浅谈立轴绳索钻机在复杂地层探矿钻探中的应用

张芳寅，杨军彦，闻 义

（江西省地质局第三地质大队，江西 九江 332000）

近年来，我国矿产行业经济形式复苏，时代不断进步，人力资源相对紧缺的环境下，对探矿工程的要求也不断提高。在探矿施工中立轴普通钻探的缺点越凸明显，在较复杂的岩层中岩芯采取率低、钻进进尺慢、钻工十分辛苦，已基本淘汰，只在路勘、房勘中继续存在。即使现在有便携式全液压钻机的更新使用，但它只在较完整的地层中施工效果确明显，钻机速度很快，却在灰岩溶洞区及其他复杂地层中使用，钻孔报废率很高，因为他的口径及动力都跟不上孔内事故的处理要求。

在这种环境下立轴式绳索取芯钻机就必不可少，取芯率高、动力强、钻进深度大、施工技术简单等等。但在溶洞发育及复杂岩层中施工，没有好的方法也会出现各种孔内事故，导致施工速度慢，钻探材料消耗大等增加施工成本。探矿工程为了在复杂岩层中提高效率，降低成本，我们就得研究更好的施工方法来适应各种复杂的岩层。

1 复杂岩层的分类

1.1 盐类地层

为水溶性地层，会造成钻孔超径、污染泥浆、孔壁掉块及坍塌。

1.2 粘土、泥岩、页岩地层

为水敏性地层，会导致膨胀缩径、泥浆增稠、孔壁剥落等。

1.3 流砂、砂砾、松散破碎地层

包括松散孔隙性地层、风化裂隙发育地层、未胶结的构造破碎带。极易发生漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、钻孔超径等，给钻探施工造成极大困难。

1.4 岩溶地层

溶隙、溶洞发育地层，比如石灰岩、大理岩等地层，易发生漏水、涌水、坍塌等现象，给钻探施工造成不可小觑的困难，有效的进行护壁堵漏也是我们在施工中进行研究的重要方面。

2 复杂岩层钻探施工中的主要工艺方法

2.1 选择合理的泥浆配方

在复杂岩层中进行钻探施工，在基本的操作规范施工外，一定要针对不同的岩层调配好相应的泥浆，是安全钻探中的必要措施。

破碎带岩层处使用合理的泥浆配比可使岩芯更加完整，不易破损，如下图1、图2，为同等地层处一般泥浆配比和合理泥浆配比所取复杂岩层岩芯的效果。固体矿产勘查中复杂岩层泥浆一般分为三类：①松散层泥浆，用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层泥浆；②水敏抑制性泥浆，用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的泥浆；③水溶抑制性泥浆，用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆。

图1 使用一般泥浆所取岩芯

图2 使用合理泥浆所取岩芯

案例：青羊场铜矿详查。地层为含泥红砂岩，裂隙发育，上部风化层厚，深部破碎强烈，在刚开始的施工中由于泥浆配方的不合理，使得孔内沉积大量泥沙，在孔深500多米时导致埋钻，处理结果是丢失钻杆400多米，没有达到设计孔深的要求。后经过反复试验，根据岩层本身含有泥质的特点，利用植物胶、聚丙烯胺、纯碱、低荧光防塌剂制作配方。配方为一立方米的水加植物胶5Kg、聚丙烯胺2Kg、纯碱1.5Kg、低荧光防塌剂3Kg进行调配，泥浆比重1.1，粘度25s～30s，失水量10ml/30min,pH值8.5。并且在钻进中要及时清换泥浆池泥浆，保证泥浆的比例纯度，最终高效的完成该矿区的钻探施工。

合理的泥浆配置，是钻探施工中重要的工艺方法，不仅能保持孔内干净，同时又可以进行堵漏护壁，防止孔内事故的发生，才能安全顺利的完成钻探施工。

2.2 钻孔结构的设计

在复杂地层中进行钻探施工，首先要设计合理的钻孔结构，针对地层的复杂程度及设计的钻孔深度进行合理且留有余地的孔径变化设计。

一般采用多径成孔。一般选择较大口径Ф127开孔，穿过地表风化层后直接下Ф127套管进行护壁，防止坍塌导致埋钻。然后换Ф110钻具钻进，过了破碎段后下Ф110套管，换Ф91钻具钻进，等岩层完整后可换Ф75钻具一直到终孔。这样可以对孔内深部发生的漏水、破碎、易垮塌部位进行及时有效的护壁处理，也可以在出现孔内事故后方便处理事故。

2.3 水泥在复杂地层中的运用

在一些特别复杂的地层中进行钻探施工，水泥的运用有时是不可替代的，多用于碎石层、有溶洞地层，合理的使用可以进行有效的防塌堵漏，防止孔内事故的出现。

案例：广令坡金矿详查。该区地层为灰岩，岩层中由于构造带极为发育，破碎强烈且胶结很差，充填大量砂层，施工段地表覆盖几十米厚的矿渣，施工钻孔80%以上为75°斜孔，施工难度极大。特别是在碎石层上开孔，套管都无法下到位，垮孔程度难以想象。只有利用快干水泥进行封孔，再钻进，再封孔的办法进行施工。

2.4 钻头的使用技巧

在复杂岩层中钻进时，要根据岩层的软硬变化及时更换相对应硬度的钻头，才能有效的达到理想进尺。一般遵循以柔克刚的原则，如果岩石为花岗岩、石英以及硅化较强的时候，钻头则选择硬度在15°以下的金刚石；如果岩石为泥板岩、含泥砂岩等较软地层时，钻头一般应该选择硬度在25°以上的金刚石；如果岩石为细粒花岗岩或石英岩时，钻进进尺极慢且钻探消耗大的情况下，可以在孔内丢人石英小颗粒将钻头进行有意的打磨，使得钻探更加锋利，可以提高钻进速度。

在松散的破碎地层中钻进时，在钻头的配置上可以让钻头外径大钻具1mm～2mm，比如Ф75钻具配Ф76钻头。这样钻杆和钻具与孔壁之间有了一定的间隙，可以防止掉渣卡钻，泥浆反渣效果更好，缓解泥浆泵压力，从而防止了堵钻事故的发生。

2.5 双管钻具的使用

针对云南芒市上芒岗金矿钻进中含矿层破碎，取芯要求高，采用∮110单管钻进时岩心采取率，孔内事故频发的现象，探索研究出一套可成功将∮110和∮95双管钻进与绳索取芯钻进完美结合的钻探施工工艺(见图3双管钻具简易剖面示意图），较好地解决了破碎含矿地层的钻进施工难题，保证了含矿地层的取芯率。

图3 双管钻具简易剖面示意图

2.5.1 双管钻具的配制

（1）组合双管变径短接手，在加工时保证内孔和外丝较高的同心度。

（2）内孔与钻杆外径有较小的间隙配合，使复合双管变径短接手与钻杆焊接不产生变形和扭曲，保证∮110单管钻具和HQ95绳索取芯钻具的同心度。

（3）焊接部位牢固。在现场要求具有较好焊接水平的人员进行焊接，焊接时应做好各部位的冷却处理工作，保证各部件不因焊接高温产生脆变，影响使用效果或产生脱焊，扭断等事故发生。

（4）∮110单管钻头与HQ95绳索取芯钻头配合距离间隙不易过大或过小，一般控制在9mm～10mm，这样能保证钻井过程中边打过扩，钻孔和扩孔同时进行有利于保证钻孔的同心度，又利于钻头的冷却和排除岩屑。

（5）∮110单管钻头具有钻孔和扩孔作用，但主要作用是扩孔，所以∮110单管钻头选用胎体硬度35～40目，金刚石浓度65%～80%。∮110单管钻具外管选用厚壁钢管，保证其材质的刚度。

（6）设计加工复合双管钻具务必保持精准的同心度，保证主动钻杆、HQ95绳索钻杆、复合双管钻具三者在一条轴心线上。

2.5.2 双管钻具钻进技术

（1）上部覆盖层和不稳定地层，∮127开孔，采用干钻或控制泵量保湿状态钻进，保证岩心采取率85%以上。

（2）安装好第一级∮127套管后，做好孔口封闭工作，然后直接采用∮110-HQ95组合绳索钻具钻进，要求开孔时一律采用全新∮110钻头和∮95钻头和扩孔器，避免后期更换钻头扫孔现象，钻具入孔前应认真仔细检查各部件的连接、钻杆和内管弯曲和磨损量、钻头间隙及牢固程度。

（3）复合绳索钻具入孔前，应培制好钻孔冲洗液，首先进行钻孔冲冼，待孔内干净后再触底轻扫，不可一杆到底加压钻进，避免钻头损坏。

（4）扫孔接触新层面后，开始应轻压慢速钻进，保证钻孔的方位和顶角不偏斜。

（5）随着钻孔深度不断增加，可适当调整钻进压力和钻进速度，考虑该矿区浅部地层较破碎，冲洗液漏失严重，故建议钻进速度不宜过高。

（6）钻进过程中应随时观察钻进进尺变化，熟悉掌握各岩层分布规律，把控好岩心采取率，当钻进速度过快时应立即提内管取心观察，若岩心采取率偏低，应减少泵量，缩短钻进进尺，避免盲目快速而漏失地层。当钻进缓慢或不进尺时也应立即提内管取心观察，分析清楚原因后再下钻施工，避免岩心堵塞而造成岩心磨损，禁止钻进缓慢时上下捣杆行为。

（7）当钻进至稳定地层后，安装∮108套管，做好孔口和孔底的封闭工作，改用HQ95绳索钻具钻进，钻进过程尽量保证三级口径终孔。

2.5.3 组合双管绳索钻具优点

（1）组合双管变径短接手结构简单，加工方便，投入成本低，整体重量轻，便以安装与拆解。

（2）组合双管绳索钻具使用优化了施工程序，减少了起下套管次数，降低了工人劳动强度。

（3）复合双管绳索钻具具有一定刚度，钻孔不易偏斜。也避免了钻孔换径后扩孔不使用导正的钻具或导正钻具扩孔都容易造成的第二次偏斜，保障了钻孔的成功率。

（4）组合双管绳索钻具使用增大了钻孔与钻杆之间环状间隙，减少了钻进时对孔壁的破坏，同时有利于冲洗液流动，排除岩粉岩渣干净，从而减少了掉块卡钻，钻孔坍塌、埋钻事故。

（5）组合双管绳索钻具使用提高了钻进效益，钻机台效明显提高，降低了材料成本，产生了较好的经济效益和地质效益。

（6）组合双管绳索钻具使用提高了岩心采取率，达到并满足地质技术要求。由于岩心采取率高，找矿成果质量高，产生了良好的社会效益。

3 结语

目前大部分探矿钻探施工都用绳索取芯钻机，如XY-2、XY-4、XY-5等立轴式钻机设备以及便携式全液压绳索取芯钻探设备等。在此只是通过在多个矿山的施工过程遇到复杂的地层，给我们施工造成的困难，浅谈了自己的一些经验。由于在这些复杂的地层中，绳索取芯钻机施工还是有一定相应的弊端，所以我们应尽可能的运用其它相关辅助材料及科学的施工方法来配合施工，才能有效的达到地质目的并降低施工成本。

组合双管绳索钻具的改良，让项目部走出施工复杂地层的阴影，培养增强施工工人和技术人员的信心，树立科学钻探理念，探索日益成熟的钻探工艺，赢得探矿工程的市场奠定了基础。

随着钻探设备及施工技术的逐步发展，面对复杂的岩层及孔内情况的多变性，单靠现有的钻探设备和以往的工作经验是无法满足未来探矿行业的需求，因此，必须在全面了解地质环境的基础上，采用先进的钻探设备和技术才能更好的实现探矿目的和经济效益。