巖心鉆探施工工藝方面新技術的應用分析

董學銀

（山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 277500）

近些年，在國家相關政策引導、社會經濟驅動下，多項重大找礦行動陸續實施，深孔及超深孔的鉆探工作量將會不斷增多，鉆探技術迎來一定發展機遇的同時，也面對較沉重的挑戰。既往大量生產實踐表明[1]，鉆探技術水平高低直接關系著地址勘探工作質效及推進過程順利性。從宏觀層面上分析，巖心鉆探施工時一類富有較高技術性、綜合性的工藝類型，結合生產作業要求，有針對性的創新巖心鉆探技術，不僅能降低鉆探的工作量，還能減少工程生產成本，確保施工質量，協助企業獲得最大經濟效益。

1 巖體鉆探技術的應用思路

1.1 技術方面

在既往的巖心鉆探施工實踐中，金剛石是鉆頭的主要結構類型，鉆進階段可能會滋生出打滑、時效性降低等問題，在以上工況中開展鉆進作業，對施工進度與成本均形成不良影響。很多工程技術人員再長期實踐中持續探索，總結經驗，探尋應對以上情況的有效辦法，斷水干磨加壓就是典型技術。在現實鉆進活動中，其能提升高度能達到2.0m，一方面維持了鉆頭胎體造型的合理性，另一方面也延長了鉆頭的使用年限，且這種鉆探方法在繩索鉆進施工領域中表現出較好的適用性。金剛石鉆探發展對巖心鉆探技術改革過程起到良性促進作用，繩索取心技術日益完善，其撼動了既往巖心鉆探對劍中調換鉆頭的傳統觀念，越來越多的人們持續探究與研發不提鉆換鉆施工工藝。近些年，在世界范圍內，各類不提鉆換鉆頭技術方案陸續被提出，巖心鉆探領域中相關人員給予其較高重視。繩索取心和反循環取心鉆進技術隸屬于不提鉆取心范疇，盡管以上兩種工藝技術有益于減縮鉆探輔助時間，提升鉆探效率，但未檢查鉆頭狀態或更換，伴隨勘探深度拓展，地下鉆進作業量相應增加，巖層結構更為復雜化，下鉆是影響純鉆實踐的重要工序，并且以上環節容易滋生出各種問題而影響施工進度。

針對不提鉆換鉆頭鉆進的實質，可以做出如下概述：省略了升降鉆桿工序，在特殊結構鉆具協助下于地表調換服役鉆頭。從大量工程實踐中可以得知，大部分在工業領域中有廣袤發展前景的技術方案，基本上均是采用轉變工藝的方法將鉆頭提升到地表，檢查或調換后再由鉆桿柱投放到孔底。

1.2 技術先進性與意義

不提鉆換鉆頭鉆進的先進性主要表現在其掙脫了傳統調換鉆頭的作業模式，在鋼繩協助下升降鉆頭，不必起下鉆便可以順利把服役鉆頭由孔中提升到地面，或經由地面投到鉆孔內，使鉆進輔助作業內容更具精簡行，其意義主要表現在如下幾方面[2]：

（1）能較為及時的掌握孔底鉆頭作業狀況與磨損程度，使其更為快速的適應地層環境，進而提升工作質效及降低鉆頭成本投入量的目的。

（2）延長了純鉆時間，明顯降低勞動力投入量，優化施工作業條件與鉆探設備作業狀況。

（3）有益于保護孔壁，規避，規避鉆孔彎曲情況。

（4）對鉆頭使用壽命未能提出較嚴苛的要求，為各類金剛石鉆頭加工制造創作了便利條件，特殊情況下可以采用合金鉆頭，進而規避數次起下鉆的情況。

2 巖心鉆探施工難點分析

我國國土遼闊，不同地區地質條件存在差異，這就要求一定要結合工程所在地地質條件，科學選擇鉆探設備與鉆探形式，金剛石、硬質合鉆、牙輪鉆頭鉆進等均是可供選擇的方式。當下，國內鉆探技術成熟度還不是很高，實踐中還存在一些技術難點，使地質勘探工作運作階段遇到諸多阻力，主要表現在如下幾方面[3]：

（1）地表土層沉積著風化層和殘坡物，厚度通常在5m ～20m 區間內取值。因巖層破碎、巖痕現象較為嚴重，促進了高嶺土化與綠泥石化現象發生過程，增加了該地區土質的松散度，膠結性明顯降低。地質勘探施工階段，開孔操作時孔壁坍塌率相應增加，孔眼形成難度增加，不利于巖石鉆探施工作業的順利推進。

（2）許多礦區巖礦層內存有碳質板巖，遇水以后松散性相應增加，孔壁容易塌陷，護壁工作難度提升，斷鉆事故發生風險相應增加，對作業人員晟敏個安全構成威脅，也不利于施工進度計劃順利實施。

（3）對地表行巖心鉆探時，泥、頁巖等地質成分會相繼裸露出，以上成分和地下水融合后會誘發膨脹現象，以上是造成坍塌事故的主要原因之一。鉆探過程中出現的凝灰巖、火山灰巖等結合地表水后，產物為硅化石英巖，出現“打滑”狀況，導致鉆頭作業階段不斷被磨損、使用年限減縮、鉆進工效降低。

3 鉆探施工技術創新與應用方案

3.1 落實套管護壁工作

既往國內很多礦區生產階段，巖心鉆探開孔難度均偏高。基于巖層風化破碎較嚴重的實況，鉆進實踐中通常會采用低固相泥漿進行護壁堵漏。但以上處理效果整體欠佳，鉆孔中經常出現塌陷、掉塊等問題，開孔難度進一步增加。為促進巖心鉆探技術順利應用過程，將技術效能充分發揮出來，就一定要削弱開孔施工難度，認真落實開孔護壁工作。建議將110 硬質合金鉆頭與108mm 套管下端側，用套管做鉆桿，同時準備數量充足的短套管輔助鉆進，長度以0.3m ～0.5m 為宜，伴隨鉆桿朝下方推進。若工程實踐中發現鉆頭下降過程受阻，棵推薦采用76mm 硬質合金鉆具進行透孔，并將泵開啟至一定量完成沖孔，隨后再跟進套管鉆進，借此方式抵達預設的孔深[4]。在以上施工實踐中，一定要保證套管絲扣間持有較高穩固性、緊密銜接，規避套管反扣、脫節等情況。巖心鉆探套管降落環節中，要準確計算，進而保證套管內落至預設位置。與此同時，還需將適量脂膏均勻的涂刷于在套管外側壁，有益于減少鉆取巖心時起拔難度。針對外層觸及孔壁的套管，建議把鐵片增設于絲扣位置，并緊固焊接，保證焊接緊固性。

3.2 選用適宜鉆頭設備

對礦區巖石層行巖石鉆探施工階段，經常會出現硅質板巖、長石石英巖等成分，有含量高、硬度大、抗磨性和抗壓強度大，結構緊湊等特征，同時以上成分基本儲留于堅硬底層和他類巖層間，屢次出現，厚度不勻稱。以上成分接觸淺表層地下水融合后會有膨脹表現，很可能使礦區生產階段出現坍塌的危況。針對以上情況，地質勘探施工時間中，應加大金剛石粒度與濃度，鉆頭的硬度與辱面形狀等方面的研究，立足于礦區巖石層的實況，選擇適宜的巖心鉆探探頭。例如，金剛石繩索取心鉆進工藝中，建議選用高品級人造金剛石加工制造的鉆頭，品級達SMD25 C60/70、濃度偏低（60±15）、粒度中等（65±5mm）；而針對鉆頭胎體，推薦選用尖齒形辱面構造，器對應的硬度為HRC20-25，使用年限較為長久，下鉆效果較好，有較高的應用價值[5]。在長期的施工實踐中發現，若僅依賴孔底巖石修磨鉆頭，很難取得較好的出刃成效，通常推薦聯合使用人工磨削反復，即使用砂輪機對鉆頭的作業辱面進行打磨處理，維持打磨與鉆頭回轉方向兩者的統一性。為規避金剛石過早脫落問題，要求相關人員一定要準確把控打磨操作力度，以防因鉆頭“打滑”而不進尺。為應對鉆頭突發“打滑”問題，建議將粒徑較小的石英顆粒投進鉆桿柱中，對鉆頭胎體起到磨損作用，能較為有效的優化金剛石出刃效果。

3.3 合理選擇沖洗液

在復雜地層鉆探施工中，沖洗液起到護壁、潤滑、防止鉆具結垢、冷卻鉆頭等諸多作用。在選用沖洗液過程中，應予以如下幾點問題一定重視[7]：

（1）若地層上部土層較松散、容易坍塌，則建議選用護壁性能較優良的泥漿。將泥漿粘度控制在35s 內，密度以1.03kg/L 為宜，失水量取值區間為11mL ～15mL，pH 值為8.5。

（2）針對鉆進較長，和開孔段相比較硬脆碎地層及容易坍塌掉渣地層，推薦選用護壁性能較好的優質低固相泥漿。泥漿主要性能參數如下：粘度以18s ～25s 為宜、密度為1.03kg/L ～1.05kg/L ；失水量10mL ～15mL ；pH 值為8 ～9。

（3）若確定鉆進的地層隸屬于水敏性地層，則推薦采用低固相鉀鹽泥漿，該類沖洗液能較好的控制該類地層膨脹縮徑、坍塌水化等問題。性能參數如下：粘度25s ～35s、密度1.07kg/L ～1.1kg/L ；失水量區間6mL ～8mL ；pH 值8.5 ～9。

3.4 優化金剛石鉆進新工藝

小口徑金剛石是水平鉆孔結構的主要構成，最好于基巖內進行開孔。針對硬度偏大的巖石層，推薦采用孕糧金剛石鉆頭進行鉆進。具體開孔操作前，可以組織人力于基巖表層開鑿一深度以（15±5）cm、半徑適宜的孔，為鉆頭精確定位創造便利條件，有益于強化鉆具的穩固性，使礦區工程鉆進作業有序推進。既往有大量生產實踐表明，當鉆進角度為0°～25°時，孔壁對鉆具形成的阻力偏大，伴隨鉆進深度的拓展，摩擦阻力也會隨之增加。為有效解除以上阻力，調整鉆進角度是有效方法之一，將其調整為25°～60°時，鉆孔深度增加，阻力有不斷被削弱趨勢，以上是提升鉆孔作業效率的有效方法之一。

3.5 積極應對金剛石鉆頭遇“打滑”地層的問題

工程隊在長期實踐中，探尋到一套應對“打滑”地層的方法，即投砂短時斷水干磨加壓法，能使鉆進時效性由最初不足1m 提升至1.5m ～2.0m，且因強化了鉆頭胎體破度造型結構合理性（通常HRC=40 ～45），鉆頭壽命均值能達到30m ～35m。具體方法可以做出如下表述：①在工程現場選擇3mm ～5mm的堅硬碎石；②對內管進行打撈處理后，每次朝向鉆桿中投入0.5kg ～0.5kg 碎巖粒；③上主桿以后開啟大泵，將碎顆粒泵送到孔底；④投放內管，而后對準主桿，卡盤卡牢固。無需開啟泵，斷水2min ～4min，采用油缸加壓干磨處理，干磨操作環節采用油缸竄動鉆具，加壓與干磨操作同步推進，使鉆頭胎體外露[6]。

4 結語

近些年，國內鉆探工藝技術持續發展進步，各種技術手段日益完善化，且應用范疇有不斷拓展趨勢。但這些技術和國際最先進技術相比較，在水平上還存在較大差異，鉆探施工實踐中還需有較多問題需要處理。故而，一定要完善專業的配套設施，加大新技術的研究，完善工藝流程，及時應對施工中存在的問題，選用適宜的鉆頭，進而使地質勘探工作質量得到根本保障。