绳索取芯液动锤在新疆和静县铁铜多金属矿复杂地层钻探中的应用

2015-12-19余桂红赵尊亭余东山李晓丹

西部探矿工程 2015年8期

关键词：内管进尺绳索

余桂红，赵尊亭，余东山，李晓丹

（河南地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南洛阳471000）

绳索取芯液动锤在新疆和静县铁铜多金属矿复杂地层钻探中的应用

余桂红*，赵尊亭，余东山，李晓丹

（河南地质矿产勘查开发局第三地质勘查院，河南洛阳471000）

新疆和静县铁铜多金属矿区岩石破碎强烈，绳索回转钻进经常出现内管岩芯堵塞，打捞频繁现象，造成钻探效率低下。采用绳索液动锤冲击回转钻进，不但提高了钻探效率，而且钻孔质量好，钻头寿命长，取得了良好的经济与社会效益。

岩石破碎；绳索取芯液动锤；冲击回转钻进

新疆和静县铁铜多金属矿预详查项目是新疆新兴铸管巴州兆融矿业公司投资的地勘项目，地质勘查工作河南省地质科学研究所承担，钻探施工任务由河南地矿局地勘三院承担。其中钻探设计工作量3480m，钻孔6个，设计最深孔850m。

1 矿区概况

1.1 交通与地理位置

主要施工区位于和静县巩乃斯镇阿尔先沟村，距离县城较远，出村为砂石公路，砂石公路向南20km与G218国道相连，但到工区仍有10km陡峻山丘，无路可行，给施工带来不便。

1.2 地层与构造

该矿区岩石破碎强烈，多呈裙状分布于陡峭的山峰脚下。区域上断裂构造发育，断裂主要呈北西西—南东东向展布。矿区内以闪长岩，石英岩和二长花岗岩为主要岩体，岩石硬度达到Ⅷ级以上。

矿区地层由老到新依次有：下石炭统大哈拉军山组（C1d）、艾肯达坂组C1ak）、阿克沙克组（C1a），上石炭统伊什基里克组（C2y），上二叠统铁木里克组（P2tm）以及早侏罗统八道湾组（J1b）。

第四系：在工作区山前、沟谷及高山地带分布，主要有更新统残坡积层（Qpesl）、更新统冰川沉积层（Qpgl）、全新统冲洪积物（Qhpal）等。

2 绳索钻进中存在的问题

因地层破碎强烈，导致绳索钻进施工中出现以下问题，这些问题也是重点解决问题，同时也是采用绳索取芯液动锤钻进的合理理由。

（1）钻探效率低：因地层破碎强烈，用绳索回转钻进经常出现堵芯现象，回次进尺少，打捞频繁，纯钻进时间低，台钻效率低，岩芯采取率低。绳索取芯钻探用的钻头底唇面较厚，克取岩石面积较大，钻进效率相对较低，尤其在坚硬致密打滑地层，钻进效率尤其低下。

（2）钻头寿命短：因地层破碎，回转钻进钻头磨损大，从而寿命短。

3 SYZX75绳索取芯液动锤的成功应用

3.1 SYZX75绳索取芯液动锤结构

该工区采用中国地质科学研究院勘探技术研究所生产的SYZX75型绳索取芯液动锤。钻具分为双管和打捞器2部分（见图1）。

（1）双管部分：双管包括外管总成和内管总成。外管总成含弹卡挡头、弹卡室、上扩孔器（上扶正环）、上外管、承冲环接头（内装承冲环）、下外管、下扩孔器（内装下扶正环）和钻头等；内管总成包括打捞、弹卡、冲击器（YZX液动锤）、传功和到位报信、缓冲、单动、上下分离、调节、岩芯容纳及卡取岩芯和扶正等机构。

（2）打捞器部分：打捞器与同规格绳索取芯打捞器相同，故略去。

3.2 SYZX75绳索取芯液动锤工作原理

由水泵送入的冲洗液经由钻杆内孔流入内外总成间隙，通过弹卡架的4个长条孔进入液动锤后由上喷嘴喷出形成高速射流，其卷吸作用将上缸套上腔介质抽往下腔，上腔迅速降压，同时由于下喷嘴的节流作用使得上缸套下腔的压力升高，推动上阀上行至上限；进入下腔的液流经下喷嘴高速喷出，同样由于卷吸作用使冲锤（上活塞、下活塞和冲垂体三件的组合体简称冲锤）腔内压力下降，而下活塞底部由于水路被堵塞，压力升高，形成压差，使冲锤上行抵达行程上限，上活塞顶部与上阀下端接触关闭水路，至此回程结束。水路关闭时形成水击，上缸套上腔压力迅速增加，下腔压力急剧下降，压力差推动冲锤和上阀向下运动。上阀抵达行程下限后停止，冲锤在惯性和（阀、锤分开后冲洗液路畅通的）液流共同作用下，继续向下运动直至冲击锤轴上端将冲击能量输出，形成一个工作周期。传功机构将冲击功传到钻头上，提高钻进效率。

图1 SYZX75型绳索取芯液动锤结构示意图

3.3 绳索取芯液动锤破岩机理与优点

3.3.1 提高钻探效率钻孔质量好

冲击回转钻进是在钻头承受一定静荷载的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的方法。冲击使接触应力瞬间达极限，应力集中，岩石产生裂纹，冲击速度快，岩石脆性强，裂纹发育就越大。因此面对坚硬地层和致密打滑地层可提高钻进效率。另外被破碎的岩石在高频冲击力作用下能迅速、顺利、较完全地通过卡簧进入内管，防止岩芯堵塞，回次进尺高，纯钻时间长，辅助时间短，岩芯采取率高，钻孔质量好。

3.3.2 钻头寿命长

冲击回转钻进，岩石体积破碎下来的岩粉颗粒较大，并且有棱角，对胎体具有研磨性磨损；还由于冲击回转钻进泵量大，冲洗液对钻头具有较强的冲饰性；高频脉动冲击载荷是金刚石切削刃“吃入”岩石，破碎的岩石对金刚石出刃的根部胎体有破坏作用，致使金刚石钻头出刃后面的胎体凸起高度比回转钻进时低，造成金刚石出刃比回转钻进时大，一方面有利于载荷“吃入”岩石，提高碎岩效果；另一方面造成回转切削碎岩过程中金刚石脆断。但由于冲击载荷的作用，减少岩石的抗破碎阻力，从而弥补了金刚石出刃量大，支撑胎体减弱所产生弊端。冲击回转钻进，孔底冲洗液流量大，呈高频脉动冲击流动状态，钻头唇面与岩石表面间隙是高频变化的，致使孕镶金刚石钻头唇面冲洗液漫流面扩大，携带岩粉、冷却钻头能力强，减少了岩粉粘附和重复破碎，也有利于提高效率和钻头寿命。此外，孔底钻具受高频冲击作用而随之震动，岩芯顺利进入内管，使钻压有效地作用于钻头上，防止钻头唇面的金刚石抛光。因此，只要液动锤工作正常，参数匹配合理，用常规钻头就能获得理想的钻进效果，钻头不会因高频脉动冲击载荷而发生磨损和损坏。

3.4 绳索钻进与绳索液动锤钻进应用效果对比

3.4.1 钻进效率大幅提高

由于首次在该矿区施工，对地层了解少，前期施工钻孔采用绳索钻进，钻进效率较低，后来采用绳索取芯液动锤（SYZX75）后，效率大大提高。各孔钻进方法与工期对比如表1所示。

表1 钻孔钻进方法与工期统计表

从表1可以看出，同样破碎地层，粗略计算，ZK1600孔采用绳索液动锤钻进，用48d就完成了800.98米的孔深，平均每天进尺16m；而ZK1505孔单纯采用绳索钻进，854.53m的孔深用了87d完成，平均每天进尺10m。效率方面，前者是后者的1.6倍，所以，采用绳索液动锤钻进，纯钻时间长，辅助时间短，打捞次数少，钻进效率大大提高，能提高60%左右。

3.4.2 钻孔质量好钻头寿命长

以ZK1600钻孔为例说明。

该孔处在多发地震带上，地层破碎、坍塌并且漏水严重，给施工带来极大的不便。施工前18d（2013-07-21～08-07），绳索钻进钻遇破碎岩层,岩芯易堵塞,在后续钻进中,如果还用绳索钻进,必将出现频繁捞取内管现象,这样会使辅助时间大量增加,纯钻进时间少,严重影响钻探效率;同时岩芯采取率低，影响钻孔的质量;另外钻头承受较大压力与较高转速,再加上粗颗粒的磨损，钻头寿命短。针对上述情况，项目部决定采用绳索取芯液动锤钻进方法。

该孔2013年8月8日改用绳索取芯液动锤钻进工艺，施工中钻进时效与回次进尺大幅提高，单班进尺最低钻进15m，最高单班进尺23m（12小时制）；取芯率也达到95%以上（见图3）；另外钻头寿命也提高了70%（见表2）。该孔于2013年9月7日终孔，钻孔质量被评为优质孔，获得了甲方好评。

表2 ZK1600钻孔绳索和绳索液动锤钻进施工效果对比表

3.5 绳索液动锤钻进注意事项

（1）液动锤各部件制造精细，易磨损件多，因此，要求泥浆含砂量低。施工中应加长泥浆循环槽，在循环槽中间多做几个沉淀坑，勤捞砂，最好配备除砂器。

（2）每次提钻一定要认真检查液动锤各零部件，及时更换易损件。

（3）为了减少磨损，在投入内管总成前，应在上、下活塞密封处涂抹黄油。

（4）定期检查传动环外径、承冲环内径的磨损情况，比设计尺寸间隙（0.05～0.15mm）大0.2～0.3mm时应予以更换。

（5）定期检查下活塞冲击面上的4个起振槽深度，若磨损变浅后，应用砂轮加深加宽，否则会影响液动锤启动。

（6）检查绳索取芯液动锤的丝扣连接情况：由于液动锤传递的是高频脉动载荷，内管总成各丝扣连接部分容县出现倒扣或者松动，引起内管总成弹卡钳与弹卡室的间隙变小或变无，极易引起拉不动内管情况，造成提大钻或其它孔内事故的发生。在每个回次捞出内管总成后，下入之前，都要认真检查内管总成各个连接部位的丝扣连接情况。

图2 绳索钻进岩芯

图3 绳索液动锤钻进岩芯

（7）不进尺时要及时取芯：在破碎地层中钻进，破碎岩芯经常容易卡在卡簧处，即便高频脉动载荷的液动锤敲击振动作用也不能及时解卡。如不及时取芯，在长时间孔底回转和冲击作用下，极易引起卡簧座的碎裂和断开，从而引起提大钻情况发生。在遇到约10min左右不进尺的情况，或者瞬时更换为较大泵量仍然不进尺的情况，要及时打捞内管。

（8）避免绳索取芯液动锤较长时间空打：由于液动锤冲击功是经承冲环与传功环传递到外管钻具和钻头上，所以当孔内钻具悬空时或是未接触孔底大泵量冲孔时，液动锤长时间的进行空打工作，容易引起液动锤内部锤体的磨损和断裂，较大冲击功甚至会将液动锤钻具外管与承冲环接头的连接处打脱。

（9）卡簧座、内管和内管总成的上部连接必须同轴；内管应光滑平直，不得有弯曲或局部出现凹坑等现象。

（10）在漏失地层钻进时，应先往孔内注入冲洗液，等液面升到正常位置时再投放。如果钻孔严重漏失，孔内无冲洗液（干孔）或液面很低（半干孔），应用打捞器将内管总成送入，以免撞坏钻具和钻头，造成事故。