔施工的动态管理和监控。做到勤测斜,及时计算和上图。一方面测斜数据要进行上下孔段对比,另一方面还要与采取的岩芯对照(岩芯柱上有原ZK106-1孔封孔水泥芯样);六是严禁小打大扩,即使用小径(钻头直径磨损较多)钻进,大径(新钻头)扩孔。

钻头必须排队使用,防止因新钻头扩孔造成钻孔偏斜。

(2) 保直措施。保直技术措施主要是采取长短钻具相结合的使用方式。长钻具的特点是导正性好,有利于保持钻孔垂直延伸,但孔阻较大、负荷重;短钻具的特点是孔阻小、负荷轻,但导正性差,岩芯采取率高。视具体情况现场灵活掌握。

(3) 纠斜措施。钻孔施工过程中在孔深5.0～6.3 m、62.1～63.7 m两个孔段出现钻孔偏斜超差,采用向孔内灌注混凝土,封孔候凝72 h后重新用长钻具钻进,均取得纠斜成功。

5.2.3 大口径钻孔测斜技术

多点式数字测斜仪外径Φ42 mm,而钻孔直径Φ230 mm。为解决大口径测斜,专门加工了几个导正圆模。即用20 mm厚的橡胶板在车床上加工成Φ220 mm的圆饼形模子,模子中间加工Φ43 mm的穿心圆眼。两个圆饼必须叠在一起加工,以保证同心度一致(图6)。

测斜数据采集。测斜数据表明,钻孔顶角越小,方位角读数越混乱,而且相差越大,同一个点每次测斜的方位角数据均不相同。没有方位角,钻孔的空间位置也就无法计算,其空间轨迹也就无法确定。因此为确保所采集数据的准确性、正确性,每个测点均进行3次测量。同时还要将测斜数据同所取出的岩芯状态进行对比,同上部孔段测斜数据进行对比,对存在异议的点要进行重新量测[8]。

经地质技术人员计算确认,在101.87 m处两个钻孔中心点之间距离仅80 mm,取样满足地质设计要求,样品送国内外权威部门化验分析。

6 结论

(1) 加大直径原位原孔同心钻进必须透取原封孔水泥心样,便于后期Φ219 mm大口径取芯进行比照。

图6 测斜仪前部示意图Fig.6 Sketch map at the front of the inclinometer

(2) 大口径单动双管钻具钻进应选用长钻具保直防斜钻进。宜配套底喷钻头,同时钻头变径专用接头(俗称脑袋)应安装隔水和返水装置,避免冲洗液直接冲刷岩矿芯,从而大大地提高岩芯采取率。其平均取芯率可以达到95%。

(3) 小口径测斜仪应用于大口径(Φ219 mm)井孔测试,采用上下穿心橡胶圈导向,方法简单易行,直接了当,安全可靠,能够保证测斜仪的测斜精度。

综上所述,二次复钻岩矿芯采取率高(>95%),尤其是玄武岩目的层圆形及原状样满足地质设计要求,改进效果显著。

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(责任编辑：陈文宝)

Φ219 Millimeter Large Diameter Diamond Drilling Technology By Means ofDrilling Tool of Single Rotary and Double Tube in Zuantianshan Mine

JIANG BINg1, WANG Ziqi2, ZHOU Zhiyong1, WANG Fawen3

(1.NorthwestJiangxiGeologicalBrigadeBureauofGeologyandMineralResourcesExplorationinJiangxiProvince，JiujiangJiangxi332000; 2.GeologicalSurveyInstitute,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan,Hubei430074; 3.HubeiInstituteofUrbanGeologicalEngineering,Wuhan,Hubei430074)

This paper describes Φ219 millimeter large diameter diamond drilling technology by means of drilling tool of water insulation and single rotary and double tube in Zuantianshan mine. In order to get more original state and circular samples of basalt，take concentric drill in the original hole enlarging the diameter to Φ219 millimeter. The authors choose bottom spray type drill bit，design a special adaptor with functions of water-proof and water-return，improve the core recovery,keep the vertical drilling through the use of long drill tool.Using special concentric rubber aprons up and down，control and correction measures of deviation with the centralizer inclinometer , compared with the original hole and the depth of the core, the new hole center deviation compared with the original hole center is small.The results show that boring-core recovery of drilling hole is as high as 95% in important rock seam. The quality of samples of basalt with original state and circular conforms to the geological design requirements.Two new technologies can provide a reference for the similar project

core drilling; large diameter; core recovery; perpendicularity; measuring inclination

2015-11-17;改回日期:2015-12-11

江西省地质勘查基金资助项目(编号:dkjj20130127)。

蒋兵(1964-),男,高级工程师,探矿工程专业,从事探矿工程与岩土工程工作。E-mail:wdkjtj@sina.com

P634

A

1671-1211(2016)02-0231-07

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.02.021

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160303.1057.030.html 数字出版日期:2016-03-03 10:57