苇沙河金、铁矿区深斜孔钻探技术

2015-12-19王玉民

西部探矿工程 2015年12期

关键词：孔壁钻具钻杆

王玉民

(吉林省第六地质探矿工程大队，吉林延吉133401)

苇沙河金、铁矿区深斜孔钻探技术

王玉民*

(吉林省第六地质探矿工程大队，吉林延吉133401)

苇沙河金、铁矿区矿床产状陡，矿体集中，钻探设计为深、斜孔，如何在保证效益的基础上，确保钻孔质量成为关键。通过ZK1303钻孔施工实例，介绍了矿区深斜孔钻探工艺的选择及保证钻孔弯曲度的具体措施。

深斜孔；设备机具选择；冲洗液；施工难点及解决方案

1 概述

1.1 钻孔施工目的

临江市苇沙河矿区大角度深斜孔岩芯钻探项目是为获取该矿区工程地质资料与成果，探索深部的矿化情况，为井下矿采施工提供理论依据。

1.2 主要地质设计参数

（1）钻孔设计倾角：80°～85°。

（2）钻孔设计孔深：1200～1600m。

（3）钻孔终孔孔径：NQ；

（4）钻孔质量要求：一般按《地质岩芯钻探规程》（DZ/T 02247-2010）执行，特殊要求为岩芯采取率为90%以上，矿芯采取率95以上，全孔倾角偏差≤2°，全孔方位角偏差≤5°。

1.3 矿区钻孔施工情况（见表1）

表1 苇沙河铁矿2014年钻孔情况表

2 钻探设备及钻具的选择

2.1 钻机、钻塔的选型

为满足钻孔设计倾角和孔深的要求，ZK1303钻孔施工选择连云港黄海机械股份有限公司生产的HXY-5A型液压立轴式钻机和SGZ-18型钻塔。

2.2 钻具选型

考虑深斜孔钻杆受力复杂，承受扫矩较大，因此需要选用有足够抗拉、抗压、抗扫、抗弯、抗剪强度材质的钻杆和接箍，本孔施工采用唐山金石超硬材料有限公司生产的NQS直连绳索取芯钻具及配套钻具，钻杆采用高精度大强度地质管材，材料钢级为国内最高水平，热处理工艺与螺纹加工精度，均达到国内较高水平。

3 钻进工艺措施

3.1 钻进工艺选择

根据矿区地层条件及地质设计要求，结合以前施工中存在的问题，经过对比分析，选择绳索取芯金刚石钻进工艺。

3.2 钻孔结构设计

本孔设计开孔采用PQ钻具，钻进20m左右，下入PQ钻杆作为护壁套管，然后换用HQ钻具，钻进210m左右下入HQ钻杆作为护壁套管，再换用NQ钻具钻至1350m终孔，钻孔结构见图1。

3.3 金刚石钻头的选型

绳索取芯钻探，钻进效率很大程度上取决于正确的选择金刚石钻头，本孔施工选用了唐山金刚石超硬材料有限公司生产的JSB级国产优质金刚石钻头、型号与钻具配套，即Q系列，主要技术参数为：工作层厚度7～8mm，胎体硬度HRC25～40，金刚石粒度60～80目，浓度75%，水口宽5mm，水品数量8个。

图1 钻孔结构设计图

3.4 钻进参数

钻进参数受多种因素影响，包括岩石性质、钻孔结构、孔深、冲洗液类型，钻头类型等。施工中应根据具体情况选择不同的钻进参数，本孔选用的钻进参数详见表2。

表2 钻进参数调整表

钻进过程中要注意以下几点：

（1）开孔钻进时采用小规程参数，轻压慢转，小泵量，以防孔壁坍塌。

（2）钻遇破碎层时，要适当减少泵量。

（3）地层由软变硬要适当减少压力，降低转速，由硬变软时压力减至正常钻压的1/3。

（4）在孔径、孔深、孔斜、冲洗液润滑条件、孔壁稳定性、岩层研磨性、钻杆强度以及设备能力等条件允许下，尽可能采取高转数钻进。

3.5 冲洗液的选型

该矿区地层覆盖层较厚，岩层破碎，裂隙发育，在冲洗液的冲刷下易造成孔壁坍塌，因而要求冲洗液具有较强的携带岩粉和护壁能力，有较大的静切力和较少的活切力及尽可能小的失水量，且要有良好的润滑性能。此时选用低固相泥浆，其配方为：清水1m3+4%粘土粉（40kg）+0.5%NaOH(5kg)+0.3%Na-CMC (3kg)+0.02%K-PAM(0.2kg)+0.6%润滑剂（6kg）。

覆盖层下部为千枚岩，大理岩及石英岩完整，使用绳索取芯金刚石钻进工艺，绳索取芯具有钻具与钻孔环状间隙小和内管与钻具内径环状间隙小2个特点。因此，要求冲洗液固相含量少或无固相含量且能充分携带岩粉和良好的润滑功能，使用冲洗液配方为：清水1m3+0.2%Na-CMC(2kg)+0.3%Na-CMC(3kg)+ 0.01%K-PAM(0.1kg)+0.6%润滑剂（6kg）。

4 深、斜孔施工难点及解决方案

4.1 矿区斜孔施工难点

4.1.1 控制孔斜

（1）矿区岩层倾角≥80°，在钻进过程中易出现顺层跑的现象；

（2）由于钻具重力的作用，钻孔轨迹易向下弯曲，且靠近地表的孔壁在重力影响下易坍塌，因此控制倾角和方位角是斜孔钻探的关键。

4.1.2 钻具浮力不均

在深斜孔施工中，钻头与钻具的各向浮力不均匀易导致出现以下现象：

（1）钻杆及接箍偏磨，钻进时钻具处于孔壁下沿，钻具与孔壁不断摩擦，造成钻具磨损增大。

（2）钻杆易折断：由于钻孔在较短的距离内形成很大的斜度，同时又有方位的变化，在弯曲应力作用下，钻杆易折断。

（3）钻头磨损严重，胎体脱落、震裂、变形。在深斜孔钻进中，由于钻具磨损且弯曲较大，导致机械振动大，使金刚石钻头受到振动冲击，受力不稳，导致损坏。

4.2 解决措施

4.2.1 孔斜控制措施

针对矿区设计均为深斜孔，控制好孔斜是确保施工顺利的关键，因而从以下4个方面控制孔斜：

（1）稳定机台。钻机安装稳固可靠，钻机底盘坐在硬实的地方，地基松软用枕木加固，用水平尺量准，确保钻机底盘水平，严格按设计要求校正好立轴方位和钻孔倾角，保证天车、回转器、孔口三点一线。

（2）合理设计钻孔结构。为控制孔斜，该深斜孔施工采用三级孔径施工，因为孔径越大，钻孔垂直度易保证，所以在该孔施工中采取大孔径尽可能多打的办法。事实证明，该孔施工实现了较好的孔斜控制，平均百米未超过0.12°。

（3）采用合理的钻具级配。绳索取芯钻进工艺具有孔壁间隙小，“满眼钻进”的特性，故对控制孔斜十分有效，本孔采用Q系列绳索取芯钻具，孔壁间隙为2～4m，具有较强的稳定性。

（4）控制合理的钻进参数。钻孔弯曲的原因之一是钻压过大，因此在深斜孔钻探中要控制合理的钻压。开孔必须采用低钻压、低转速，换径时先轻压慢转，待钻头完全进入岩石1～2m后，再逐渐提高转速和钻压，以保证钻孔沿设计轴线延伸，防止孔斜异常。在本孔施工中，破碎地层钻进，钻压维持在4～5kN，完整地层为8～10kN。

在正常钻进过程中，尽量采用高转速，这样可以缓解由于重力影响造成钻孔轨迹向下弯曲，但转速不要过高，过高的转速会导致钻孔轨迹向上漂移，本孔施工转速保持在400～600r/min。

为减少泵压而产生的钻具升举力，泵量在完整地层一般保持在52～90L/min，泵压不大于4MPa。

4.2.2 钻具因受力不均易损坏的处理措施。

针对钻具偏磨严重和折断问题，除了控制好钻进参数，尽量减少钻具振动和偏磨外，还要注意以下几点：

（1）要选择材质优良的高强度钻杆。

（2）要经常检查钻杆，对于弯曲或磨损严重的钻杆，严禁下入孔内。

（3）在冲洗液中加大量的润滑剂，减轻钻具摩擦。