金剛石繩索取心技術在紅山子地質勘探中的應用

李柏軍，宗緒永

（核工業二四〇研究所，遼寧沈陽110032）

金剛石繩索取心技術在紅山子地質勘探中的應用

李柏軍，宗緒永

（核工業二四〇研究所，遼寧沈陽110032）

金剛石繩索取心技術作為國家的重點推廣技術正在被廣泛采用。本文介紹了金剛石繩索取心技術在內蒙古紅山子地質勘探中的應用情況，并結合施工現場對金剛石繩索取心技術進行了探討。

金剛石；繩索取心鉆進；地質勘探

1 工程地質概況

工作區位于內蒙古赤峰市北部紅山子鄉，隸屬克什克騰旗所轄。地處大興安嶺南段末端，海拔標高一般大于1300m，最高1970m，相對高差大于200m，大部分屬中高山區，具有典型山地地貌的特點。

本區大地構造位置位于西伯利亞古板塊與中朝古板塊接合部位。按構造單元劃分，為內蒙古中部地槽褶皺系的溫都爾廟－翁牛特旗加里東地槽褶皺帶。北鄰蘇尼特右旗晚海西地槽褶皺帶，南部為華北地臺。本區基底為海西構造層，由二疊系組成，下二疊統為青鳳山組、大石寨組、哲斯組，上二疊統為于家北溝組）、林西組。晚古生代火山巖建造以中性為主，酸性次之。據巖石化學研究成果，二疊紀火山巖生成的構造環境為褶皺帶地殼深熔作用形成，發育的構造環境為造山帶或島弧區。中新生代地層分布有侏羅系、白堊系及新近系等。侏羅系僅為上統地層，與上、下地層均呈不整合接觸關系，為一套中酸性熔巖、火山碎屑巖建造，分三個組：下部滿克頭鄂博組為一套酸性熔巖、凝灰巖、粗面巖及碎屑巖組合；中部馬尼吐組以安山質熔巖、凝灰巖為主；上部白音高老組為酸性熔巖及流紋質火山碎屑巖，其上為新近系玄武巖及含煤碎屑巖不整合覆蓋。下白堊統義縣組出露在西部，被大面積第四系覆蓋，僅有零星露頭。巖性為流紋斑巖、流紋巖及酸性凝灰巖。新近系上新統分布在西拉木倫河以南，巖性為玄武巖夾碎屑巖，含煤。按噴出形式，中生代火山巖以火山碎屑巖為主，次為熔巖，次火山巖較少。其巖性主要有凝灰巖、安山巖、粗面巖、流紋巖等。

利用鉆探完成礦體相應網度控制，基本查明礦體在地表的分布規律，賦存狀態、礦石類型、斷裂構造分布特征等，為礦床開發提供地質依據。該項工程的鉆探工作量1300m，鉆孔3個，孔深300～500m，鉆孔終孔孔徑φ75，設置孔號ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5進行地質巖心鉆探施工。

2 鉆探施工工藝

2.1 鉆孔結構

根據地層情況，設計為三級鉆孔結構，開孔使用φ110硬質合金鉆頭單管鉆進，開孔鉆至完整基巖，再下入φ108孔口管到位，用泥土填實再用鋼夾板固定，之后使用φ91金剛石鉆頭單管鉆進，鉆至巖層4m，下入φ89套管，鉆后更換S75金剛石繩索取心雙管鉆具進入正常鉆進。以鉆孔ZKⅡ－7－5為例，鉆孔結構示意圖如圖1。

圖1 鉆孔結構示意圖

2.2 現場布置及設備安裝

現場布置：根據鉆機型號規定的地盤面積154m2（14m×11m），由于地形復雜地盤面積適當縮小約為140m2，基臺木、循環系統布置如圖2、圖3所示。

圖2 基臺木布置圖

圖3 循環系統布置圖

設備：XY－44鉆機，BW250/40泥漿泵，繩索取心絞車，30k W柴油機，64k W發電機組，擰管機等。

設備安裝：平整基臺地基、鉆孔定位，安裝四角斜塔，鉆塔底座與鉆機采用重型工字鋼聯接以增強穩定性。用水準儀校正鉆機的周正水平，安裝天車時要求鋼絲繩與滑輪上提引器下垂、鉆機立軸中心、孔口中心在同一條鉛垂線上。鉆機卷揚的鋼絲繩經過天車輪和打撈器連接，并向下垂直孔口中心。循環槽、沉淀池、水池、泥漿泵、高壓管、機上鉆桿，形成完整的吸排水循環系統。柴油機做泥漿泵、發電機組、照明燈、絞車、電焊機、磨光機的動力源。現場使用380伏電源、絕緣銅芯電纜線，電源制控箱分配電源。

2.3 金剛石鉆頭的選擇

該地區巖性主要有凝灰巖、安山巖、粗面巖、流紋巖，適用金剛石鉆進的可鉆性、研磨性等級及硬度如表1。

表1

選用φ75的孕鑲金剛石鉆頭，根據鉆遇巖性，巖石中硬—硬，堅硬致密，中弱研磨性，鉆遇完整地層時金剛石鉆頭易拋光、打滑，鉆進效率低，宜采用高強度，濃度低，胎體硬度HRC15～30的人造孕鑲金剛石鉆頭；鉆遇巖層松散、破碎，宜采用濃度高，胎體硬度HRC35～40的人造孕鑲金剛石鉆頭。

2.4 鉆進規程參數

壓力較普通雙管鉆頭大25%左右，轉速差不多，泵量泵壓都較普通雙管鉆進時大些。

（1）鉆壓

正常鉆進直徑75mm的孕鑲金剛石鉆頭，要求鉆頭壓力10～12k N，最大壓力15k N。根據稱重相應控制加、減壓數量，以使孔底鉆壓與稱重表所示鉆壓一致。鉆孔的深度越大，鉆桿柱中間受到的扭矩越大，易折斷，鉆壓要隨孔的加深適當減少。

（2）轉速

孕鑲金剛石鉆頭所用金剛石粒度很小，出刃量微小，主要靠轉速來獲取鉆進效率，75mm孕鑲鉆頭轉速在400～850r/min，如果巖層較破碎、軟硬不均、孔壁不穩定時宜選用下限轉速，鉆孔結構簡單、環空間隙小、孔深不大時盡量選用高轉速，反之亦然。

（3）沖洗液泵量

孕鑲金剛石鉆頭唇面與巖面間只存在漫流區，主要靠多個水口循環，加之常以高轉速鉆進，因此宜用較大的泵量，以防止發生燒鉆，泵量值40～60L/min為宜。

為加強排粉能力、鉆頭冷卻效果，減少重復破碎，沖洗液要適中，采用水解聚丙烯酰胺，包裹、絮凝巖屑并增加泥漿粘度，用量0.05～0.1%，使用前將干粉溶成1%濃度的水溶液。采用含基礎油的乳化油類潤滑劑，用量0.3～0.5%。

3 巖心采取

地質鉆探施工中要求巖心采取率≥65%，巖礦心采取率≥85%，因此采取率的高低與鉆孔質量休戚相關，每次下鉆前要對鉆具檢查：

（1）外管總成的組裝及檢查，從彈檔頭到鉆頭連接進行檢查，鉆頭及擴孔器是否合適。

（2）內管總成的組裝及檢查，撈矛頭是否折彎和伸直要自如可靠，回管上下提拉要可靠，彈頭收縮和張開要可靠、單動機構要靈活、各部件要擰緊、到位報信機構調整要合適、內管要平直、加注潤滑油、卡簧與卡簧座的軸向及卡簧的彈性要合適。

（3）打撈器組裝及檢查：打撈鉤松緊、縮、伸張要自如，與撈矛頭的配合尺寸要適合，軸承單動性要好，繩索要夾牢。

（4）內外管總成裝備及調試：將內外總成在地面放到外管總成內測量軸向長度，卡簧座下端離鉆頭內臺階要有3～4mm間隙，彈頭擋頭與彈卡嵌要有2～3mm間隙。

4 鉆進技術要素

升降鉆具不能太快，過快易使金剛石鉆頭受到沖擊而損壞，鉆桿與接手處由于壁薄易造成鉆桿折斷、拉斷。鉆具下到位后，開泥漿泵送沖洗液排出巖粉，有沖洗液從孔內返出時用小鉆壓、慢轉速掃孔，離合器離合要輕，過猛易造成鉆桿折斷、脫扣，鉆具到達孔底后采用正常鉆進參數鉆進。

正常鉆進時工作人員精神要高度集中，時刻注意進尺快慢，觀察機械運轉及傾聽孔內鉆進聲音，如有異常及時采取相應的措施。如進尺過快，可減少鉆壓，適當增加泵量；如進尺過慢，可適當加大鉆壓，提高鉆進效率；如不進尺，可通過稱重判斷鉆桿是否折斷，自重不變則可能是自卡，可采取提鉆或者對金剛石鉆頭拋光、打滑。

鉆遇復雜地層應注意以下幾項：

（1）縮水、遇水膨脹的底層，鉆進時應增大卡簧座與鉆頭的間隙（大于0.3mm），低泵量、低轉速鉆進，以提高巖心采取率，保護孔壁，待穿過該底層后恢復正常鉆進參數。

（2）孔內不進尺，巖心堵塞，泵壓升高，此時需提鉆以防止巖心自磨或者提不起內管。

（3）如內管堵死，可嘗試在鉆桿柱懸空狀態時重新高轉速送水回轉，將堵塞的巖心甩掉，或送水繼續鉆進，將堵塞的巖心自磨掉。

（4）打滑導致進尺慢時，可投入一些碎石子，加快鉆頭金剛石顆粒的出露，從而加快進尺。

（5）地層破碎，沖洗液漏失的地層，可灌注水泥漿液或聚丙烯酰胺漿液。

（6）地層破碎以致上部鉆孔坍塌的地層，可按二級鉆孔孔徑擴孔，穿過坍塌地層后下套管護壁，擴孔時泵量適當加大將巖粉雖泥漿攜帶出地表。

5 事故預防和處理

（1）在升降鉆具過程中要預防跑管事故，可能造成鉆桿與接手形成喇叭口，鉆桿柱與孔壁摩擦阻力增大甚至造成鉆孔報廢。

（2）不合理的鉆進參數可以造成燒鉆，同時沖洗液采用低固相、低粘度、低失水性的泥漿。

（3）在松散破碎地層要嚴格控制除砂，防止鉆桿內壁形成泥皮而造成提不出內管，如出現該事故可在鉆桿中加入柴油與機油的混合油。

（4）鉆進中難免遇到鉆桿或接手折斷，可有絲錐將鉆桿柱提出。

（5）鉆遇卡鉆，可慢速轉動同時上下串動，以將掉塊磨損掉。

6 結論

鉆孔ZKⅢ－9－28、ZKⅢ－9－30、ZKⅡ－7－5金剛石繩索取心鉆進的施工方法和經驗，充分顯示了金剛石繩索取心鉆進方法的優越性，工程質量高，鉆進效率高，鉆頭壽命高，事故率低，勞動強度低，設備材料消耗小，取得了良好的經濟效益。本文根據該工程總結了一些施工工藝和經驗，繩索取心鉆進工藝也將會在更多的地質工作中得到廣泛應用。

［1］ 陳木炎.繩索取心沖擊回轉鉆進效果及其工藝探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），1988（4）.

［2］ 李文忠.金剛石繩索取心鉆進復雜地層的兩項技術措施［J］.煤田地質與勘探，1992（4）.

［3］ 魏臣.提高繩索取心鉆進效率的有效途徑［J］.中國煤田地質，2006（12）.

［4］ 張相.繩索取心鉆進在新疆煤田地質勘探中的應用［J］.中國煤炭地質，2007（6）.

［5］ 張永勤.提高金剛石繩索取心鉆探效率的創新［C］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2007.

頁巖氣發展規劃（2011－2015年）發布

【本刊訊】為加快我國頁巖氣發展步伐，規范和引導“十二五”期間頁巖氣開發利用，國家發改委、財政廳、國土資源廳和能源局于2012年3月16日聯合發布了《頁巖氣發展規劃（2011－2015年）》。

《規劃》包括前言、基礎和背景、指導方針和目標、重點任務、規劃實施、社會效益與環保評估六個部分，提出我國頁巖氣的總體發展目標是：到2015年，基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，掌握頁巖氣資源潛力與分布，優選一批頁巖氣遠景區和有利目標區，建成一批頁巖氣勘探開發區，初步實現規模化生產；具體目標是：在“十二五”期間，探明頁巖氣地質儲量6000億立方米，可采儲量2000億立方米，2015年頁巖氣產量65億立方米。

據報道，2011年我國石油對外依存度達到56.3%，天然氣對外依存度達到21.56%，能源安全問題亟待解決。頁巖氣是一種非常規能源，成分與天然氣相似，能有效補充傳統化石能源的需求缺口。根據國土資源部發布的數據顯示，我國陸域頁巖氣地質資源潛力為134.42萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米，超過常規天然氣資源，頁巖氣開發將成為解決我國能源安全問題的重要途徑，未來需求空間巨大。

目前，我國頁巖氣開發仍面臨資源情況不明了、關鍵技術不具備、基礎設施不配套、法規政策不健全、勘探開發不經濟等諸多問題。所以，“十二五”期間是我國頁巖氣開發的起步期，主要任務是明確資源情況、攻克關鍵技術、建設基礎設施、完善法規政策以保障頁巖氣開發在“十三五”期間的加速發展。

據國土資源部發布的全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選成果顯示，我國頁巖氣地質資源潛力為134萬億立方米，可采資源潛力為25萬億立方米。

據了解，國土資源部關于將頁巖氣作為獨立礦種的申請已經得到了國務院正式批準，頁巖氣成為我國第172個礦種。獨立礦種的確定，將為社會資金進入頁巖氣勘查開發領域提供機會。頁巖氣探礦權的出讓將采用競爭方式，國土資源部今年準備開展1～2批頁巖氣探礦權招標出讓。同時，在《找礦突破戰略行動綱要（2011－2020年）》中，將頁巖氣作為重點能源礦產，鼓勵各種投資主體進入其勘探開發領域。隨著頁巖氣產業的發展，有望使我國的油氣資源開發格局得到改變。

P634.53

A

1009－282X（2012）03－0026－03

2012－02－28

李柏軍（1987－），男，吉林長春人，本科，技術員，鉆探工藝，畢業于吉林大學勘查工程系，Tel：18604017850，E－mail：libaijun000＠163.com；宗緒永（1967－），男，遼寧葫蘆島，本科，高級工程師，鉆探工藝，畢業于長春地質學院探礦工程系。