提高深部钻探取芯质量的技术方法探讨

秦承春

（山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

提高深部钻探取芯质量的技术方法探讨

秦承春*

（山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006）

我们在进行地质矿产勘探的过程当中，离不开钻探、取芯的技术支持，尤其是在是深部地质矿产勘探中，我们唯一能够依靠的就只有钻探取芯，通过钻探取芯可以帮助我们了解深部的地质情况和矿产资源情况，这是我们进行矿产开发的前提条件。因此，探讨如何提高深部钻探的取芯质量和取芯效率就显得至关重要。基于作者自身的实际工作与学习经验，主要从技术方法等角度出发，对如何提高深部钻探的取芯质量和取芯效率提出了部分探讨性建议，以期能对我国地质矿产勘探事业的发展起到促进作用。

深部钻探；取芯；质量；效率

1　深部钻探取芯设备选择

通过实际的工作经验总结我们都知道，在进行钻探取芯时，不论是钻探取芯设备还是具体的技术方法，都可能会对钻探取芯的效率、质量甚至是成本带来影响。因此，想要提高深部钻探取芯质量与效率，减低钻探取芯成本，首先应合理选择设备，在保证设备性能能够满足工程需求的同时，实现对成本的有效控制。

在深部钻探取芯设备选择的过程当中，应根据以下几点基本原则，合理选择设备器具：第一，首先是要对工程施工的目的、条件、技术要求等，合理选择钻机类型。在确定钻机类型后，再合理选择配套的其他器具，例如动力机、钻塔和泥浆泵等等；其次，选择钻机类型时，应优先选择立轴行程较大、变速范围较宽和重心较低的钻机类型；第三，钻机尽量通过电能驱动，而且为了确保钻机运行的稳定性、安全性，应当为钻机配备发电机组；第四，要确保所有的设备、器具都符合行业或国家的相关标准，这既可以确保钻探取芯的质量与效率，同时还可以保障施工的安全性；第五，要考虑选择同类厂家系统总成、部件等是否有互换性的生产设备；第六，在绳索取芯钻进过程当中钻杆的质量能性能至关重要，它紧紧关系着钻进的效率和安全，所以应当根据实际情况合理宣传绳索取芯钻杆管材，常见的2种绳索取芯钻杆管材性能如表1所示，在实际的施工过程当中，应当根据需求选择最合适的钻杆管材。

表1　常用绳索取芯钻杆管材性能

当前，国际上较为流行的深部探矿设备主要采用长行程全液压动力钻机进行取芯，该类设备的启动与停止都是非常平稳的，行程较长，动作调控方便，在斜孔钻探取芯工程中具有明显优势。绳索取芯钻进时，取芯和加钻杆时具有无须将钻杆提离孔底的优点，特别是在复杂地层中，这种钻探设备优势更加明显。而当前我国应用最广的深部钻探设备是机械传动和液压控制的立轴岩芯、矿芯钻机和以金刚石绳索取芯为主体的钻探器具。该类设备主要具有可靠实用、成本较低、结构和维护简单、操作简便等特点。它在构成相对简单的深部地层中进行钻探取芯能够取得较好的质量效果，但是如果深部地层较为复杂，则在取芯的过程中，必须将钻具提离孔底较大距离，容易导致孔底坍塌掉块和钻头重复破碎造成岩芯、矿芯堵塞，会对取芯质量产生极大的影响。因此，如何提高我国未来地质找矿钻探效率并降低成本，开发利用机械传动液压控制长行程立轴式不停车倒杆岩芯、矿芯钻机，采用无主动钻杆于机上加杆，配套高效节能绳索取芯及空气反循环连续取样钻探技术手法，是钻探取芯技术未来发展的主要方向之一。当然，在过程中，由于国外设备价格相对较高而导致国内难以大量购置利用，间接影响找矿钻探取芯工作的完整性和连续性，从而某中程度上影响了找矿成果［1］。

2　钻探取芯施工工艺和方法优化要

目前使用的常规钻探取芯方法可以满足浅部比较完整或不很严重破碎的基岩以及泥岩等地层取芯的质量要求。对于砂卵石覆盖层、软酥脆岩层、破碎的挤压破碎带、基岩的断层带、软弱夹层等这类结构比较复杂的地层，则必须经过采用特殊的工艺技术措施和特殊的工具才能满足取芯的质量要求。所以，为了确保复杂底层钻探取芯效率和质量，对钻探施工工艺和方法的优化迫在眉睫［2］。

除了提高对各种地层钻探取芯施工工艺和方法外，在钻探取芯过程中，特别是深部钻探的岩芯、矿芯提取中，对钻具的优化使用也是非常关键的。采用合适的钻具在不同的地质环境中能最大限度地提高钻探岩芯、矿芯采取率。深部钻孔施工过程中影响岩芯、矿芯采取率的取芯钻具有3个方面：钻具的种类、结构和加工质量等。钻具包括单管钻具、孔底反循环钻具、单动双管钻具等。其中单管钻具只在岩层完整和对取芯质量无严格要求的地层中使用，孔底反循环钻具存在岩芯、矿芯严重分选和混乱等缺陷，现在在施工中已经很少应用。单动双管钻具所用的钻头有电镀金刚石钻头、热压孕镶金刚石钻头、硬质合金钻头和复合片钻头等。一般情况下，在深部钻孔的施工中应该根据岩石的不同特征，选择相适应的钻头类型、设计相关的技术参数，这样才能获得较好的岩芯、矿芯采取效果，绳索取芯金刚石钻进技术参数常见配置如表2所示［3］。

表2　绳索取芯金刚石钻进技术参数常见配置

选择钻具类型和设计参数的基本要求是要能够钻进速度快，钻进中不易堵岩芯、矿芯，不因切削具的振动而破碎岩芯、矿芯，磨损岩芯、矿芯等。实践证明如果选择的钻头进尺快，岩芯、矿芯在钻头处停留的时间就短，被冲洗液冲刷的时间也就短；钻头设计的内径磨损小，不呈喇叭口，保径效果好，在钻探施工过程中就不易堵岩芯、矿芯，就能避免岩芯、矿芯自磨；硬质合金双管钻头和复合片钻头不设计内出刃，这样在软岩中钻进不会因为钻具的晃动使岩芯、矿芯直径变小；如果选用硬质合金钻头和复合片钻头在某些硬度不高的脆性岩层中钻进，就会因为振动较大，岩芯、矿芯破碎呈小颗粒状和砂砾状而无法卡取（如大理岩、硅质岩、白云岩等）。上述施工工艺和方法都对深部钻孔取芯质量有重大影响［4］。

3　实例分析

3.1工程概况

某探矿工程监测站布置工程地质取芯钻孔1个，深度1200m，目的是查明1200检测深度范围的工程地质背景，并建立1200m以浅地层岩性剖面，供科普教育以及永久性展览［5］。该1200m工程地质取芯钻孔属于深部钻探，主要是对矿区地质进行探测，为了确保地层分层的准确性，岩芯采取率要求较高，粘性土为90%以上，砂性土70%以上。同时要保证所采取的原状土样不被扰动，以保证室内应力实验的真实性。另外，取芯结束后，该钻孔要扩孔建成1200m分层标，因此，要求终孔时钻孔垂直度不大于1°。

3.2取芯钻探工艺的研究改进

综合考虑该地区的地层特性，在研究分析目前普遍采用的单管干钻投球钻探取芯工艺利弊的基础上，针对本工程钻探取芯技术要求，技术人员尝试性地实施了“孔内搅拌泥浆”、不采用护壁管、对常规的取芯工具进行研究改良等措施，不仅高标准地完成了该项目钻孔取芯要求，而且节约了成本。各项研究改良措施分述如下。

（1）钻孔内搅拌泥浆护壁法。该1200m超深地质钻孔所处的构造区内，浅部地层松散、液化流变性强，成孔过程中易出现倾斜、坍塌等钻探事故，按常规需下入护壁套管至正常固结的地层（20m以下）［6］，在保证钻孔垂直度的同时，进行人工护壁。

技术人员在仔细分析研究工作区地层条件后，提出采用孔内泥浆搅拌法，不下护壁管的技术措施，即：Øl10mm口径取芯钻进20m后，先采用Ø140mm口径钻头扩孔至20m，然后采用Ø400mm口径的六翼螺旋钻头扩孔至15m，预留小径孔段5m，用于二次开孔钻进。大泵量冲孔、清孔后，回填优质高岭土至孔口。当高岭土彻底浸透后，再采用Ø400mm的六翼螺旋钻头自上而下在孔内搅拌，高岭土在充分的搅拌过程中挤向孔壁形成人工护壁层。在搅拌时要严格控制水泵泵量，同时加入纯碱、聚丙烯酰胺等泥浆添加剂，控制泥浆性能指标：粘度20～23s、比重1.03～1.05g/cm2、pH值7.5～8.5，在孔内形成优质泥浆。施工过程中应确保孔内泥浆液面高度不能低于孔口0.5m，防止因压差造成孔内坍塌（孔内搅拌泥浆护壁过程见图1）。

图1　孔内搅泥浆护壁过程示意图

孔内搅拌泥浆护壁的方法，保持了孔壁的完整性，节约了护壁管的投入资金，工艺操作简单可行，同时大大缩短了钻探周期。在长达3个月的钻探过程中，没有出现孔壁坍塌现象，证明该项技术改进是非常成功的。

3.3钻探取芯钻具的改进

（1）异径接头钻具的改进。平原凹陷区内地层松散，流变性强，易冲蚀，易扰动，岩芯采取率较低，尤其以天津滨海新区地层为代表。为保证岩芯采取率，对取芯钻具的异径接头在原有基础上进行了研究改良。改进后的异径接头外径Øl27mm，成梯形，最小端Ø110mm。内中心孔为盲端，与水平方向均布的4个Øl5mm的小孔相连通，能分散并减小泥浆对岩芯管内岩芯的冲射，使高压泥浆不直接冲蚀岩芯，有效地保证了岩芯的完整性。

（2）取芯钻头的改进。针对项目的要求，对常规采用的硬质合金钻头进行了改进［7］。改进后钻头直径为Ø130mm，长度150mm，有4个月牙形的出水口，高度10mm，外肋骨4个，厚度5mm，内出刃直径3mm，底出刃2mm。与传统的合金肋骨钻头相比较：改进后的钻头，减小了钻头底面积，缩小了钻头对地层的切削面，减小了取芯过程中对岩芯的磨损及扰动，同时缩短了钻进时间，提高了钻进效率及岩芯采取率。

（3）岩芯保护罩。为切实保护岩芯管内的岩芯不被扰动，同时提高钻进巨厚砂层时的岩芯采取率，研究设计了岩芯保护罩。岩芯保护罩长度300mm，外径Ø114mm，材质为硅胶。外径大于取芯钻头内出刃对角距离，保证其在下钻过程中不掉入孔底。在钻进取芯过程中，岩芯不断进入岩芯管中，保护罩随之升高，保护罩使岩芯不会被射流冲走，对冲洗液起缓冲作用，使冲洗液不直接冲蚀岩芯，提高采取率的同时，有效地保证了岩芯不被扰动。

4　结语

在现代环境条件下，矿产决定着一个国家在多方领域的发展，尤其是生产制造和科研创新等领域，都不离不开矿产资源的支持，所以地质矿产勘探工作就显得至关重要，因为地质矿产勘探是矿产开发的前提条件。可靠准确的地质矿产勘探工作能够提供准确的地质和矿产资源信息，从而能够对矿产资源的价值进行准确的判断。因此需要不断提高深部钻探的质量和效率，为矿产资源开发提供科学、准确且具有价值的参考资料。

［1］吴书亮.谈深部探矿钻探特点及技术［J］.山西建筑，2015（1）：88-89.

［2］孙建国，邹悦，张亚振.浅谈绳索取芯技术的优势［J］.河北农机，2015（3）：44.

［3］袁宜勋，雷超.复杂地层深孔取芯钻探事故的处理方法［J］.人民长江，2015（14）：98-101.

［4］王奇峰.破碎地层金刚石绳索取芯的钻进经验［J］.能源与节能，2014（4）：42-43.

［5］祁伟.哈达门沟深孔取芯钻探技术总结［J］.内蒙古煤炭经济，2014（5）：179，189.

［6］王书豪.大口径孕镶复合体金刚石取芯钻探技术及其应用［J］.硅谷，2014（3）：101-102.

［7］王盛.绳索取芯液动潜孔锤钻进技术在岩芯钻探中的研究与应用［J］.西部探矿工程，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（汉族），山东临沂人，工程师，现从事探矿工程、岩土工程等施工与技术管理工作。