金刚石绳索取心技术在红山子地质勘探中的应用

李柏军，宗绪永

（核工业二四〇研究所，辽宁沈阳110032）

金刚石绳索取心技术在红山子地质勘探中的应用

李柏军，宗绪永

（核工业二四〇研究所，辽宁沈阳110032）

金刚石绳索取心技术作为国家的重点推广技术正在被广泛采用。本文介绍了金刚石绳索取心技术在内蒙古红山子地质勘探中的应用情况，并结合施工现场对金刚石绳索取心技术进行了探讨。

金刚石；绳索取心钻进；地质勘探

1 工程地质概况

工作区位于内蒙古赤峰市北部红山子乡，隶属克什克腾旗所辖。地处大兴安岭南段末端，海拔标高一般大于1300m，最高1970m，相对高差大于200m，大部分属中高山区，具有典型山地地貌的特点。

本区大地构造位置位于西伯利亚古板块与中朝古板块接合部位。按构造单元划分，为内蒙古中部地槽褶皱系的温都尔庙－翁牛特旗加里东地槽褶皱带。北邻苏尼特右旗晚海西地槽褶皱带，南部为华北地台。本区基底为海西构造层，由二叠系组成，下二叠统为青凤山组、大石寨组、哲斯组，上二叠统为于家北沟组）、林西组。晚古生代火山岩建造以中性为主，酸性次之。据岩石化学研究成果，二叠纪火山岩生成的构造环境为褶皱带地壳深熔作用形成，发育的构造环境为造山带或岛弧区。中新生代地层分布有侏罗系、白垩系及新近系等。侏罗系仅为上统地层，与上、下地层均呈不整合接触关系，为一套中酸性熔岩、火山碎屑岩建造，分三个组：下部满克头鄂博组为一套酸性熔岩、凝灰岩、粗面岩及碎屑岩组合；中部马尼吐组以安山质熔岩、凝灰岩为主；上部白音高老组为酸性熔岩及流纹质火山碎屑岩，其上为新近系玄武岩及含煤碎屑岩不整合覆盖。下白垩统义县组出露在西部，被大面积第四系覆盖，仅有零星露头。岩性为流纹斑岩、流纹岩及酸性凝灰岩。新近系上新统分布在西拉木伦河以南，岩性为玄武岩夹碎屑岩，含煤。按喷出形式，中生代火山岩以火山碎屑岩为主，次为熔岩，次火山岩较少。其岩性主要有凝灰岩、安山岩、粗面岩、流纹岩等。

利用钻探完成矿体相应网度控制，基本查明矿体在地表的分布规律，赋存状态、矿石类型、断裂构造分布特征等，为矿床开发提供地质依据。该项工程的钻探工作量1300m，钻孔3个，孔深300～500m，钻孔终孔孔径φ75，设置孔号ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5进行地质岩心钻探施工。

2 钻探施工工艺

2.1 钻孔结构

根据地层情况，设计为三级钻孔结构，开孔使用φ110硬质合金钻头单管钻进，开孔钻至完整基岩，再下入φ108孔口管到位，用泥土填实再用钢夹板固定，之后使用φ91金刚石钻头单管钻进，钻至岩层4m，下入φ89套管，钻后更换S75金刚石绳索取心双管钻具进入正常钻进。以钻孔ZKⅡ－7－5为例，钻孔结构示意图如图1。

图1 钻孔结构示意图

2.2 现场布置及设备安装

现场布置：根据钻机型号规定的地盘面积154m2（14m×11m），由于地形复杂地盘面积适当缩小约为140m2，基台木、循环系统布置如图2、图3所示。

图2 基台木布置图

图3 循环系统布置图

设备：XY－44钻机，BW250/40泥浆泵，绳索取心绞车，30k W柴油机，64k W发电机组，拧管机等。

设备安装：平整基台地基、钻孔定位，安装四角斜塔，钻塔底座与钻机采用重型工字钢联接以增强稳定性。用水准仪校正钻机的周正水平，安装天车时要求钢丝绳与滑轮上提引器下垂、钻机立轴中心、孔口中心在同一条铅垂线上。钻机卷扬的钢丝绳经过天车轮和打捞器连接，并向下垂直孔口中心。循环槽、沉淀池、水池、泥浆泵、高压管、机上钻杆，形成完整的吸排水循环系统。柴油机做泥浆泵、发电机组、照明灯、绞车、电焊机、磨光机的动力源。现场使用380伏电源、绝缘铜芯电缆线，电源制控箱分配电源。

2.3 金刚石钻头的选择

该地区岩性主要有凝灰岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，适用金刚石钻进的可钻性、研磨性等级及硬度如表1。

表1

选用φ75的孕镶金刚石钻头，根据钻遇岩性，岩石中硬—硬，坚硬致密，中弱研磨性，钻遇完整地层时金刚石钻头易抛光、打滑，钻进效率低，宜采用高强度，浓度低，胎体硬度HRC15～30的人造孕镶金刚石钻头；钻遇岩层松散、破碎，宜采用浓度高，胎体硬度HRC35～40的人造孕镶金刚石钻头。

2.4 钻进规程参数

压力较普通双管钻头大25%左右，转速差不多，泵量泵压都较普通双管钻进时大些。

（1）钻压

正常钻进直径75mm的孕镶金刚石钻头，要求钻头压力10～12k N，最大压力15k N。根据称重相应控制加、减压数量，以使孔底钻压与称重表所示钻压一致。钻孔的深度越大，钻杆柱中间受到的扭矩越大，易折断，钻压要随孔的加深适当减少。

（2）转速

孕镶金刚石钻头所用金刚石粒度很小，出刃量微小，主要靠转速来获取钻进效率，75mm孕镶钻头转速在400～850r/min，如果岩层较破碎、软硬不均、孔壁不稳定时宜选用下限转速，钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大时尽量选用高转速，反之亦然。

（3）冲洗液泵量

孕镶金刚石钻头唇面与岩面间只存在漫流区，主要靠多个水口循环，加之常以高转速钻进，因此宜用较大的泵量，以防止发生烧钻，泵量值40～60L/min为宜。

为加强排粉能力、钻头冷却效果，减少重复破碎，冲洗液要适中，采用水解聚丙烯酰胺，包裹、絮凝岩屑并增加泥浆粘度，用量0.05～0.1%，使用前将干粉溶成1%浓度的水溶液。采用含基础油的乳化油类润滑剂，用量0.3～0.5%。

3 岩心采取

地质钻探施工中要求岩心采取率≥65%，岩矿心采取率≥85%，因此采取率的高低与钻孔质量休戚相关，每次下钻前要对钻具检查：

（1）外管总成的组装及检查，从弹档头到钻头连接进行检查，钻头及扩孔器是否合适。

（2）内管总成的组装及检查，捞矛头是否折弯和伸直要自如可靠，回管上下提拉要可靠，弹头收缩和张开要可靠、单动机构要灵活、各部件要拧紧、到位报信机构调整要合适、内管要平直、加注润滑油、卡簧与卡簧座的轴向及卡簧的弹性要合适。

（3）打捞器组装及检查：打捞钩松紧、缩、伸张要自如，与捞矛头的配合尺寸要适合，轴承单动性要好，绳索要夹牢。

（4）内外管总成装备及调试：将内外总成在地面放到外管总成内测量轴向长度，卡簧座下端离钻头内台阶要有3～4mm间隙，弹头挡头与弹卡嵌要有2～3mm间隙。

4 钻进技术要素

升降钻具不能太快，过快易使金刚石钻头受到冲击而损坏，钻杆与接手处由于壁薄易造成钻杆折断、拉断。钻具下到位后，开泥浆泵送冲洗液排出岩粉，有冲洗液从孔内返出时用小钻压、慢转速扫孔，离合器离合要轻，过猛易造成钻杆折断、脱扣，钻具到达孔底后采用正常钻进参数钻进。

正常钻进时工作人员精神要高度集中，时刻注意进尺快慢，观察机械运转及倾听孔内钻进声音，如有异常及时采取相应的措施。如进尺过快，可减少钻压，适当增加泵量；如进尺过慢，可适当加大钻压，提高钻进效率；如不进尺，可通过称重判断钻杆是否折断，自重不变则可能是自卡，可采取提钻或者对金刚石钻头抛光、打滑。

钻遇复杂地层应注意以下几项：

（1）缩水、遇水膨胀的底层，钻进时应增大卡簧座与钻头的间隙（大于0.3mm），低泵量、低转速钻进，以提高岩心采取率，保护孔壁，待穿过该底层后恢复正常钻进参数。

（2）孔内不进尺，岩心堵塞，泵压升高，此时需提钻以防止岩心自磨或者提不起内管。

（3）如内管堵死，可尝试在钻杆柱悬空状态时重新高转速送水回转，将堵塞的岩心甩掉，或送水继续钻进，将堵塞的岩心自磨掉。

（4）打滑导致进尺慢时，可投入一些碎石子，加快钻头金刚石颗粒的出露，从而加快进尺。

（5）地层破碎，冲洗液漏失的地层，可灌注水泥浆液或聚丙烯酰胺浆液。

（6）地层破碎以致上部钻孔坍塌的地层，可按二级钻孔孔径扩孔，穿过坍塌地层后下套管护壁，扩孔时泵量适当加大将岩粉虽泥浆携带出地表。

5 事故预防和处理

（1）在升降钻具过程中要预防跑管事故，可能造成钻杆与接手形成喇叭口，钻杆柱与孔壁摩擦阻力增大甚至造成钻孔报废。

（2）不合理的钻进参数可以造成烧钻，同时冲洗液采用低固相、低粘度、低失水性的泥浆。

（3）在松散破碎地层要严格控制除砂，防止钻杆内壁形成泥皮而造成提不出内管，如出现该事故可在钻杆中加入柴油与机油的混合油。

（4）钻进中难免遇到钻杆或接手折断，可有丝锥将钻杆柱提出。

（5）钻遇卡钻，可慢速转动同时上下串动，以将掉块磨损掉。

6 结论

钻孔ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5金刚石绳索取心钻进的施工方法和经验，充分显示了金刚石绳索取心钻进方法的优越性，工程质量高，钻进效率高，钻头寿命高，事故率低，劳动强度低，设备材料消耗小，取得了良好的经济效益。本文根据该工程总结了一些施工工艺和经验，绳索取心钻进工艺也将会在更多的地质工作中得到广泛应用。

［1］ 陈木炎.绳索取心冲击回转钻进效果及其工艺探讨［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），1988（4）.

［2］ 李文忠.金刚石绳索取心钻进复杂地层的两项技术措施［J］.煤田地质与勘探，1992（4）.

［3］ 魏臣.提高绳索取心钻进效率的有效途径［J］.中国煤田地质，2006（12）.

［4］ 张相.绳索取心钻进在新疆煤田地质勘探中的应用［J］.中国煤炭地质，2007（6）.

［5］ 张永勤.提高金刚石绳索取心钻探效率的创新［C］.探矿工程（岩土钻掘工程），2007.

页岩气发展规划（2011－2015年）发布

【本刊讯】为加快我国页岩气发展步伐，规范和引导“十二五”期间页岩气开发利用，国家发改委、财政厅、国土资源厅和能源局于2012年3月16日联合发布了《页岩气发展规划（2011－2015年）》。

《规划》包括前言、基础和背景、指导方针和目标、重点任务、规划实施、社会效益与环保评估六个部分，提出我国页岩气的总体发展目标是：到2015年，基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，掌握页岩气资源潜力与分布，优选一批页岩气远景区和有利目标区，建成一批页岩气勘探开发区，初步实现规模化生产；具体目标是：在“十二五”期间，探明页岩气地质储量6000亿立方米，可采储量2000亿立方米，2015年页岩气产量65亿立方米。

据报道，2011年我国石油对外依存度达到56.3%，天然气对外依存度达到21.56%，能源安全问题亟待解决。页岩气是一种非常规能源，成分与天然气相似，能有效补充传统化石能源的需求缺口。根据国土资源部发布的数据显示，我国陆域页岩气地质资源潜力为134.42万亿立方米，可采资源潜力为25万亿立方米，超过常规天然气资源，页岩气开发将成为解决我国能源安全问题的重要途径，未来需求空间巨大。

目前，我国页岩气开发仍面临资源情况不明了、关键技术不具备、基础设施不配套、法规政策不健全、勘探开发不经济等诸多问题。所以，“十二五”期间是我国页岩气开发的起步期，主要任务是明确资源情况、攻克关键技术、建设基础设施、完善法规政策以保障页岩气开发在“十三五”期间的加速发展。

据国土资源部发布的全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选成果显示，我国页岩气地质资源潜力为134万亿立方米，可采资源潜力为25万亿立方米。

据了解，国土资源部关于将页岩气作为独立矿种的申请已经得到了国务院正式批准，页岩气成为我国第172个矿种。独立矿种的确定，将为社会资金进入页岩气勘查开发领域提供机会。页岩气探矿权的出让将采用竞争方式，国土资源部今年准备开展1～2批页岩气探矿权招标出让。同时，在《找矿突破战略行动纲要（2011－2020年）》中，将页岩气作为重点能源矿产，鼓励各种投资主体进入其勘探开发领域。随着页岩气产业的发展，有望使我国的油气资源开发格局得到改变。

P634.53

A

1009－282X（2012）03－0026－03

2012－02－28

李柏军（1987－），男，吉林长春人，本科，技术员，钻探工艺，毕业于吉林大学勘查工程系，Tel：18604017850，E－mail：libaijun000＠163.com；宗绪永（1967－），男，辽宁葫芦岛，本科，高级工程师，钻探工艺，毕业于长春地质学院探矿工程系。