繩索取心液動潛孔錘在巖心鉆探中的應用

周衛國，李康東

（江西省地質礦產勘查開發局贛東北大隊，江西 上饒 334000）

江西省鉛山縣某礦區從2009年至2019年已經累計施工巖心鉆探20000余米，鉆孔深度400～1200米不等。礦區地層破碎帶位于300～500米之間，沖洗液漏失，較多鉆孔在此層位出現掉塊、卡鉆，甚至埋鉆等事故，事故處理費時費力，還是有鉆孔報廢。在這段破碎帶層普通繩索取心進尺緩慢，內管起下頻繁，鉆進時效低，鉆頭容易磨損。經后期使用繩索取心液動錘鉆進，回次進尺效果明顯，鉆進時效大幅提高[1]。

1 礦區概況及地層

1.1 礦區概況

該礦區位于鉛山縣城南東138°，方位直距33km處，行政區劃歸屬鉛山縣英將鄉管轄，交通便利。礦區地表水、地下水豐富，能夠滿足礦區施工及生活用水需求。

1.2 礦區地層

區內出露地層主要為青白口系周潭巖組，次為第四系聯墟組。

（1）第四系聯墟組主要分布在礦區東部、中部等山間盆地及溝谷地帶，巖性為亞砂土、亞粘土及砂礫石層，厚度為20～50米。

（2）青白口系周潭巖組總體呈近東西向展布，區內與成礦關系較為密切的主要為透輝石巖，陽起透輝石巖。花斑巖脈侵入周潭巖組，巖脈與圍巖呈侵入或斷層接觸。呈隱伏狀主要分布于100線、107線鉆孔中，少數具綠泥石巖，蝕變后為灰綠色或淺綠色，平均厚度為50～80m。

2 鉆探施工

2.1 鉆探設備

鉆探設備采用XY-4、XY-44立軸式鉆機，根據鉆孔不同孔深合理調配鉆機；2臺BW-250型泥漿泵，泵壓為8MP、泵量為250L/min；鉆塔為12m、18m四角形管子塔。

2.2 鉆孔結構

根據礦區前期施工情況，在7線、100線、107線的鉆孔中輝綠玢巖脈非常破碎，巖心堵內管，進尺緩慢、回次進尺少，起鉆頻繁，孔壁不穩定。ZK705在576米處先卡鉆，后埋鉆，事故沒有處理好，鉆孔報廢。為解決上述問題，后期鉆探施工的鉆孔結構就更合理。

一開（開孔口徑）：以?150mm硬質合金鉆頭和金剛石鉆頭穿過第四系覆蓋層進入基巖5～10m，下入比實際孔深長0.2m的?146套管護壁；

二開（過渡口徑）：以PQ?122mm繩索取心鉆具鉆至孔深100～130m，下入比實際孔深長0.4m的PQ鉆桿作為護壁套管；

三開（備用口徑）：以HQ?95mm繩索取心液動錘鉆至300～500m深，以穿過輝綠玢巖20m為準，下入比實際孔深長0.6m的HQ鉆桿為護壁套管；

四開（終孔口徑）：以NQ?76mm的繩索取心液動錘鉆至終孔。

圖1 鉆孔結構圖

2.3 鉆探工藝

SYZX系列繩索取心液動錘主要是利用泥漿泵輸出的沖洗液驅動位于孔內的液動錘，液動錘內的沖擊錘在慣性和液流的共同作用下，通過沖擊錘軸將沖擊功傳到鉆頭，對鉆頭施加一定頻率和能量的沖擊。鉆頭在鉆壓、扭矩以及沖擊功的聯合作用下切削巖石，從而可以加速破碎巖石，減少巖心堵塞內管，也能提高巖心采取率。

表1 SYZX系列繩索取心液動錘鉆具型號及技術參數

2.4 鉆進參數

（1）轉速：繩索取心液動錘的鉆進轉速與普通繩索取心鉆進轉速基本相同。在青白口系透輝石巖鉆進采用6檔轉速（約為660r/min）。在孔深不斷增加的情況下，根據地層及進尺情況，轉速作適當調整。通常情況下，孔深0～500m，轉速為600r/min左右；孔深500～1000m，轉速為500r/min。

（2）鉆壓：由于繩索取心鉆具裝有液動錘，鉆進給壓和普通繩索取心略有不同。尤其是在鉆進輝綠玢巖時，鉆壓過大，進尺過快，容易造成鉆頭水口堵塞，鉆頭容易微燒，加速了金剛石鉆頭的磨損，而且也容易使巖心管堵塞。雖然有液動錘，每回次進尺0.8～1.0m，在ZK1083孔，鉆頭更換頻繁，鉆壓沒有及時調整，每回次進尺不理想。該礦區鉆壓控制在15～20KN范圍之內比較合適[2]。

（3）泥漿泵的選擇：泥漿泵的主要作用是將沖洗液進行循環。由于沖洗液要冷卻鉆頭、攜帶巖粉、潤滑鉆具等會直接損耗一部分泥漿泵的輸出功率和能量，剩下的能量被液動錘損耗。要使液動錘能夠正常工作，泥漿泵輸出的沖洗液必須要有足夠的流量、流速和壓力。如果鉆桿連接處有漏水現象，沖洗液形成假循環，就會損失更多的能量，液動錘就不能工作。ZK1073孔在500處使SYZX75液動錘，泥漿泵為BW-150型，液動錘出現間歇式工作，沒有達到應有的效果。理論上BW-150型泥漿泵泵量為150L/min，能夠滿足SYZX75液動錘正常工作的泵量60～90L/min，但在實際鉆進過程中會出現較多不確定因素，導致泥漿泵泵量出現損耗，從而使液動錘沖擊無力，時沖時不沖。后改成泵量為250L/min的BW-250型泥漿泵，液動錘工作正常。通常情況下，泵量越大，液動錘的沖擊頻率和沖擊功就越高，鉆進效率也越高。因此，在使用液動錘時，要選擇泵量大一級的泥漿泵。

（4）沖洗液：繩索取心液動錘推薦使用低固相、粘度低的沖洗液。該礦區主要使用聚丙烯酰胺和癸酯酸鈉直接加清水攪拌，或在內管投放前，把一小包聚丙烯酰胺倒入鉆桿內，然后投放內管，開通水泵進行循環。這樣有利于孔內殘留巖粉被剛投放的聚丙烯酰胺更多地帶出孔內。當然，剛開始聚丙烯酰胺沒有完全溶解，泵壓會升高，待充分溶解后，泵壓回落，液動錘正常工作就可以正常鉆進[3]。

圖2 部分巖心圖片

3 繩索取心液動錘的優、缺點

3.1 優點

（1）能夠準確地判斷內管是否投放到位，避免出現“打空管”現象。普通繩索取心投放內管只能靠聽內管撞擊座環、扶正環的聲音來判斷。如果鉆桿接箍有毛刺或者稍微扁平時，內管有時難于判斷是否到位，再鉆進時就會“打空管”。當液動錘投放到位時，液動錘正常工作，高壓管產生高頻振動，靜止狀態下觸摸鉆桿有明顯的震動感，泥漿泵泵壓也會升高0.8MPa以上，從而能準確判斷內管是否投放到位。

（2）在破碎地層，能夠提高鉆進速度，巖心采取率明顯提高。在輝綠玢巖比普通繩索取心鉆具每回次進尺（0.1～0.2m）提高4～5倍。減少了輔助時間，提高了鉆進效率。

（3）降低了材料消耗，提高了鉆頭壽命。減少了起下鉆的次數及起下鉆對孔壁的擾動。

（4）有文獻資料顯示，液動錘能有效對孔斜的控制。在該礦區中，由于地層不容易造斜，鉆孔彎曲度控制沒有可比性。

3.2 缺點

（1）繩索取心液動錘鉆具比普通繩索取心鉆具結構復雜，鉆具外管明顯加長，鉆具強度有所降低。液動錘要與普通繩索取心鉆具連接要重新加工短接。

（2）液動錘零部件較多，在高頻振動下，易損件要經常更換。由于國內沒有統一的標準，易損件不通用。

（3）對沖洗液要求比較嚴格，沖洗液以低固相或無固相為佳。

4 結語

繩索取心潛孔液動錘鉆探技術是一項實踐性很強的技術，能提高堅硬、破碎地層的回次進尺，可控制在造斜地層中鉆孔彎曲度，提高鉆孔質量。在巖心鉆探中應積極推廣該技術，提高鉆進效率。