潛孔錘反循環鉆探工藝試驗研究

王致民

（福建省121地質大隊　福建　龍巖　364000）

潛孔錘反循環鉆探工藝試驗研究

王致民

（福建省121地質大隊福建龍巖364000）

為適應時代的快速發展，人們對各種資源的開采也逐漸增多，導致許多不可再生資源出現枯竭的狀態，其中與人們生活關系最為密切的礦產資源的儲量已經瀕臨枯竭，為貫徹經濟和社會可持續發展的政策，需要加強對礦產資源的勘察力度和勘察范圍，針對這一需求，貫通式潛孔錘反循環鉆探工藝被得到廣泛的運用，該技術對復雜的地層有著較強的適應性。本文將通過相關試驗介紹進一步對潛孔錘反循環鉆探技術進行研究。

貫通式潛孔錘；反循環連續取心；鉆探工藝

目前針對在西部地區進行地勘工作的施工人員來說，工作重點是對存在的資源進行開發和勘探，對已經出現危機的礦山進行修復和改良。然而在實際資源短缺的情況下，使用鉆探技術是目前唯一最后的勘探方法。受復雜的地形以及特殊的氣候影響使勘察工作變得困難，所以及時采用鉆探新技術對于克服這些困難，實現資源的開發有著重要的意義。

1　潛孔錘反循環鉆探工藝的概況

1.1潛孔錘反循環鉆探工藝的概念

貫通式潛孔錘反循環連續取心鉆進技術是以空氣鉆進技術為基礎，集合潛孔錘碎巖技術、流體介質全孔反循環技術等為一體的新型高新技術。其基本的工作原理是，先由雙壁鉆桿環狀通道將壓縮空氣輸入內部，然后利用潛孔錘作功將巖石擊碎，在此之后的廢氣將攜帶孔內的巖屑流入到雙壁鉆桿的中心通道上直至返回地表。

1.2潛孔錘反循環鉆探工藝的特點

該工藝的主要特點有：使用密度較小的壓縮空氣作為動力介質，有利于減小孔底巖石的壓力，從而方便碎巖，且使用的比功較小；壓縮的空氣和往上反流體介質均在密閉的雙壁鉆具內進行流動，能有效的避免與孔壁的接觸以及對孔壁的沖刷，使孔壁相對穩定；因為巖芯樣的采取效率較高并且不會與孔壁有接觸，所以其巖礦心的質量較好；在特殊的地層開展鉆進工作時，使用該技術能有效的避免出現孔壁的坍塌及卡鉆和巖石結構被破壞的現象發生；該工藝對于干旱缺水的區域和冬季冷凍區域都能適用，并且施工周期較短，鉆探的成本不高。

2　潛孔錘反循環鉆探工藝試驗

2.1試驗概況

某金礦田位于北緯33～36°的緯向系山脈和山字型構造山脈與太行山隆起帶交匯處，經過長期的地殼變形變質作用后，該地區的地質構造呈現復雜，褶皺，斷裂發育的特點。該礦區地層主要情況為：第四系覆蓋層厚3m，弱膠結的花崗巖可鉆性5～6級，細粒的安山巖可鉆性8級。其中太古代花崗——綠巖帶由綠巖和花崗質片麻巖系兩類巖石組成，地層破碎漏失，易卡鉆埋鉆，屬于復雜的地質條件。

2.2反循環鉆頭和鉆具的準備工作

通過對上文中對該低區的地質情況進行初步的了解分析，得出可以使用空氣潛孔錘反循環鉆探技術進行相關試驗的結論，在試驗中的鉆頭和鉆具都需要在原始的配置上進行優化組合。該組試驗中的鉆具組合均為全外平式鉆具，對于巖層中的破碎和坍塌現象能適用，相關組合和連接如下：

（1）雙通道氣水龍頭+φ89mm雙壁鉆桿+加GQ-127C貫通式潛孔錘+φ154mm開孔取樣鉆頭；

（2）雙通道氣水龍頭+φ89mm雙壁鉆桿+加GQ-127C貫通式潛孔錘+φ133mm開孔取樣鉆頭；

（3）雙通道氣水龍頭+φ89mm雙壁鉆桿+加GQ-108C貫通式潛孔錘+φ113mm開孔取樣鉆頭；

（4）雙通道氣水龍頭+φ89mm雙壁鉆桿+加GQ-89C貫通式潛孔錘+φ94mm鉆頭。

2.3潛孔錘反循環鉆探工藝試驗結論

經過相關孔錘反循環鉆探工藝試驗得出以下結論：

（1）該組用于試驗的設備配套合理，使用情況良好，能滿足試驗的要求。其中具體的鉆速情況可參見表1。

表1　鉆進速度統計表

在試驗期間三種規格的貫通式潛孔錘均發揮了工作狀態穩定，沖擊能量大、鉆進效率高等特點，提高了工作效率。

（2）我國目前多數地質勘探團隊中使用的鉆機為給進行程短的立軸式鉆心機，但是在實際的工作中，該鉆機不能實現潛孔錘鉆進的低轉速要求，不利于反循環中的連續性，進而對潛孔錘的高速鉆機產生影響。而本次試驗中的通過相關的操作方法結合XY-6B型巖心鉆機的使用，讓試驗成功完成，為該技術的發展積累了一定的經驗，并為以后的推廣打下了堅實的基礎。

（3）使用雙壁鉆桿和貫通式潛孔錘以及反循環鉆頭共同組成的鉆具系統，在供氣壓力和供氣量適度的情況下，反循環的狀態穩定，巖心樣的采集率也達到95％以上，有利于地質人員對當地的地層信息進行了解，從而使勘探的精確度和準確度得以提高。

（4）鑒于試驗地段中地層堅硬和易破碎段出現卡鉆、埋鉆的情況，在試驗中使用該組合的鉆具系統成功的將特殊巖層總的巖心樣取出，但是在與其相隔10m采用金剛石索取心鉆進方法的勘探鉆孔中沒有發現該特殊巖層，該現象再次說明了潛孔錘反循環連續取心樣的辦法對于巖層具有較高的采集率，并且具備一定的代表性，對地層信息的記錄不會丟失[1]。

3　對潛孔錘反循環鉆探工藝的研究

潛孔錘反循環的形成機理和鉆探工藝參數：

3.1反循環形成的機理

潛孔錘反循環鉆探技術的關鍵在于如果將反循環處于穩定的狀態，為實現這一要求相關人員創新研發了多噴嘴引射器式反循環鉆頭，使用這種鉆頭在實際的工程中起到一定的作用，但是對于極其復雜的地層條件，該方式會出現反循環不徹底、中心通道發生擁堵的問題。所以為徹底實現具備穩定可靠的反循環系統，相關專家對多年的試驗結果進行總結，并提出以下可行性技術措施：

（1）雙壁鉆桿內管聯結處不能設置臺階，即使是較小的臺階也不允許，臺階的存在會使氣流的流通不通暢，并形成旋流，進而對反循環的效果產生了影響，甚至造成卡堵的情況發生。雙壁鉆桿和雙通道氣水龍頭的中心通道需以內平式的結構為主，并且采用插接式對雙壁鉆桿進行連接，要保證連接處和通道內部不會出現臺階和大凹槽，讓其順暢平滑。這樣的設計有利于保證鉆取出來的巖心，攜帶的巖屑和巖粉在孔內的中心通過暢通無阻，不會發生因為巖屑的卡堵造成的反循環失效的情況出現。用于輔助的雙通道氣水龍頭的內部通道也需要具備順暢無阻，能避免發生巖心屑堵塞的情況。

（2）在進行鉆進施工時，需要控制好其失效，不能以追求最高的鉆進效率為基本前提。如果出現過高的鉆速會使中心通道中的巖心巖屑濃度過大，使反循環流體在中心通道流通不順暢。要牢記當反循環中心的阻力高于外環狀間隙的正循環阻力時，會造成反循環失效。

（3）對于鉆進中出現的卡堵情況，可以使用防卡堵型反循環鉆頭，這類鉆頭有利于阻止直徑較大或面積較大的巖心進入中心通道，能有效的避免因為巖心堵塞造成的反循環失效。

（4）新技術的發展對于解決鉆探中的難題有著一定的功效，在傳承當前反循環鉆探的優點下，需要不斷進行創新具有新型結構的反循環探頭，以適應不同的地層條件和不同直徑鉆孔的需求[2]。

3.2反循環鉆探的工藝及參數

作為反循環鉆探技術中重要組成部分的潛孔錘鉆探工藝和參數，對該工藝能否在工程中取得良好的工程效果有著重要的影響意義，目前鉆壓、轉速、鉆速、扭矩、風壓和風量等都是反循環鉆探工藝及參數的主要內容。其中鉆壓是用于阻止潛孔錘缸內部的氣體對鉆探的推力，讓沖擊功能有效被傳遞給鉆頭球齒，達到擊碎巖石的目的；對鉆頭的轉速選擇需要根據實際的巖石性質，鉆頭的直徑以及潛孔錘的沖擊力和沖擊頻率等多方面進行考慮；對于潛孔錘正常的鉆進時，風量需要達到潛孔錘設計時的值，還需要實現排除孔底巖心樣的要求；風壓對于鉆速會產生影響，當風壓越高時，沖擊能量就越大進而鉆速就越高，所以當孔深的孔內壓增大需要相應的增大風壓。

4　結語

通過結合相關試驗的說明，潛孔錘反循環鉆探工藝在鉆進技術中與其他的工藝相比具有一定的優越性，該工藝因能減少粉塵污染、并能適應特殊的地層條件和氣候條件的特點，在重視環境的保護和重視人員身心安全的今天體現出了極強的社會效益。值得在相關的工程開采中得到推廣和應用。使用貫通式反循環鉆探工藝有利于提高鉆孔功效生物同時實現現場施工的無塵化，有利于維護工作人員的身心健康，并且該技術是將科學轉化為第一生產力，有利于實現生產、科學、創新一體化的發展模式[3]。

[1]田敏，趙志強，曾石友，殷其雷，李金朋，楊寬才.小秦嶺復雜地層潛孔錘反循環鉆探技術試驗研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013，11：1～4.

[2]殷其雷.潛孔錘反循環鉆探工藝試驗研究[D].吉林大學，2014（6）：123.

[3]楊富平，李正兵，廖軍.潛孔錘反循環鉆進技術研究及試驗應用[A].中國水利學會地基與基礎工程專業委員會第十一次全國學術技術研討會論文集[C].2011，8：222～22.

P634.5

A

1673-0038（2015）22-0200-02

2014-12-10