潜孔锤反循环钻探工艺试验研究

王致民

（福建省121地质大队　福建　龙岩　364000）

潜孔锤反循环钻探工艺试验研究

王致民

（福建省121地质大队福建龙岩364000）

为适应时代的快速发展，人们对各种资源的开采也逐渐增多，导致许多不可再生资源出现枯竭的状态，其中与人们生活关系最为密切的矿产资源的储量已经濒临枯竭，为贯彻经济和社会可持续发展的政策，需要加强对矿产资源的勘察力度和勘察范围，针对这一需求，贯通式潜孔锤反循环钻探工艺被得到广泛的运用，该技术对复杂的地层有着较强的适应性。本文将通过相关试验介绍进一步对潜孔锤反循环钻探技术进行研究。

贯通式潜孔锤；反循环连续取心；钻探工艺

目前针对在西部地区进行地勘工作的施工人员来说，工作重点是对存在的资源进行开发和勘探，对已经出现危机的矿山进行修复和改良。然而在实际资源短缺的情况下，使用钻探技术是目前唯一最后的勘探方法。受复杂的地形以及特殊的气候影响使勘察工作变得困难，所以及时采用钻探新技术对于克服这些困难，实现资源的开发有着重要的意义。

1　潜孔锤反循环钻探工艺的概况

1.1潜孔锤反循环钻探工艺的概念

贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进技术是以空气钻进技术为基础，集合潜孔锤碎岩技术、流体介质全孔反循环技术等为一体的新型高新技术。其基本的工作原理是，先由双壁钻杆环状通道将压缩空气输入内部，然后利用潜孔锤作功将岩石击碎，在此之后的废气将携带孔内的岩屑流入到双壁钻杆的中心通道上直至返回地表。

1.2潜孔锤反循环钻探工艺的特点

该工艺的主要特点有：使用密度较小的压缩空气作为动力介质，有利于减小孔底岩石的压力，从而方便碎岩，且使用的比功较小；压缩的空气和往上反流体介质均在密闭的双壁钻具内进行流动，能有效的避免与孔壁的接触以及对孔壁的冲刷，使孔壁相对稳定；因为岩芯样的采取效率较高并且不会与孔壁有接触，所以其岩矿心的质量较好；在特殊的地层开展钻进工作时，使用该技术能有效的避免出现孔壁的坍塌及卡钻和岩石结构被破坏的现象发生；该工艺对于干旱缺水的区域和冬季冷冻区域都能适用，并且施工周期较短，钻探的成本不高。

2　潜孔锤反循环钻探工艺试验

2.1试验概况

某金矿田位于北纬33～36°的纬向系山脉和山字型构造山脉与太行山隆起带交汇处，经过长期的地壳变形变质作用后，该地区的地质构造呈现复杂，褶皱，断裂发育的特点。该矿区地层主要情况为：第四系覆盖层厚3m，弱胶结的花岗岩可钻性5～6级，细粒的安山岩可钻性8级。其中太古代花岗——绿岩带由绿岩和花岗质片麻岩系两类岩石组成，地层破碎漏失，易卡钻埋钻，属于复杂的地质条件。

2.2反循环钻头和钻具的准备工作

通过对上文中对该低区的地质情况进行初步的了解分析，得出可以使用空气潜孔锤反循环钻探技术进行相关试验的结论，在试验中的钻头和钻具都需要在原始的配置上进行优化组合。该组试验中的钻具组合均为全外平式钻具，对于岩层中的破碎和坍塌现象能适用，相关组合和连接如下：

（1）双通道气水龙头+φ89mm双壁钻杆+加GQ-127C贯通式潜孔锤+φ154mm开孔取样钻头；

（2）双通道气水龙头+φ89mm双壁钻杆+加GQ-127C贯通式潜孔锤+φ133mm开孔取样钻头；

（3）双通道气水龙头+φ89mm双壁钻杆+加GQ-108C贯通式潜孔锤+φ113mm开孔取样钻头；

（4）双通道气水龙头+φ89mm双壁钻杆+加GQ-89C贯通式潜孔锤+φ94mm钻头。

2.3潜孔锤反循环钻探工艺试验结论

经过相关孔锤反循环钻探工艺试验得出以下结论：

（1）该组用于试验的设备配套合理，使用情况良好，能满足试验的要求。其中具体的钻速情况可参见表1。

表1　钻进速度统计表

在试验期间三种规格的贯通式潜孔锤均发挥了工作状态稳定，冲击能量大、钻进效率高等特点，提高了工作效率。

（2）我国目前多数地质勘探团队中使用的钻机为给进行程短的立轴式钻心机，但是在实际的工作中，该钻机不能实现潜孔锤钻进的低转速要求，不利于反循环中的连续性，进而对潜孔锤的高速钻机产生影响。而本次试验中的通过相关的操作方法结合XY-6B型岩心钻机的使用，让试验成功完成，为该技术的发展积累了一定的经验，并为以后的推广打下了坚实的基础。

（3）使用双壁钻杆和贯通式潜孔锤以及反循环钻头共同组成的钻具系统，在供气压力和供气量适度的情况下，反循环的状态稳定，岩心样的采集率也达到95％以上，有利于地质人员对当地的地层信息进行了解，从而使勘探的精确度和准确度得以提高。

（4）鉴于试验地段中地层坚硬和易破碎段出现卡钻、埋钻的情况，在试验中使用该组合的钻具系统成功的将特殊岩层总的岩心样取出，但是在与其相隔10m采用金刚石索取心钻进方法的勘探钻孔中没有发现该特殊岩层，该现象再次说明了潜孔锤反循环连续取心样的办法对于岩层具有较高的采集率，并且具备一定的代表性，对地层信息的记录不会丢失[1]。

3　对潜孔锤反循环钻探工艺的研究

潜孔锤反循环的形成机理和钻探工艺参数：

3.1反循环形成的机理

潜孔锤反循环钻探技术的关键在于如果将反循环处于稳定的状态，为实现这一要求相关人员创新研发了多喷嘴引射器式反循环钻头，使用这种钻头在实际的工程中起到一定的作用，但是对于极其复杂的地层条件，该方式会出现反循环不彻底、中心通道发生拥堵的问题。所以为彻底实现具备稳定可靠的反循环系统，相关专家对多年的试验结果进行总结，并提出以下可行性技术措施：

（1）双壁钻杆内管联结处不能设置台阶，即使是较小的台阶也不允许，台阶的存在会使气流的流通不通畅，并形成旋流，进而对反循环的效果产生了影响，甚至造成卡堵的情况发生。双壁钻杆和双通道气水龙头的中心通道需以内平式的结构为主，并且采用插接式对双壁钻杆进行连接，要保证连接处和通道内部不会出现台阶和大凹槽，让其顺畅平滑。这样的设计有利于保证钻取出来的岩心，携带的岩屑和岩粉在孔内的中心通过畅通无阻，不会发生因为岩屑的卡堵造成的反循环失效的情况出现。用于辅助的双通道气水龙头的内部通道也需要具备顺畅无阻，能避免发生岩心屑堵塞的情况。

（2）在进行钻进施工时，需要控制好其失效，不能以追求最高的钻进效率为基本前提。如果出现过高的钻速会使中心通道中的岩心岩屑浓度过大，使反循环流体在中心通道流通不顺畅。要牢记当反循环中心的阻力高于外环状间隙的正循环阻力时，会造成反循环失效。

（3）对于钻进中出现的卡堵情况，可以使用防卡堵型反循环钻头，这类钻头有利于阻止直径较大或面积较大的岩心进入中心通道，能有效的避免因为岩心堵塞造成的反循环失效。

（4）新技术的发展对于解决钻探中的难题有着一定的功效，在传承当前反循环钻探的优点下，需要不断进行创新具有新型结构的反循环探头，以适应不同的地层条件和不同直径钻孔的需求[2]。

3.2反循环钻探的工艺及参数

作为反循环钻探技术中重要组成部分的潜孔锤钻探工艺和参数，对该工艺能否在工程中取得良好的工程效果有着重要的影响意义，目前钻压、转速、钻速、扭矩、风压和风量等都是反循环钻探工艺及参数的主要内容。其中钻压是用于阻止潜孔锤缸内部的气体对钻探的推力，让冲击功能有效被传递给钻头球齿，达到击碎岩石的目的；对钻头的转速选择需要根据实际的岩石性质，钻头的直径以及潜孔锤的冲击力和冲击频率等多方面进行考虑；对于潜孔锤正常的钻进时，风量需要达到潜孔锤设计时的值，还需要实现排除孔底岩心样的要求；风压对于钻速会产生影响，当风压越高时，冲击能量就越大进而钻速就越高，所以当孔深的孔内压增大需要相应的增大风压。

4　结语

通过结合相关试验的说明，潜孔锤反循环钻探工艺在钻进技术中与其他的工艺相比具有一定的优越性，该工艺因能减少粉尘污染、并能适应特殊的地层条件和气候条件的特点，在重视环境的保护和重视人员身心安全的今天体现出了极强的社会效益。值得在相关的工程开采中得到推广和应用。使用贯通式反循环钻探工艺有利于提高钻孔功效生物同时实现现场施工的无尘化，有利于维护工作人员的身心健康，并且该技术是将科学转化为第一生产力，有利于实现生产、科学、创新一体化的发展模式[3]。

[1]田敏，赵志强，曾石友，殷其雷，李金朋，杨宽才.小秦岭复杂地层潜孔锤反循环钻探技术试验研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2013，11：1～4.

[2]殷其雷.潜孔锤反循环钻探工艺试验研究[D].吉林大学，2014（6）：123.

[3]杨富平，李正兵，廖军.潜孔锤反循环钻进技术研究及试验应用[A].中国水利学会地基与基础工程专业委员会第十一次全国学术技术研讨会论文集[C].2011，8：222～22.

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1673-0038（2015）22-0200-02

2014-12-10