空气潜孔锤在含金砾岩地层中的钻进试验

皮微微，杨春柳

空气潜孔锤在含金砾岩地层中的钻进试验

皮微微，杨春柳

(吉林省第六地质探矿工程大队，吉林 延吉 133401)

针对珲春金泉岗矿区地质结构复杂，砂金赋存在松散的砾岩层中，采用常规泥浆回转钻进，无法获取砂金，为解决矿区面临的勘探技术难题，作者研究试验了空气潜孔锤钻进技术，通过砾岩松散地层的试验证明，空气潜孔锤钻进钻遇砾岩地层可以实现正常钻进，并且具有效率高，成本低，劳动强度小等优点。在玄武岩地层钻进效率最高可达9.5 m/h，为解决含金砾岩地层钻进提供了行之有效的方法，同时也解决了缺水地区或严重漏失地层，钻井液用水难和传统开孔或一开泥浆回转钻进工艺等复杂问题。

潜孔锤；空气；砾岩；钻进；试验

1 问题提出

传统观念认为空气潜孔锤钻进工艺适用于坚硬岩石(硬、脆、碎地层)，与常规泥浆回转钻进相比，具有钻进效率高，成本低，劳动强度小，无地层污染等特点，广泛应用于缺水地区打井、煤层气、页岩气、地热、地质资源勘查、浅层地热能地埋管钻孔、矿山采空区和基础工程等领域。

多数基岩地区上部由黏土、砂质黏土、洪积物、坡积物、卵石等松散地层覆盖，当遇到上部覆盖松散地层时，常规的钻探方法是在开孔或一开采用泥浆回转钻进至完整基岩，下入孔口管或一开技术套管后，再使用空气潜孔锤工艺钻进，或者采用跟管工艺实现正常钻进，这也是目前国内普遍采用的主要钻进方法。其主要问题是：采用泥浆钻进松散覆盖层时，首先需要大量用水和钻井液材料，在缺水地区势必增加钻井液成本和污染浅层地下水，其次需要购置开孔或一开钻头和跟管所需要的管材，增加钻探单位成本，然而开孔或一开常规回转钻进时，由于钻压小，钻进效率低，而遇到难破碎、难成孔和岩心采取率极底的复杂地层时，卡钻、埋钻事故频发。

为解决上述问题，简化钻具配套和钻进工艺，我队在总结20世纪80年代末期在珲春北土门子和黄松甸矿区试验经验的基础上，在珲春金泉岗矿区进行了空气潜孔锤在含金砾岩松散地层中的钻进试验。试验结果表明，空气潜孔锤不仅适用于基岩地层钻进，在砾岩松散地层同样可以实现正常钻进，并且具有显著的成效。

2 试验区地质与地层

2.1 试验区自然地理概况

试验区位于长白山北段的蟠岭山脉，珲春平原的西北缘，珲春—春化隆起的北部，地势属中低山区，最高山峰为试验区西部的金泉岗，海拔高程848 m，一般海拔高程为500～800 m，相对高差近300 m，地形坡度一般为20～25°，区内植被发育，覆盖严重，基岩出露不佳。

2.2 成矿构造与地层

区内第三系含金砾岩为主要含矿层，砾岩金的富集成矿与盆地的岩相古地理环境密切相关，控制第三系盆地沉积的构造形迹主要表现为继承性活动的东西向和北东向基底构造，它们一方面控制盆地的基底的古地貌形态，另一方面则形成了盆缘断裂控制盆地沉积和充填格局。试验区内地层主要有第三系中新统土门子组和上新统船底玄武岩等，主要岩性为玄武岩，呈斑状结构。气孔状构造，厚度大于80 m，其次为巨砾岩、砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩，底部砾岩为主要含金层，呈角度不整合覆盖于华力西晚期花岗闪长岩、闪长岩，构成含矿地层基底岩石。

3 试验区钻孔设计及钻探设备机具

3.1 试验钻孔设计

钻探工程主要用于控制砾岩型金矿体，查明其规模、形态、产状及品位等变化情况，为深入开展详查评价工作提供依据。

根据上述工作部署的原则和勘查工程间距，设计了3、6、7、8、9共5条勘探线，方位150°，设计了23个钻孔，其位置分别选择在金泉岗东西部，因区内成矿地质条件比较优越，不仅具有多金属矿的成矿背景，更重要的是还具有砾岩型金矿得天独厚的成矿条件，钻遇地层上部为松散覆盖层0.5～1 m，主要有黏土、黏土含砾石，下部基岩主要为玄武岩，松散砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩，厚度20～30 m，钻孔设计及深度80～150 m，孔径120 mm。

表1 部分试验钻孔结构设计

3.2 钻探设备机具选择

选择使用北京天和众邦CSD/300L全液压地表钻机，英格索兰RHP750型移动空压机，额定压力2.07 MPa，风量21.2 m3/min，SBZ89/43型外平双壁钻杆，中国地质科学院勘探技术研究所研制的F130型贯通式潜孔锤和河北宣化苏普曼钻具有限公司研制的SP4.5型普通潜孔锤，∅120 mm冲击钻头(球齿合金)。

现场设备及试验机具参见图1～图3。

图1 钻机

图2 空压机

图3 钻杆和潜孔锤

4 钻孔试验情况

4.1 不同孔径实际上返速度评价

采用空气潜孔锤实现正常钻进所需的上返速度一般在15～25 m/s，空压机供风量可按式(1)计算。

(1)

式中：Q—空压机供风量，m3/min；K1—孔深修正系数，孔深100～200 m时，K1=1.05～1.1；K2—孔内涌水量影响系数，干孔K2=1，中小涌水量时K2=1.5；D—钻孔实际直径，m；d—钻杆外径，m；v—上返速度，一般要求15～25 m/s。

已知空压机风量21.2 m3/min，取K1=1.05，K2=1.0，代入式(1)，计算出4个钻孔的实际上返速度，详见表2。

表2 部分试验钻孔实际上返速度

从表2可以看出：在空压机额定风量条件下，1号和2号孔的上返速度为47.86 m/s，3号和4号孔的上返速度为66.25 m/s，满足正常钻进15～25 m/s的要求。

4.2 钻具组合与钻进方法

在试验区选择使用了中国地质科学院勘探技术研究所研制的F335型贯通式潜孔锤和河北宣化苏普曼钻具有限公司公司研制的SPM4.5型普通潜孔锤，F335钻具组合为∅120 mm反循环钻头+F335型贯通式潜孔锤+SBZ89/43型外平式双壁钻杆+∅89 mm/43 mm双壁主动钻杆+SBC89/43型双通道气水龙头。

SPM4.5钻孔钻具组合：∅120 mm冲击钻头+SPM4.5型潜孔锤+交叉接头+SBZ89/43型外平式双壁钻杆+∅89 mm/43 mm双壁主动钻杆+SBC89/43型双通道气水龙头。

开孔用∅150 mm硬质合金钻头，采用空气干钻方法钻至0.5～1 m，下入∅146 mm孔口保护管，用土固定和密实，然后采用不同钻具组合进行空气潜孔锤钻进。潜孔锤初始风压为0.6 MPa，在孔内工作时的工作压力在0.8～1.0 MPa之间。

4.3 F335潜孔锤与SPM4.5潜孔锤试验情况

在珲春金泉岗矿区先后使用了贯通式潜孔钻进技术和普通空气潜孔锤钻进技术，两种潜孔锤的工作原理不同之处是贯通式潜孔锤实施孔底反循环连续取样技术，孔底冲击的钻屑，通过钻头底部的排渣口，随着高压雾化的空气高速上返至地表(上返速度15～25 m/s)，由于钻孔设计直径为120 mm，在满足潜孔锤高频率、大冲击功的必要条件下，为提高效率，钻头底表面要镶足量的合金，因此，造成钻头排渣孔横截面积过小，在松散砾岩地层或潮湿地层钻进，易堵塞排渣孔，处置不当，只能提钻处理，从而减少了纯钻进时间，增加了辅助时间和工人的劳动强度。

普通空气潜孔锤钻进技术，是一种局部反循环连续取样钻进方法，它利用普通潜孔锤在孔底实现高速冲击回转全面碎岩，同时采用正循环方式携带破碎的岩屑上行，并通过连接潜孔锤上方的交叉接头进入双壁钻杆中心通道，通过高压雾化空气，高速上返至地表，因交叉接头的排渣孔断面积大，因此，钻屑不易堵塞。

通过23个钻孔的原始记录分析，两种技术钻进效率略有差异，因完成的钻孔数量较多，不一一列举，仅以在不同勘探线施工的10个孔为代表来说明F335和SPM4.5潜孔锤的钻进效率(详见表3)。前期使用的贯通式潜孔锤最高时效5.18 m/h，最低2.85 m/h，普通空气潜孔锤最高时效4.93 m/h，最低时效2.20 m/h，而后者的钻探单位成本低于前者，工人的劳动强度也相对较低。

表3 F335与SPM4.5潜孔锤纯钻效率对照表

从表3可得，使用SPM4.5型潜孔锤施工的5个钻孔，平均纯钻效率达4.44 m/h，使用F335潜孔锤施工的5个钻孔平均纯钻效率达4.12 m/h，两者相差8%。

5 结论

(1)通过试验表明，空气潜孔锤可以用于松散砾岩层钻进，并且具有工艺简单、效率高、成本低、劳动强度小等特点，今后将推广使用普通空气潜孔锤钻进技术。

(2)在松散破碎含水较少的地层中，孔底岩渣和岩粉大部分随高压空气返出地面，少部分充填在破碎或裂隙中，起到保护孔壁不坍塌作用。

(3)在同样地层空气潜孔锤钻进，上返速度越高，钻进效率越高。

(4)小口径钻进可用于岩心钻探领域或浅层地热能地埋管孔施工，大口径则可用于干旱缺水地区打井工程或基础施工工程。

[1] 卢予北,王建华,陈莹,等. 空气潜孔锤在松散地层中的钻进试验[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)2014.41(7):9-11.

2016-12-06

皮微微(1978-)，女，吉林农安人，工程师，从事探矿(岩土)工程管理与技术研究工作，吉林省延吉市朝阳川镇第六探矿工程大队，Tel：13944702548，E-mail：ltddgcb@163.com。

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