三层管钻具在松散破碎岩层矿区绳索取心中的应用

余 光，赵艳林，张江平

(西南有色昆明勘测设计(院)股份有限公司，云南 昆明 650214)

缅甸联邦共和国某铜矿为露天开采矿山，其工业铜矿体规模大，我们西南有色昆明勘测设计(院)股份有限公司，承担了该铜矿山的生产勘探任务。面对矿山矿体形态、产状、结构、厚度、品位等变化较大，以及矿区岩层极为破碎的实际，钻探施工主要全程运用了三层管金刚石钻探取芯技术，极大提高了岩心采取率的同时有效提高了工作效率。为整个生产勘探任务的完成打下了坚实基础

1 矿区地质慨况

1.1 矿区地层

矿区出露地层总体较简单，主要为古近系渐新统达马帕拉组(E3d)砂岩、石英砂岩；中新统-上新统(N1-2m)马吉岗组火山碎屑岩、砂岩；第四系更新统坎岗组Qpk)粉砂岩、泥质砂岩、第四系全新统(Qh)残坡积层、冲洪积层。

矿区岩浆岩为中新世侵入岩，矿体赋存于安山斑岩体上部0-200m范围，岩石遭受风化淋滤，岩石铜矿化，硅化、赤铁矿化作用强烈，表现为岩石坚硬、性脆，加之矿区节理裂隙极为发育，整个矿区(照片1)岩层极为破碎，岩块完整程度低。下部赋矿斑岩由于泥化、绢云母化、硅化等蚀变作用强烈且蚀变带不稳定，岩性差异明显，且节理裂隙发育，岩石完整程度更低。

1.2 矿区岩石工程地质特性

根据现场野外调查整理、分析矿区的主要结构面有断层(Ⅱ级)、风化界面(Ⅲ级)、节理裂隙(Ⅳ级)三种，其特征如下

(1)断裂-断层(Ⅱ级结构面)：矿区的Ⅱ级结构面主要为北东向断裂：F1断层及西侧破碎带；断层破碎带特征明显，采坑边坡及钻孔均有揭露，呈含粘土碎石土状，较为破碎，蚀变现象较为强烈，遇水极易软化，暴露后易风化，对岩体稳定性影响较大(照片2)。

(2)风化界面(Ⅲ级结构面)：通过调查及钻孔揭露，矿区内基岩风化程度主要以强风化及中风化为主，地表分布多为强风化。强风化界面埋深约11.94m～218.24m，厚约10.25m～149.54m，平均51.27m。由于差异风化，局部厚度变厚，风化界面呈不规则起伏，且呈渐变过渡，并无统一、规则的结构面存在(照片3)。因此就风化界面来看，其对矿山边坡稳定性影响程度有限。

照片1 矿区现状及钻探施工照片

照片2 KDDE06揭露的构造角砾岩Photo 2.Structure Breccia Achieved by KDDE06

照片3 KDDL03揭露的强风化斑岩Photo 3.Intense weathering Porphyry Achieved by KDDL03

(3)节理裂隙(Ⅳ级结构面)：该区岩体节理裂隙普遍较为发育，地表上部以垂直裂隙为主，局部较为密集，相互穿插，呈网脉状。对岩体稳定存在影响，破坏了岩体的完整性(照片4)，根据野外调查主要结构分布方向，矿区内节理裂隙主要以北东及北西向发育为主，根据野外调查对矿区277条节理裂隙进行统计，其分布情况见节理裂隙散点分布图(图1)及矿区节理裂隙倾向等密度图(图2)。

从图1、图2可以看出，矿区发育的节理裂隙优势结构面主要有两组：一组产状为 145°∠75°、另一组产状为317°∠80°；但因其接近地表部分多充填褐铁矿，下部则多充填黄铁矿，闭合性较好，主要影响是切割岩体呈块状、碎块状，降低岩体强度和破坏岩体完整性。

总体上看，矿区岩石坚硬、性脆，构造发育。这很大程度上影响到了钻探施工过程中的岩石采芯质量，对钻探技术及工艺的选择是一大挑战。

照片4 采坑边坡出露基岩节理裂隙发

图1 节理裂隙散点分布图Fig 1.Disperse Joint Fissure Distribution

图2 节理裂隙倾向等密度图Fig 2.Isodensity of Joint Fissure Dip

2 钻探设备选择

结合该矿区道路交通情况，比对了国内钻探设备的经济效益，最终选用了北京天和众邦勘探技术股份有限公司生产的CSD1300G和CSD500L型钻机各一台开展本次勘探工作。两台设备的主要参数见表1。

表1 钻探设备主要参数

3 三层管钻具

为减少岩心在施工过程中的漏失量，最大程度保证样品品位的真实性，本次勘查工程采用三层管绳索取心工艺。三层管钻具选用金石钻探(唐山)股份有限公司(原唐山市金石超硬材料有限公司)生产的JSC型绳索取心三层管钻具。绳索取心三层管钻具与普通绳索取心钻具相比，大体结构相似，在普通绳索取心钻具内管的基础上增加了一套半合管。带半合管的内管结构见图3。

图3中A14所示部件即为半合管，半合管与内管由A13部件连接，为塞入式铜制柱状结构，无螺纹连接，取岩心仅需将半合管掰开即可，操作方便实用。钻具结构突出的特点如下。

(1)三层滑动机构：由于矿区整体岩性破碎，怕振动，易受到机械磨损，必须保证钻具的单动性能。传统的钻具主要是双动双管结构，使钻具内管与外观相对运动，从而减少钻具对岩心的机械磨损。这种钻具的单动性能用在完整地层时比较可靠，但在破碎地层钻进时往往容易因岩心碎粒的塞入，失去保护效果。为此，在原双动机构的基础上，除外观与内管相互运动外，又增加了一层单动层，与原来的双动机构构成了三层滑动机构，强化了钻具转动对岩心的保护。

(2)隔水防冲刷结构：为了保证内管不回转，卡簧座与钻头之问必须留有间隙，但由于间隙的存在，冲洗液会冲刷岩心。为此，一方面采用阶梯钻头和侧喷水眼结构；另一方面在卡簧座外侧，增加了4～5道环形槽。阶梯钻头内环相当于超前钻头，从而罩住松散的岩样，使侧喷水眼不能冲刷岩心根部，同时不容易被封堵，保持冲洗液循环畅通。卡簧座上的几道环形槽，经过儿道减压后，进入内管的冲洗液的力很小，只起到润滑防卡的作用。

图3 三层管钻具内管结构图

4 钻进工艺

本次生产勘探施工钻孔终孔孔径大部分为HQ孔径，仅少量孔深超过400m、施工难度较大的采用NQ孔径终孔。

上部淋滤帽段采用PQ三重管钻具钻进，钻进到砂岩、粉砂岩地层采用HQ三重管钻具钻进，根据钻孔见矿情况及孔深，再决定是HQ或是NQ孔径终孔。

上部淋滤帽段采用植物胶+聚丙烯酰胺+钠土粉的混合泥浆，主要加强排粉及护壁，以钻孔失水和岩心为依据观察地层变化。钻进到砂岩、粉砂岩地层后提钻，下入套管换HQ三重管钻具继续钻进。

砂岩、粉砂岩段采用植物胶加少量钠土粉的混合泥浆钻进，主要是加强排粉。在不频繁升降钻具的前提下对孔壁破坏较小，钻进都比较顺利。

在钻进过程中，内管下节在钻进取心时是从动保护半合管，在岩心提取时，内管下节和爪簧座总成是在自重力作用下通过回转器的轴向滑移作用下滑，包裹住半合管、卡簧座及岩心，此时爪簧座总成的爪簧片收拢，从而在岩心提取时对岩心形成二次保护，提高岩心的采取率。

在回次工作结束后，通过绳索取心将内管打捞出地面，拆卸下卡簧座、内管下节及内管上节，用人工推力将半合管从内管中滑移出来，将半合管的其中一半剥离，即可按钻进方向将岩心按顺序装箱保存(照片5)。

照片5 相同矿区三层管绳索取心工艺施工岩心

从照片5上可以明显看出三层管所取岩心对地层节理、裂隙反应清楚、明晰，岩心碎块、碎屑等也都基本保持原状，减少了对地层的机械破坏，对岩心的保护也更完整，更直观的反应了地层情况。

5 孔内事故处理

在淋滤帽与砂岩的接触部位，因钻孔突然失水，少量钻孔造成烧钻，事故位置最深约为160米。因钻机的限制，对此类事故都采用切割的方式进行处理。在事故钻具内部下入HQ钻具带割刀进入事故钻具钻头上方，以水力驱动割刀将事故钻头锯断，再根据钻孔实际情况选择选用NQ钻具继续钻进或是PQ钻具消灭事故钻头后继续钻进。此种处理方法效果较好，仅有1个钻孔因事故处理不当挪孔重打。

6 成果介绍

本次钻探工程共施工钻孔106个，有效进尺30605.41m，钻孔倾角为-65°～-90°。经统计，各钻孔岩芯采取率为84.2%～100%，围岩平均采取率98.46%，矿芯采取率99.26%，总采取率98.86%(仅有极个别回次遇破碎或钻具故障采取率略低)，采取率较高，满足合同规定矿层采取率不低于80%的要求，满足国内规范规定全孔采取率不低于65%，矿层采取率不低于75%的要求。经岱海湖泊取样应用证明，三层管压卡取样钻具能够满足环境科学钻探高质量取心的要求，取心率达到100%，样品无污染、受扰动性小，保持地层原始层状。而且，同传统绳索取心相比，三层管钻具具有以下特点：

(1)单动性能灵活活，对样品损耗小；

(2)消除干钻取心对样品的挤压破坏，取样质量好；

(3)岩心爪可有效保护岩心，防止脱落丢心，保证样品的连续性；

(4)操作简单，拆卸安装方便；

(5)结构设计合理，取样效果可靠。