江门中微子实验基地坚硬地层钻进工艺探讨

王光明，苏经仪，张正雄，张 杰，李 俊

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650041）

江门中微子实验基地坚硬地层钻进工艺探讨

王光明*，苏经仪，张正雄，张 杰，李 俊

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650041）

江门中微子实验基地ZK1号孔设计孔深650m，地层岩性为二长花岗岩，选用金刚石绳索取芯工艺，存在岩层钻进“打滑”问题。经过研究和摸索，选用电镀高低锯齿型钻头后，台班进尺和钻头使用寿命有较大提高。同时，介绍了钻探设备材料的选择和安装，并结合施工情况，对高低齿型钻头参数的优化提出了建议。

坚硬地层；高低锯齿钻头；绳索取芯；江门中微子实验基地

1 概述

1.1 项目概况

江门中微子实验基地位于广东省江门市开平市金鸡镇和赤水镇之间，附近主要有省道S367和S275通过，两镇距开平市距离约40～45km，镇村之间都有公路相通，交通较为便利。中微子实验基地工程主要包括主实验厅、安装间、集水井泵房、斜井、竖井、地面辅助建筑物及风、水、电等辅助系统，进入通道推荐采用斜井+竖井方案。实验大厅埋深约700m左右，实验厅内水池直径40m，深40m，用于安置实验仪器，此外还需建平洞、竖井或斜井用于实验大厅的建设、仪器安装和后期实验人员的交通。

江门中微子实验基地详勘阶段共布置钻孔6个，其中ZK1号孔设计深度650m，为我院建院以来承担的最深钻孔任务。

ZK1号孔位于东坑石场，即竖井上，孔口高程为136m，设计孔深650m，钻孔为铅直孔。

1.2 工程地质情况

工程场址区出露地层主要有寒武系、奥陶系、第四系和燕山期侵入岩。ZK1号孔布置于竖井上，地层为燕山期第三期侵入花岗岩体[γ52（3）]。花岗岩岩体侵入面向外陡倾，属典型不整合侵入特征。岩性为灰白色中细粒白云母、黑云母二长花岗岩、中细粒二长花岗岩，花岗岩内共生有少量黄铁矿和磁铁矿，随深度增加铁矿含量有所增高，并在局部结构面富集[1]。

2 钻探设备的选择和安装[2]

2.1 钻塔的选择

钻塔应具备以下条件：

（1）合理的钻塔高度；

（2）宽敞的工作面；

（3）能承受特殊情况下的各种负荷；

（4）有可靠的安全作业设施。

结合我院2012年在滇中引水工程项目中完成的520m深孔钻塔使用情况，根据以上条件，我们加工了长度14m、厚壁箍连接Ø108mm厚壁管的四角铁钻塔。经过钻进651.85m的深孔来看,该钻榙稳定性好,并还留有一定的余地。

2.2 钻机的选择

根据以往钻探经验，选择XY-4型岩芯钻机，该钻机的主要技术参数：钻进深度钻进能力700～850m(钻杆口径50mm)；钻孔倾角360°；钻机外形尺寸（长×宽×高）2710mm×1100 mm×1750mm；立轴行程600mm、立轴最大起重能力80kN、立轴最大加压能力60kN、立轴内径68mm；卷扬机单绳最大提升力30kN、钢丝绳直径16mm、最大卷绳量为90m;钻机质量(不含动力机) 1500kg。

经深孔钻进使用情况来看,该钻机基本上能够满足钻进650m钻孔的要求(终孔直径为75mm)，深孔钻进至400m后只能开到4挡。使用中除立轴齿轮损坏、卷扬发热外，其它部位正常。

2.3 水泵的选择

经过对地矿单位深孔钻进使用水泵情况调研，选用型BW 250型泥浆泵。

2.4 钻塔的竖立

由于钻孔北侧、东侧及南侧均为高25～35m的废弃石料场开采面，钻塔竖立受地形限制，只能以下方法竖立：将四角架的双腿底脚靠在机台木边，以防滑动。另外两腿置于相对位置，四角架腿顶抬高架起，用穿钉连接起来，并安装好“U”形钩和滑车。滑车上穿一根麻绳，以便在钻塔竖立起来后，用作牵引钢丝绳，将绷绳栓在穿钉的两侧。准备工作结束后，用升降机牵引将钻塔竖起。以双腿连线为边，形成矩形进行移动，竖到一定高度后，再分别将架腿移动到设计的位置，拉紧绷绳，固定架腿。

2.5 钻探机场的修建

由于地表为碎块石砂土，结构松散，加之钻孔深，钻塔没有底平梁，因此应认真修建钻机机场。针对地表大量碎石土，我们用挖机先清理并整平，然后用10～20cm的碎石填平，然后用C30混凝土浇筑，详见图1。

图1 浇筑混凝土

3 钻探工艺

3.1 工艺选择

根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度，结合我院滇中引水工程绳索取芯钻头经验，最终选择绳索取芯金刚石钻进为主要工艺。

3.2 钻孔结构设计

根据任务书要求及钻孔深度、覆盖层厚度、岩石的物理机械性质、终孔直径、钻探设备和钻进方法合理选择钻孔结构[3]。根据地层岩性，选择相应钻进参数。在稳定岩层应尽可能地简化钻孔结构，减少换径次数。ZK1号孔钻孔结构设计一方面要满足650m孔深成孔和压水试验要求，另一方面要能达到以下目的：①查明地层岩性、岩体结构、风化程度及岩石完整性；②查明地质构造（包括断层、软弱夹层、挤压带及节理等）发育情况；③查明岩体的渗透性及地下水位埋深，了解水文地质特性；④进行物探综合测井及进行岩石物理力学试验取样。同时，钻孔结构设计还得考虑地质条件。根据孔位附近出露地层，可推测钻进过程中遇到的地层岩性为：灰白色中粒花岗岩，岩体为碎块—块状结构，岩体透水性好。

综合考虑，用Ø150mm金刚石钻头开孔，钻穿强风化带（约20m）后，下入Ø146mm地质套管，其作用主要是减少掉块；换用Ø95mm绳索取芯金刚石钻头钻进到300m,下入Ø89mm×4.5mm的外丝套管,接箍的外径为92mm。套管一直下到井口。用Ø95mm绳索取芯钻进的目的主要是保证钻孔的垂直度,以减少钻孔的回转阻力。换用Ø77mm绳索取芯金刚石钻头钻进到终孔。

3.3 钻进工艺参数

深孔钻进时必须应根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度、钻进速度、钻头直径、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量来合理选择钻压、转速、泵量，以取得最佳的钻进效率和综合经济效益。

（1）转速的选择是各参数选择的关键，在340m以内采用6挡转速(574r/min)钻进,在340m以深采用4挡转速(388r/min)钻进。

（2）压力的选择,排除浮力、摩阻力等各种影响,实际孔底金刚石钻头的压力在15～25kN。

（3）冲洗液量,开始采用50L/min，钻进慢，最后换用40L/min，钻进正常。

3.4 坚硬打滑地层的钻进技术措施

在钻进深度340～400m的二长花岗岩磁铁矿过程中，遇到坚硬地层“打滑”现象，我们首先选用锯齿钻头、齿轮钻头等多种型号钻头（如图2所示），使用寿命最长的钻头钻进4m，其余钻进0.5～3m，钻头即被磨损，钻进时效一般为0.1～1cm/min，最高2cm/min。针对以上问题，项目部向上级主管部门报告，并初拟解决问题的方案，其一：与多个钻头生产厂家及科研单位共同协作解决钻头“打滑”问题；其二：采用液动冲击钻进工艺提高钻进效率并解决此问题；公司随即与钻头厂家联系，负责人2次到现场取样测试，对钻头的使用情况、参数做深入分析，以便生产与地层匹配性高的钻头。新研究的钻头为3层水口超长寿命钻头。但现场监测其使用情况，钻头不出刃，仍然存在钻进时效低和使用寿命短的问题。通过反复摸索和实际，我们要求厂家生产HRC20～25电镀高低锯齿钻头，以减少钻头唇面与孔底岩石面之间的接触面积，提高金刚石钻头唇面对岩石的单位面积压力。采用高低锯齿电镀金刚石钻头后，台班进尺由1～2.5m提高到了7～13m，钻头寿命由5～10m提高到了37～45m。

坚硬地层“打滑”的原因是其研磨性差，金刚石钻头工作层底部的金刚石颗粒出刃后，克取岩石的过程中被磨钝，从岩石上克取的岩粉颗粒迅速被冲洗液带出孔外或裂隙中，而被磨钝的金刚石颗粒由于与胎体粘结在一起，在缺少岩粉颗粒磨损胎体的前提下，这些被磨钝的金刚石颗粒就不会脱落，金刚石钻头胎体不会被磨损，后续金刚石颗粒不会露出刃角，在钻压一定时，压强太小不足以破坏孔底岩石，致使“打滑”现象发生[4]。

电镀高低锯齿钻头专为解决坚硬弱研磨性地层金刚石钻进“打滑”设计，与其它钻头相比，在相同压力下，由于锯齿型钻头与岩石接触面积小，压强大将有利于岩石破碎，此时金刚石碎岩方式将由简单的耕犁、压入、压碎、刮削等表面破碎形式转变为更高效率的崩裂等体积破碎形式，有利于提高钻速。同时，考虑到钻速的恒定问题，要求钻头唇面形状随时间推移变化尽可能小，高低锯齿型唇面形状是较为理想的选择。

图2 各种型号的金刚石钻头

3.5 冲洗液

冲洗液直接影响钻孔的安全和质量。从经济性和技术性考虑，选用皂化液。经验证，效果明显。控制冲洗液在钻头底部的流速,可以延长钻进中产生的岩粉及脱落的金刚石颗粒在孔底的滞留时间。所以钻进中适当控制泵量等措施对于钻头的“锐化”是有利的[5]。

4 钻探技术成果

江门中微子实验基地ZK1号孔钻进深度651.85m,台月数2.8个,台月效率232.5m,时效1.20m，最大提钻间隔47.6m。全孔为花岗岩，花岗结构，岩石矿物成份主要为钾长石、斜长石、石英、黑云母等，节理面局部见黄铁矿及磁铁矿。具体描述如下：孔深0～6.2m：含碎块石砂土，碎块石成分为花岗岩，粒径5～20cm，含量10%～15%，结构松散。孔深6.2～ 16.2m：岩性为花岗岩，弱风化为主，节理裂隙较发育，镶嵌碎裂—块状结构，边墙有渗水或滴水；RQD= 70%。孔深16.2～324.2m：岩性为花岗岩，微风化为主，局部弱风化，本段发育多条小的断层和挤压面（Ⅳ级结构面），次块状结构为主，局部块状结构，边墙有渗水或滴水；RQD=80%。孔深324.2～651.85m：岩性为花岗岩，微风化—新鲜，岩体完整，块状结构，局部次块状结构，边墙有渗水或滴水；RQD=90%。

ZK1号钻孔成功钻进，为地质人员分析竖井工程地质特性提供了详尽和准确的第一手资料；也是进行高压压水试验、弹模试验、地温测试的基础工作。钻进过程中遇到的问题及解决方法为以后类似地层钻进提供了参考。

5 结语

钻探生产过程中，应根据地层地质条件合理选择钻进参数、钻头结构和参数[6]。对于钻进难度大、时效低的地层，项目生产技术人员要实时与钻头厂家保持联系，如实将钻头使用情况（如钻压、钻速、泵压、泵量、钻进时效、金刚石出刃等）反馈至厂家，联合攻关，才能尽快生产出与所钻地层相适应钻头。

在ZK1号孔钻进过程中，笔者发现，电镀高低锯齿钻头的高齿上的金刚石颗粒磨损完后，钻头钻进时效急速下降，但低齿上的金刚石颗粒几乎保持完好，故建议对此类钻头的锯齿高低比例、齿牙斜度等进行优化，如减少梯形齿牙上底宽度、降低低齿高度等，以使钻头钻进达到最佳效果。

[1]覃献安，李春宇，等.江门中微子实验基地详勘（初设）阶段工程地质勘察报告[R].昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2013.

[2]卢飞，李华，等.2010m斜孔钻探设备选择及技术措施[J],探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36(3)：1-3.

[3]舒智.复杂地层深孔钻进关键技术的探讨与实践[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009（Z1）：161-165.

[4]苏经仪.糯扎渡水电站坚硬地层钻探工艺[J].云南水电技术，2009（4）：57-59.

[5]黄建国，赵振峰,王生,蔺刚，等.本溪台沟铁矿深部坚硬地层孕镶金刚石绳索取心钻头的选择和使用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37(8)：73-75.

[6]李和孝.金刚石锯齿形钻头在坚硬打滑地层中的应用[J].西部探矿工程，2010(12)：91-92.

P634

A

1004-5716(2015)12-0029-03

2014-12-15

王光明（1985-），男（汉族），云南曲靖人，工程师，现从事水利水电工程地质勘察工作。