宁夏宁东地区岩芯钻探施工设备及工艺选型与使用

曹学斌，何玉云，王发民，王文林，何 林，谢建军

（宁夏核工业地质勘查院，宁夏银川750021）

1 地质概况

工作区位于宁夏宁东—灵武地区，属于荒漠化或半荒漠化地区，地层基本情况为：上部多为泥质胶结的粘土、泥岩、砂质泥岩，厚度在300m以内；下部多为泥质砂岩、粗粒砂岩、粉砂岩，矿层为粗砂岩、粉砂岩地层，厚度在300～700m左右，该地层遇水容易分散，胶结性差。岩石可钻性在Ⅲ-Ⅴ级，局部达到Ⅵ级。具体地层情况见表1。

表1 研究区地层系统一览表

2 设备选型及施工工艺

我单位先后在宁东地区采用XY-44/XY-6B立轴钻机和阿特拉斯C6动力头钻机，分别配套普通单管钻进和绳索取芯钻探2种施工工艺。

2.1 立轴钻机普通单管钻进

立轴钻机回转、升降等主传动为机械传动，给进、卡夹等辅助动作为液压传动，立轴给进行程60cm。立轴钻机采用普通回次提钻施工法，钻杆为普通地质∅60mm钻杆，取芯钻具为单管钻具和单动双管钻具。每回次进尺4～8m后，提钻采取岩芯，用卡簧或卡丝卡取岩芯。

2.1.1 立轴式钻进设备

立轴式钻进近几年主要使用的是XY-4型和XY-6B型岩芯勘探钻机，设备配置见表2。

表2 立轴钻机设备配置表

2.1.2 立轴钻机普通单管钻进钻孔结构及钻进参数

开孔钻具组合为：∅150mm硬质合金钻头+单管取芯钻具+∅60mm钻铤+∅60mm钻杆；

岩层钻具组合为：∅113mm金刚石复合片钻头+9m单管取芯钻具+钻铤+∅60mm钻杆；

矿层钻具组合为：∅96mm孕镶金刚石钻头+4.5m单动双管钻具+钻铤+∅60mm钻杆。

立轴钻机普通单管钻进钻进参数为：转速300～450r/min，泵量20～40L/min，钻压5～15kN。

2.1.3 宁东地区立轴钻机施工特点

（1）立轴钻机多数情况下采用单管取芯工艺，单管钻具长度达到9m，每回次可钻进6～9m，同时因钻孔环状间隙大，不容易出现憋泵、卡钻现象。在0～500m钻孔深度，能够保证每天钻进50～70m，施工效率能够满足生产要求。

（2）在矿层施工时，由于砂岩胶结性较差，松散破碎，钻具回转和泥浆冲刷易造成砂岩段矿岩芯的采取率不够，为此，技术组对取芯工艺进行了改进，采用普通∅60mm钻杆加上双管取芯钻具，同时增加双管取芯钻具长度到4.5m，增加了每回次进尺长度，利用双管取芯钻具良好的单动性能和内外管的保护，岩芯采取率可以达到90%以上，能满足地质找矿要求。

（3）由于立轴钻机普通单管取芯钻具配套∅113mm复合片钻头和∅60mm钻杆，钻进过程中环状间隙可达到26.5mm，可有效降低事故率，避免了缩径、掉块等复杂情况对钻进的影响，同时立轴钻机具有良好的事故处理能力。

（4）由于立轴钻机的施工特点，使得在使用立轴钻进在该地区进行钻探施工时，生产成本较低，一方面柴油机综合功率较低，以XY-44钻机为例，钻机4105柴油机功率为61.5kW，泥浆泵所需柴油机功率15kW，正常钻进所需总功率约为76.5kW，而全液压动力头钻机（以阿特拉斯C6钻机为例），柴油机功率153kW，XY-44钻机只有全液压动力头钻机的二分之一，对于500m以浅的浅孔，2种钻机每天的有效进尺并无明显差异。另一方面，针对宁东地区的地层，立轴钻机采用一般的低固相冲洗液就能满足钻进需要，而全液压动力头钻机采用的绳索取芯钻具往往需要优质的无固相冲洗液才能确保高效钻进。

（5）立轴钻机操作简单，钻机维护成本较低。

2.2 动力头钻机绳索取芯钻进

全液压动力头钻机钻进和泥浆泵运转均可实现液压传动，以动力头为主要结构特征，可施工倾角为45°～90°钻孔，适应范围较广。钻杆采用绳索取芯钻杆和3m长绳索取芯钻具，钻塔为桅杆式，动力头沿桅杆移动，给进行程达到3m。

2.2.1 动力头钻机设备配置

钻机类型为全液压动力头式钻机，给进行程3m。设备配置见表3。

表3 绳索取芯钻进设备配置

2.2.2 动力头钻机绳索取芯钻进钻孔结构及钻进参数

开孔钻具组合：∅122mm绳索取芯钻具+∅114mm绳索取芯钻杆；终孔钻具组合：∅96mm绳索取芯钻具+∅89mm绳索取芯钻杆。在出现孔内复杂情况时可更换∅76mm钻具钻进一定孔深时用∅96mm钻具扩孔后继续钻进。

动力头钻机绳索取芯钻进工艺参数为：转速450～700r/min，泵量20～60L/min，钻压10～15kN。

2.2.3 宁东地区动力头钻机施工特点

（1）主要优点是给进行程长，可达3m，导向性好且实现长行程给进，增加了纯钻时间，采用的单动双管取芯钻具减少了对岩芯的扰动和冲洗液对岩芯的冲刷，有助于提高岩芯采取率，钻孔倾角范围广，可根据设计要求在45°～90°之间自由选择，而近几年在宁东地区施工的钻孔钻孔全部为直孔，动力头钻机倾角可变的优势不能得到有效发挥。

（2）动力头钻机在宁东地区施工时，因地质取样及测井对钻孔口径和岩芯的要求，采用绳索取芯钻具时只能采用2种口径（∅114mm和∅96mm）。钻孔孔壁与钻杆之间环状间隙较小（1～2mm），由于宁东地区上段泥岩段较长，容易发生泥岩吸水膨胀而造成缩径和泵压升高，造成提下钻遇阻和卡钻事故时有发生，2011年我单位阿特拉斯C6钻机在宁东地区施工效率每天只有20～30m，明显低于立轴钻机在该地区的施工效率。

（3）动力头钻机正常施工消耗的功率较高，同时对冲洗液要求较高，在生产成本方面明显高于立轴钻机。

（4）动力头钻机操作较立轴钻机复杂，对操作人员要求较高。

3 结论

通过2种类型的钻机在宁东地区进行岩芯钻探施工的应用情况对比，可得出以下结论：

（1）设备与钻探工艺的选择应充分考虑施工地区的地层特点，宁东地区地层可钻性不高，钻孔深度大多在600m以内的中深孔，且均为直孔，立轴钻机在施工效率方面完全能满足钻探生产的要求。

（2）近几年在宁东地区实施的钻孔深度多数在0～500m范围内，立轴钻机台月效率可以达到600m以上，从市场价格因素、钻探成本和钻进效率等方面考虑，优先选用立轴钻机。

（3）鉴于宁东地区地层特点属于沉积岩地层，存在大段泥岩地层，容易发生缩径、掉块、吸钻等孔内复杂情况，而立轴钻机钻进时的环状间隙大，孔内事故事故率较低，在孔壁稳定和孔内安全方面优于全液压动力头钻机。

（4）立轴钻机在宁东地区施工时，为了确保岩芯采取率满足地质找矿要求，可以使用普通∅60mm钻杆+双管取芯钻具来保证矿层岩芯采取率，并且适当加长钻具至4.5m，也可以增加回次效率。

总之，在综合考虑各方面因素的情况下，在宁东地区进行600m以内的中深孔钻探施工时，应优先选用立轴式钻机，岩层钻进时采用单管取芯工艺，在矿层钻进时辅助以双管取芯钻机，在确保施工质量的前提下，可有效提高施工效率，节约钻探成本，增加社会效益。