贯通式潜孔锤反循环钻进技术在矿区勘探中的应用研究_图文

1、Series No.393 March2009金属矿山M ET AL M I N E总第393期2009年第3期3中国地质调查局项目(编号:1212010660804。博坤(1981,男,吉林大学建设工程学院,博士研究生,130026吉林省长春市吉林大学朝阳校区建设工程学院06博士信箱。贯通式潜孔锤反循环钻进技术在矿区勘探中的应用研究3博坤殷琨王茂森(吉林大学摘要河南三道庄钼钨矿区地质条件复杂、地层破碎,存在一些勘探难题,贯通式潜孔锤反循环连续取芯钻进技术进行探矿施工,取得了良好的应用效果。该方法具有钻进效率高、岩矿样采取率高、钻孔质量好等优点,有效地解决了破碎漏失地层的钻孔问题。针对复杂地层

2、中漏失极其严重和岩芯完整度较差的难题,对反循环钻头进行改进设计,主要介绍该工艺方法的技术特点及其应用实践。关键词贯通式潜孔锤复杂地层反循环钻头内喷射孔I nvesti ga ti on of the Appli ca ti on of Hollow2through D TH Hamm erReverse C i rcul a ti on D r illi n g Techn i que i n M i n era l Explora ti onBo KunYin KunW ang Maosen(J ilin U niversityAbstractSandaozhuang molybdenu m

3、2tungsten ore district in Henan has comp lex geol ogical conditi ons and fractured strata,leading t o s ome exp l orati on difficulties.Holl ow2thr ough DTH ha mmer reverse circulati on drilling technol ogy f or con2 tinuous coring is used in the exp l orati on and has achieved good effect.This meth

4、od has the advantages of high drilling effi2 ciency,high rate of coring and good drilling quality,effectively s olving the drilling p r oble m in fractured strata.I n vie w of the challenges of extre mely seri ous leakage and poor core integrity in comp lex strata drilling,i m p r ove ment is made o

5、n the reverse circulating drill bit.The technical features and its p ractical app licati on of this p r ocess are described in detail in the paper.KeywordsHoll ow2thr ough DTH,Comp lex strata,reserve circulati on bit,inner jet hole1工程概述河南三道庄钼钨矿区是亚洲最大的露天钼矿之一。近年来,随着钼矿价格的不断攀升,矿山规模不断扩大,需对矿区进行详细勘探工作,其目的为

6、:通过加密勘探网格来进行矿区的详细勘察,及时取样、化验矿石品位,准确计算矿区矿石的储量;探明矿区内存在的采空区位置、顶板深度、空区高度。为计划生产和处理空区提供准确的地质信息,保证生产的秩序化和安全化。1.1矿区地质情况三道庄矿区位于秦岭东端,处于豫西断隆三川-栾川陷褶断带构造线方向由北西西转向北西的弧形转折处和新华夏系列复合部位。出露地层为中元古界蓟县系上栾川群的三川组、南泥湖组及煤窑沟组浅海相碎屑岩、火山喷发岩及碳酸盐类沉积变质岩系,受接触变质作用形成的角岩及矽卡岩(表1。表1部分岩石的物理力学性质岩石名称抗压强度/MPa弹性常数/GPa抗剪强度/MPa可钻性研磨性石英岩240802060

7、X V透辉岩280604V II V矽卡岩12480 1.8X V斜长岩14460 1.3V III V该矿区受地质作用及变质成岩作用影响,地层构造、裂隙都很发育,且存在着大断裂带,岩层间夹有松散的风化层和破碎带;加之用爆破手段对岩石进行松动,爆破震波使岩石的裂隙进一步发育扩大,造成地层中裂隙纵横交错,是典型的硬、漏、碎、塌、331严重漏失等复杂地层。1.2工艺方法选择该矿区是典型的“难钻进、难成孔、难取样”的复杂地层,钻探存在下列难题。(1地层构造结构复杂,破碎带极其发育而导致孔壁易坍塌;岩石可钻性在810级,且研磨性强,钻具磨损严重而钻进效率较低。(2矿区生产进度较快,需要相应的高效率的探

8、矿手段进行超前勘探、分析化验样品,从而指导现场的生产。(3采用露天开采方式,爆破产生的地层裂隙发育,为典型的复杂地层;此外,矿区内的采空区塌方区域内所形成的塌陷状地层结构极其复杂,在钻孔施工过程中,坍塌、掉块情况严重,难以成孔。(4矿区内地层漏失情况严重,采用冲洗液护壁钻进方法时,堵漏工序占用的时间过多,导致成本大幅度提高,施工周期延长。矿山公司引进吉林大学建设工程学院研发的贯通式潜孔锤反循环钻进技术,以解决矿区地质勘探中遇到的“三难”问题。2贯通式潜孔锤反循环钻进工艺方法2.1贯通式潜孔锤反循环钻进技术的工作原理实现贯通式潜孔锤反循环连续取样钻进的配套钻具主要有贯通式潜孔锤、反循环钻专用钻头

9、、双通道水龙头、双壁钻杆等。贯通式潜孔锤反循环钻进工组原理见图1。压缩空气从空压机12输出后,经双通道水龙头1,进入双壁钻杆4的环状通道,驱动贯通式潜孔锤10工作,冲锤活塞高频冲击反循环钻头14,从而实现高速碎岩钻进。做功后的废气经反钻头高速喷射出,在钻孔底部形成均匀的负压区,通过卷吸作用携带岩矿样上返,经潜孔锤的贯通孔和双壁钻杆的中心通道,通过双通道水龙头的鹅颈弯管2、排渣管6排到旋流取样器7中,充分减速后落入岩粉槽8,从而实现流体介质和岩矿样的反循环。该工艺方法利用潜孔锤高效碎岩,钻进效率高,利用双壁钻杆有效的保护孔壁,并为流体介质反循环携带岩矿样提供上返中心通道,有效地将碎岩钻进和连续取

10、样两部分工作结合起来。2.2贯通式潜孔锤反循环钻进技术的适应性(1利用潜孔锤高效碎岩钻进,成孔质量高,适用于该矿区硬岩地层的钻进。(2流体介质全孔反循环。压缩空气和上返流体介质均在封闭的双壁钻具内运输,避免了与孔壁的接触和对孔壁的冲刷,大幅度降低了孔内事故发生的机率,有利于保持孔壁的稳定 。图1潜孔锤反循环钻进系统结构1-天车;2-鹅颈弯管;3-双通道水龙头;4-双壁钻杆;5-孔口管;6-排渣管;7-旋流取样器;8-岩样槽;9-塌孔形成的扩径;10-贯通式潜孔锤;11-反循环钻头;12-空压机;13-高压胶管;14-钻头(3利用反循环钻头实现全孔反循环,岩矿样在流体介质的携带下直接从钻具的中心

11、通道流至地表,不接触孔壁,岩矿样采取率高且无污染,此外,反循环上返速度快,时效性强,有利于地质人员及时判断地层,并做出正确决策,提高工程质量。(4空气钻进,适用于该矿区缺水和地层漏失的情况。3贯通式潜孔锤反循环钻进技术的应用3.1主要钻进设备(1GS D -II 型钻机。(2A tlas XRVS466型螺杆空压机,主要技术参数:额定风压为2.4MPa,排风量为25L /m in 。(3G Q127,G Q108贯通式潜孔锤及配套专用反循环钻头,S BC -89/44型外平双壁钻杆。(4双通道水龙头、高压风管、排渣胶管、旋流取样器等辅助设备。3.2钻孔结构及钻具组合(1开孔钻进。采用<1

12、50mm 冲击器开孔,下入<146mm 孔口管保护孔壁。(2基岩钻进。<133mm 反循环钻头+G Q127型贯通式潜孔锤+<89mm 双壁钻杆;或<115mm 反循环钻头+G Q108型贯通式潜孔锤+<89mm 双壁钻杆;并配备G Q89型贯通式潜孔锤+<89mm 双壁钻杆满眼钻具做次级储备。431总第393期金属矿山2009年第3期3.3工艺参数G Q127潜孔锤的最优风压为1.81.9MPa,G Q108潜孔锤的最优风压为1.61.7MPa 。钻压为6.48k N ,钻速为42r/m in 。3.4反循环技术应用研究虽然贯通式潜孔锤反循环连续取芯钻进方

13、法适合钻进复杂地层,但在实际钻进过程当中,也遇到一些具体钻进技术问题。3.4.1反循环钻头的改进反循环钻头是依靠钻头的特殊结构形成反循环(见图2,高压气体通过钻头底喷孔2时形成高速射流,对周围的流体产生卷吸、引射作用,在钻头底部形成稳定的负压区,被卷吸的气体和底喷孔排出的高速射流经扩压槽3导流后进入钻头中心孔道1,进一步混合、降速和恢复压力。另一方面,气体从底喷孔排出后,与孔底岩石发生折射,在折射过程中,也对周围流体进行卷吸携带,在扩散槽部位形成低压区,最后沿扩散槽向中心孔流动。在2种效果共同作用下,流体介质沿钻具中心通道1高速上返,并携带岩样至地表。由于试验地层的裂隙发育,岩层内的空洞多,气

14、体在从钻头的排气孔排出后,有相当部分气体漏失到地层,使进入钻头中心孔的气体减少,影响了反循环的形成,排渣效果差 。图2反循环钻头结构的改进1-中心孔道;2-喷孔;3-扩压槽;4-内喷射孔为有效减少气体漏失到地层,在现场对钻头进行改进,在原有钻头花键上斜向上方钻<6mm 孔作为内喷射孔,与钻头中心线成一定角度,根据现场加工能力,夹角分别为30°和45°。喷射孔分别为2个、3个、4个。其原理为:当气体通过内喷射孔4斜向上喷射,引射周围的气体,扩压区位于内喷射孔上方,在扩压区下方形成负压区,卷吸、引射部分气体补充原有钻头中底喷孔形成的反循环气流,两股气体混合后形成稳定的反循

15、环流体,大大提高反循环效果,即使孔底漏失,甚至遇到空区时,反循环亦能形成。3.4.2提高岩芯完整度研究该工艺采用潜孔锤冲击回转碎岩钻进,冲击载荷使接触应力瞬时达到极高值,应力比较集中,使岩石产生体积破碎,由于该矿区岩石脆性较大,更容易发生破碎,上返的岩样多为碎屑状和片状。为提高岩矿心完整度,以获得更多的地质信息,改进现有钻头结构(如图3所示,在钻头底部中心部位镶嵌2块片状合金 。图3柱片混镶式钻头试验<108mm 柱片混镶式钻头,利用球齿合金冲击碎岩,而钻头中心部位的片状合金用以切削、修补岩芯,以提高岩芯长度。采用柱片混镶式钻头后,上返的饼状或短柱状岩芯增多。在获取的岩芯中,岩饼的直径多

16、为3038mm ,厚度为714mm ,最大柱状岩芯厚度可达35mm (图4 。图4采取的片状和短柱状岩芯由于片状合金在回转切削岩石的同时,要承受潜孔锤的高的冲击力,而片状合金本身的形状和力学性质并不耐冲击,在碎岩过程中容易被折断,如何提高片状合金寿命,以及提高岩芯完整程度需要在将来的工作中予以深入研究。4应用效果利用贯通式潜孔锤反循环钻进技术在典型的复531博坤等:贯通式潜孔锤反循环钻进技术在矿区勘探中的应用研究2009年第3期杂地层中钻孔共15个,累计进尺1356m ,完成钻孔中,最大孔深88.6m ,最浅的孔深为47.0m 。钻孔质量好,完全满足设计的要求。此外,利用反循环方法采取的岩矿样

17、的采取率高,品味、位置正确,取得了良好的应用效果。(1钻进效率高。正常钻进时平均机械钻速约为711m /h,最高机械钻速可达20m /h,钻进效率远高于其他钻孔方法。(2采用贯通式潜孔锤实现反循环连续取芯,反循环排渣干净,岩矿样采取率在98%以上。岩矿样为大颗粒状,并能够取出片状和短柱状的岩芯,能够有效地反映孔底岩层的变化,样品真实度高。岩矿样反循环排出,与孔壁无接触和交换,无污染。(3双壁钻杆为流体介质反循环提供了运输通道,使流体介质不冲刷外孔壁,有效地保证了孔壁的完整性,有效地防止了掉块、卡钻、埋钻等事故的发生。(4潜孔锤钻进能够震动解卡,从而实现了钻进过程中不提钻连续取芯,减少了提钻、下

18、钻等工序,大幅度提高了钻进效率。(5由于矿区地层漏失严重,存在着大量的盲空区和大裂隙,采用内喷射孔钻头能够良好的反循环效果,岩芯采取率可达95%以上。5结论(1贯通式潜孔锤反循环取芯技术完全适用于地层破碎的露天矿区地层,能够解决地层复杂、破碎、漏失严重、易坍塌等问题。(2专用的反循环钻头能够钻进破碎和裂隙发育的地层,尽管充满裂隙的孔底泄露部分风,但反循环的空气有足够大的风量携带岩矿样上返,试验中遇到空区,当钻具传过空区后,钻头一旦接触到孔底,反循环立即恢复。(3与其他潜孔锤反循环技术只能获取碎屑状岩样相比,贯通式潜孔锤能够获取片状和短柱状岩芯,能够保留更多的地质信息,更具有优越性。实践证明,贯

19、通式潜孔锤反循环钻进技术在复杂地层中钻进具有明显的优点,能够广泛地在露天矿区极复杂地层和干旱缺水地区使用。参考文献1张祖培,殷琨.岩土钻掘工程新技术M .北京:地质出版社,2003.2鄢泰宁.岩土工程钻掘工程学M .北京:中国地质大学出版社,2001.3河南省地质局地质三队.河南省栾川县三道庄钼钨矿区地质勘探报告R 1洛阳:河南洛钼集团矿山公司,197214王茂森,殷琨,蒋荣庆.全孔反循环中心取样钻进设备与试验研究J .煤田地质与勘探,2000(5:62263.5博坤.贯通式潜孔锤反循环钻进技术试验及钻头流场分析D .长春:吉林大学.2006.(收稿日期2009201223(上接第53页为复杂,其中鲕粒赤铁矿和绿泥石关系极为密切,隐晶质