ROCK-600型钻机在小秦岭金矿田勘探中的应用

2019-10-10翟新建李大鹏

钻探工程 2019年9期

翟新建，李大鹏

(1.河南省地矿局第四地质勘查院，河南郑州 450001； 2.河南省小口径钻探工程技术研究中心，河南郑州 450001)

小秦岭金矿田观音峪矿区位于河南省灵宝市。该地区是我国主要产金地区之一，大地构造位置属华北地台西南缘的华山台穹，以新太古代典型花岗岩——绿岩建造为主体，产于该类建造的金矿储量和产量都位于金矿之首。国务院办公厅颁布的《找矿突破战略行动纲要》(国办发[2011]57号)中明确提出了“在胶东、小秦岭等金资源富集区加强深部找矿”的要求，为小秦岭深部找矿提供了政策指引和有利保障。为加强地质找矿进度，贯彻落实绿色勘查的发展理念，该地区引进并应用了ROCK-600型便携式全液压钻机。

1 地质概况

小秦岭地区经历了长期的构造变形变质作用，区内褶皱、断裂构造极为发育，晚期沿韧性剪切带活动的压扭性断裂内有含金石英脉充填，并有热液交代构造岩或围岩成蚀变岩型金矿石。

1.1 地质设计要求

河南省小秦岭金矿田北中矿带观音峪矿区设计工作量1935 m，钻孔孔深180～400 m，终孔直径≥75 mm,岩心平均采取率≥80%，矿心采取率≥90%，孔斜率要求：直孔不超过2°/100 m，斜孔不超过3°/100 m。钻孔设计参数见表1。

表1 钻孔设计参数Table 1 Borehole design parameters

1.2 钻遇地层

钻孔揭露的地层岩性主要为斜长角闪岩、辉绿岩、伟晶岩、黑云母斜长片麻岩、花岗岩、石英岩，局部易出现坍塌、掉块、膨胀等孔内复杂情况。

2 钻探设备及机具选择

2.1 钻机

钻探施工使用ROCK-600型便携式钻机(图1)。该钻机采用全液压动力驱动、集成化设计，大量采用航空铝合金作为材料，最重的部件只有150 kg，快插设计，易于拆卸、搬运和组装。钻机结构紧凑，机场占地面积小，乡间小路或人行道即可通行，对周围环境和森林植被破坏小，适合在各种恶劣环境及复杂地质条件下快速地完成钻探施工任务。其技术参数见表2。

图1 ROCK-600型便携式钻机Fig.1 ROCK-600 portable drill rig

2.2 机具

钻探施工使用的是无锡中地钻探装备有限公司

表2 ROCK-600型钻机技术参数Table 2 ROCK-600 drill rig technical parameters

生产的HQ和NTW绳索取心钻具及总成。

3 钻进施工技术

3.1 管材选择

该矿区采用HQ和NTW绳索取心钻具钻进。HQ绳索取心使用范围是开孔至完整基岩；NTW绳索取心使用深度范围见完整基岩至达到目的层(终孔)。绳索取心钻杆选用无锡中地钻探装备有限公司生产的HQ(Ø89 mm×5.5 mm)和NTW(Ø73.3 mm×4.55 mm)系列钻杆(材质为30CrMnSi)。

3.2 钻进工艺

开孔采用Ø95 mm金刚石绳索取心钻进，钻至完整岩石，下入Ø89 mm技术套管护壁；换NTW绳索取心钻具钻进至终孔(达到地质目的)。局部孔段地层较发育，冲洗液漏失量较大，为了提高钻进效率，采用了随钻堵漏钻进方法。

3.3 钻进参数

在正确选择钻头的情况下，其钻进效率取决于钻进参数，即钻压、转速与泵量。确定金刚石钻进参数时，除了考虑机械钻速外，还要充分考虑钻头的寿命问题。钻头寿命严重影响着小时效率，因此，判别参数的合理与否，主要看机械钻速和金刚石的消耗量。实际施工中采用的钻进参数见表3。

表3 采用的钻进参数Table 3 Drilling parameters

3.4 金刚石钻头和扩孔器

该钻孔采用Ø95和76 mm绳索取心金刚石钻头。为保证钻孔施工安全，加大了Ø76 mm钻头和扩孔器的外径，增大环状间隙，以减少循环阻力；同时选择适合本矿区地层的钻头参数，取得了很好的效果。

Ø95 mm绳索取心钻具选用的金刚石钻头外径95 mm,扩孔器外径95.7 mm。钻头参数：金刚石品级SDBVB(英国)，粒度46～80目，浓度100%；胎体硬度HRC30～35，水口10个，唇面为圆弧式。Ø76 mm绳索取心钻具选用的金刚石钻头是在原钻头外径增加了0.5 mm(原钻头外径为Ø75.5 mm),扩孔器外径76.7 mm。钻头参数：金刚石品级SDBVB，粒度46～80目，浓度100%；胎体硬度HRC5～10，水口10个，唇面为同心圆尖齿形。扩孔器选用的是 SDBVB级金刚石+聚晶条(2×2×5)的烧结扩孔器。

3.5 冲洗液选择

在该矿区施工之前，冲洗液配方的设计作为该矿区的重点工作，根据事前预估的地层资料，研究优选出了5种冲洗液配方，以满足可能钻遇不同地层时的需求，然后根据实际施工地层灵活选用和调整。在钻进过程中，因开孔地层较为完整，从经济成本和使用方便方面来考虑冲洗液的类型，选择使用下列3种无固相冲洗液。

配方1：1 m3清水+0.4%CMC+PHP干粉300～500 ppm+0.30%的植物胶，(即每1 m3冲洗液中加入300～500 g水解聚丙烯酰胺)，用以进行开孔护壁。

配方2：1 m3清水+0.1%CMC+100～300 ppm PHP+0.3%～0.5%荧光高效润滑剂，用以基岩护壁。PHP是由聚丙烯酰胺水解而成，主要用作水基不分散钻井液的絮凝剂，抑制造浆强，可维持冲洗液的低密度，具有一定的增粘作用。在稳定的基岩段，冲洗液的粘度指标可降低，重点增加冲洗液的润滑性能。

配方3：水∶高效润滑剂=1000∶12的比例混合，经搅拌均匀，送入循环池，用以稳定基岩护壁。06荧光高效润滑剂，颜色为暗灰色，主要为软脂酸、硬脂酸等脂肪酸盐类阴离子表面活性剂，具有高效润滑冷却性能，抗温能力强，洗洁力好，润滑系数降低率高，扭矩系数降低率达到或超过50%，是在皂化粉基础上改进的一种新型的润滑冷却剂。

护壁堵漏：当钻遇裂隙及破碎地层，钻井液有漏失现象，冲洗液消耗大，冲洗液无法满足施工要求时，采用803堵漏剂堵漏起到了良好的效果。

4 应用实效

在应用ROCK-600型便携式钻机的生产实践中，相对于在该矿区施工的立轴钻机，钻进效率得到提高，搬家周期大幅缩短，占地毁林面积减少显著，一定程度上实现了绿色勘查，取得了较好的经济效益和环境效益。同时也存在着许多问题，下一步可着重改进。

4.1 钻探施工效率大幅提高

ROCK-600型全液压便携式钻机在400 m以浅钻孔施工，钻进效率相对立轴钻机得到大幅提高。钻进效率对比情况见表4。

表4 钻进效率对比Table 4 Drilling efficiencies

从表4可以看出，ROCK-600型便携式全液压钻机相对XY-4型立轴钻机平均台月效率提高202%，平均小时效率提高214%。

4.2 搬家及钻机安装周期缩短

ROCK-600型全液压便携式钻机与XY-4型立轴钻机的搬家、钻机安装时间对比如表5所示。

从表5可看出：ROCK-600型便携式全液压钻机相对于传统的XY-4型钻机搬家时间和安装时间显著减少。这是因为ROCK-600型钻机实行集成化设计，总质量1.2 t，最重模块仅150 kg，仅需4人即可抬运，条件良好的路段可使用皮卡车进行转运。传统的XY-4型立轴钻机搭配SG-8型钻塔、BW-250型泥浆泵、搅拌机等配套设备，重达5 t，转场时钻塔需要拆卸零散，搬运不便。

表5 钻机搬家和安装时间对比Table 5 Comparison of movement time and rig-up timebetween various drills

4.3 修路、平机场占地面积小

ROCK-600型钻机人工便道(路宽0.8～1.2 m)即可搬运，机场面积仅需4 m×4 m既能满足施工要求，而XY-4型立轴钻机单件较重，人工搬运不便时需使用三轮车或皮卡搬运，运输设备道路路宽在1.5～1.8 m以上，机场除摆放钻塔外，还要满足现场机械设备、管材的摆放及冲洗液循环的要求，面积应在6 m×6 m以上。

4.4 夹持器锁死系统工作时间短

ROCK-600型便携式全液压钻机在观音峪矿区施工的ZK201在215.53 m发生跑钻事故，主要原因是班长操作不当和班组人员责任心不强造成的。该孔使用的是NTW绳索取心钻杆，在下入第119根钻杆时，动力头扭矩不足导致钻杆丝扣吃丝少，此时1号发动机意外熄火，半分钟内未启动，夹持器无法自动夹紧，因钻杆自重较大导致钻杆丝扣脱扣，引发了跑钻事故。后来检查发动机熄火的原因主要是油箱存在大量油沫，造成供油不畅。因为机台人员加柴油时，油桶里存在油沫，没有过滤，直接加入油箱，造成油箱内积存大量油沫，而柴油滤芯长时间不更换，油沫进入供油管，造成的供油不畅。如钻机夹持器能在液压系统动力缺失的情况下，锁住回油的时间更长点，这样会给钻机人员更多的处理时间，减少事故的发生。

4.5 处理事故能力略显不足

ROCK-600型便携式全液压钻机在观音峪矿区施工的ZK201跑钻事故后，换低转速动力头液压马达(200 r/min，650 N·m)，下入公锥锥住钻杆，提拉不动，后强力提拔，机座翘起，仍没提出，多次尝试后丝扣脱扣。后考虑钻孔漏失严重，孔内基本为干孔，钻杆因自重较大，下落到孔底并挤死在孔内，决定改用割刀进行切割。割刀下入145.58 m，无法继续下入，慢转割刀，开始切割钻杆。切割后，下入公锥锥住钻杆，后起上97根钻杆。通过对孔内的事故情况进行分析研究，一致认为孔内钻杆无法起出，无法继续施工，移孔重新施工。ROCK-600型钻机正常钻进使用的是1300 r/min、260 N·m的动力头马达，处理事故采用低转速马达，可强力提拔时，机座翘起，不敢继续增大提拔力度，最终导致处理事故失败。