多工艺空气潜孔锤钻进技术在矿区勘察中的应用

1、多工艺空气潜孔锤钻进技术在矿区勘察中的应用 2009.3.292009.3.29吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院2009-3-29研究意义和背景研究意义和背景 多工艺空气潜孔锤钻进技术是当今世界范围内最多工艺空气潜孔锤钻进技术是当今世界范围内最有发展前景和广泛应用的钻探与施工技术之一。它采有发展前景和广泛应用的钻探与施工技术之一。它采用压缩空气作为动力介质和冲洗介质，采用冲击回转用压缩空气作为动力介质和冲洗介质，采用冲击回转钻进工艺碎岩。钻进工艺碎岩。 本项目对复杂地层勘探技术进行深入研究，采用本项目对复杂地层勘探技术进行深入研究，采用多工艺潜孔锤钻进技术的集成化，综合治理，针对地多工

2、艺潜孔锤钻进技术的集成化，综合治理，针对地层变化，采取相适应的钻进方法和钻进工艺，解决层变化，采取相适应的钻进方法和钻进工艺，解决河河南栾川钼矿南栾川钼矿极复杂地层中的面临的生产勘探难题。同极复杂地层中的面临的生产勘探难题。同时，也为解决复杂地层钻探技术难题提供了新的思路时，也为解决复杂地层钻探技术难题提供了新的思路。一一. 研究的意义和背景研究的意义和背景2009-3-29 复杂地层是指受地质构造运动，使岩层产生节复杂地层是指受地质构造运动，使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层；以及受外力作用影响，产理、裂隙、裂缝、断层；以及受外力作用影响，产生了不同程度的孔内坍塌、漏失和漏、涌、塌同时生了不同

3、程度的孔内坍塌、漏失和漏、涌、塌同时发生的现象，复杂地层勘探也是钻探界的一项技术发生的现象，复杂地层勘探也是钻探界的一项技术难题。难题。 复杂地层地质勘探复杂地层地质勘探一一. 研究的意义和背景研究的意义和背景2009-3-29 河南栾川钼矿是河南栾川钼矿是亚洲最大的露天钼矿之一亚洲最大的露天钼矿之一。矿区内的地。矿区内的地质结构复杂，岩层间夹有松散的破碎带，更为严重的是爆破质结构复杂，岩层间夹有松散的破碎带，更为严重的是爆破或空区塌陷造成孔内裂隙纵横交错、严重漏失，属于典型的或空区塌陷造成孔内裂隙纵横交错、严重漏失，属于典型的硬、碎、碎、坍、塌、漏硬、碎、碎、坍、塌、漏的复杂地层。的复杂地层

4、。 该矿区最早采用地下开采，无序的开采所形成的地下空该矿区最早采用地下开采，无序的开采所形成的地下空区星罗密布。目前已转为露天开采，近年来随着开采平面越区星罗密布。目前已转为露天开采，近年来随着开采平面越来越接近采空区，空区塌陷时有发生，使本已复杂的地层更来越接近采空区，空区塌陷时有发生，使本已复杂的地层更加严重，也使勘探工作变得更加困难。加严重，也使勘探工作变得更加困难。 采用常规钻探技术或单一的钻探方法无法进行勘探施工采用常规钻探技术或单一的钻探方法无法进行勘探施工，因此，解决该矿区的复杂地层钻进技术难题，对提高钻探，因此，解决该矿区的复杂地层钻进技术难题，对提高钻探技术水平具有重要意义，

5、也对类似复杂地层的勘探起到示范技术水平具有重要意义，也对类似复杂地层的勘探起到示范作用。作用。二二. 矿区概况矿区概况矿山概况矿山概况2009-3-29雄伟广袤的三万吨采矿场一角雄伟广袤的三万吨采矿场一角2009-3-29河南栾川钼矿区露天采矿场河南栾川钼矿区露天采矿场2009-3-29露天采矿大爆破露天采矿大爆破2009-3-29钼矿区复杂的地层情况钼矿区复杂的地层情况塌方区塌方区2009-3-29 1. 1. 解决矿区复杂地层存在的钻探技术难题，提解决矿区复杂地层存在的钻探技术难题，提高钻孔成孔率，探明下部地层存在的采空区和盲高钻孔成孔率，探明下部地层存在的采空区和盲空区，及时排除生产过程

6、中存在的安全隐患；空区，及时排除生产过程中存在的安全隐患； 2. 2. 探明露天开采设计区域内矿体产状、空间位探明露天开采设计区域内矿体产状、空间位置、矿石质量及夹石分布情况，为计划生产提供置、矿石质量及夹石分布情况，为计划生产提供详实的地质资料。详实的地质资料。矿区勘探主要目的矿区勘探主要目的二二. 矿区概况矿区概况2009-3-29地质勘探钻孔任务设计地质勘探钻孔任务设计 勘探网度勘探网度252525m25m， 钻孔分布在多个水平面上钻孔分布在多个水平面上，钻孔每，钻孔每2m2m取一个样，用于钼矿品位分析，并取一个样，用于钼矿品位分析，并提供地下采空区顶、底板准确深度。钻孔设计深提供地下采

7、空区顶、底板准确深度。钻孔设计深度度6060100m100m不等，钻过空区为止。不等，钻过空区为止。 二二. 矿区概况矿区概况2009-3-29岩石岩石名称名称容重容重（g/cmg/cm3 3）吸水率吸水率（% %）抗压抗压强度强度（MPaMPa）弹性常数弹性常数（GPaGPa）抗拉强度抗拉强度（MPaMPa）抗剪强度抗剪强度（MPaMPa）可钻可钻性性研磨研磨性性石英岩石英岩2.682.6824024080801010303020206060IXIXV V透辉岩透辉岩3.43.42802806060101030304 4VIIVIIV V矽卡岩矽卡岩3.213.210.190.1912412

8、480808.78.71.81.8IXIXV V斜长岩斜长岩2.962.960.30.314414460608.98.91.31.3VIIIVIIIV V矿区内岩石的物理性质矿区内岩石的物理性质二二. 矿区概况矿区概况 矿区内的岩石可钻性达矿区内的岩石可钻性达7 79 9级，研磨性达级，研磨性达5 5级级，是典型的硬、脆、磨地层。，是典型的硬、脆、磨地层。2009-3-29矿区内存在的钻探技术难题矿区内存在的钻探技术难题二二. 矿区概况矿区概况 1. 1. 地层构造结构复杂，岩石可钻性在地层构造结构复杂，岩石可钻性在8 81010级，且研磨性级，且研磨性强，钻进效率低钻具、磨损严重、强，钻进效

9、率低钻具、磨损严重、 ； 2. 2. 地层裂隙发育，空区塌方区分布面积较大，该区域内所地层裂隙发育，空区塌方区分布面积较大，该区域内所形成的塌陷状地层结构极其复杂，钻孔施工过程中，坍塌、形成的塌陷状地层结构极其复杂，钻孔施工过程中，坍塌、掉块、漏失情况时有发生。为典型的掉块、漏失情况时有发生。为典型的“难成孔、难钻进、难难成孔、难钻进、难取样取样”地层；地层； 3. 3. 矿区生产进度较快，需要相应的高效率的勘探手段进行矿区生产进度较快，需要相应的高效率的勘探手段进行超前勘探、分析化验样品，从而指导现场的生产。超前勘探、分析化验样品，从而指导现场的生产。2009-3-29贯通式潜孔锤反循环连续

10、取心（样）钻进技术贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）钻进技术潜孔锤跟管钻进技术潜孔锤跟管钻进技术CSRCSR中心取样钻进技术中心取样钻进技术 三三. 钻探工艺方法的选择钻探工艺方法的选择钻探工艺方法钻探工艺方法 综合对比分析，多工艺空气潜孔锤钻进技术能有效综合对比分析，多工艺空气潜孔锤钻进技术能有效地解决该矿区钻探的地解决该矿区钻探的“三难三难”问题，是露天矿山地质勘问题，是露天矿山地质勘探的首选钻探工艺方法。探的首选钻探工艺方法。2009-3-29 该技术集该技术集潜孔锤冲击回转高速碎岩钻进、流体潜孔锤冲击回转高速碎岩钻进、流体介质（气、液、固多相介质）全孔反循环、钻进介质（气、液、固多相介质

11、）全孔反循环、钻进过程中连续获取岩矿心（样）过程中连续获取岩矿心（样）三项钻孔工艺于一三项钻孔工艺于一体，是一种先进的钻探技术。体，是一种先进的钻探技术。 贯通式潜孔锤反循环技术概况贯通式潜孔锤反循环技术概况三三. 钻探工艺方法的选择钻探工艺方法的选择2009-3-29双通道钻杆双通道钻杆排渣管排渣管双通道气水龙头双通道气水龙头反循环取芯钻头反循环取芯钻头进气管进气管反循环机理反循环机理2009-3-29底喷孔钻头（上）内喷射孔钻头（下）底喷孔钻头（上）内喷射孔钻头（下）流场模拟效果图流场模拟效果图三三. 钻探工艺方法的选择钻探工艺方法的选择2009-3-29底喷孔取样钻头 内-底喷孔取样钻头

12、 内喷孔取样钻头模拟试验证明：模拟试验证明： 具有内喷射孔的反循环钻头更适用于复杂地层具有内喷射孔的反循环钻头更适用于复杂地层三三. 钻探工艺方法的选择钻探工艺方法的选择2009-3-291 1、空气反循环钻进、利于环保；、空气反循环钻进、利于环保；2 2、配合使用贯通式潜孔锤，钻进效率高；、配合使用贯通式潜孔锤，钻进效率高；3 3、不提钻连续取芯、排渣流畅、岩心质量好；、不提钻连续取芯、排渣流畅、岩心质量好；4 4、可压缩流体热膨胀性冷却钻头效果好；、可压缩流体热膨胀性冷却钻头效果好；5 5、空气作为流体介质，更适合矿山作业。、空气作为流体介质，更适合矿山作业。三三. 钻探工艺方法的选择钻探

13、工艺方法的选择贯通式潜孔锤反循环技术特点贯通式潜孔锤反循环技术特点2009-3-29三、理论研究与实验研究三、理论研究与实验研究 空区坍塌地层极其复杂，导致孔内事故空区坍塌地层极其复杂，导致孔内事故频发（如：塌孔、掉块、埋钻），为预防频发（如：塌孔、掉块、埋钻），为预防该类事故的发生，采取的主要技术手段之该类事故的发生，采取的主要技术手段之一就是：一就是：跟管钻进跟管钻进，即边钻孔边下入套管，即边钻孔边下入套管护壁，确保安全、快速的穿过上部破碎地护壁，确保安全、快速的穿过上部破碎地层并保护孔壁后，再采用其他钻进方法继层并保护孔壁后，再采用其他钻进方法继续施工。续施工。偏心跟管钻进技术偏心跟管钻

14、进技术2009-3-29三三. 钻探工艺方法的选择钻探工艺方法的选择2009-3-29CSR中心取样钻进技术中心取样钻进技术1. 1.可配备普通高风压潜孔锤，钻具结可配备普通高风压潜孔锤，钻具结构简单，钻进效率高；构简单，钻进效率高；2. 2.局部反循环，完整地层取心率高；局部反循环，完整地层取心率高；缺点：缺点：1. 1.孔底孔底1m1m多正循环，可能造成混样。多正循环，可能造成混样。2. 2. 地层漏失时无法取样；地层漏失时无法取样；2009-3-29四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2.5MPa/25m32.5MPa/25m3空压机空压机GSDIIGSDII型钻型钻机机2009-3-29

15、反循环钻具反循环钻具 （1 1）贯通式潜孔锤反循环钻具系统）贯通式潜孔锤反循环钻具系统主要包括：双通道水龙头、双壁钻杆、贯通式潜孔锤、专用反循环钻头。主要包括：双通道水龙头、双壁钻杆、贯通式潜孔锤、专用反循环钻头。其钻具组合：其钻具组合：a a）SBZ-89/43SBZ-89/43双壁钻杆双壁钻杆+GQ89/28+GQ89/28潜孔锤潜孔锤+95+95（9393）反循环钻头；）反循环钻头；b b）SBZ-89/43SBZ-89/43双壁钻杆双壁钻杆+GQ108/43+GQ108/43潜孔锤潜孔锤+115+115反循环钻头；反循环钻头；c c）SBZ-89/43SBZ-89/43双壁钻杆双壁钻杆

16、+GQ127/43+GQ127/43潜孔锤潜孔锤+150+150反循环钻头。反循环钻头。 GQ89GQ89潜孔锤和潜孔锤和SBZ89SBZ89双壁钻杆双壁钻杆 四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-29取样钻头取样钻头取心钻头取心钻头四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-291-1-盖板；盖板；2-2-鹅颈弯管；鹅颈弯管；3-3-上球轴承；上球轴承；4- 4-轴向密封圈轴向密封圈；5-5-进气口；进气口；6-6-下球轴承下球轴承；7-7-外管；外管；8-8-内管；内管；9-9-下下法兰；法兰；10-10-下壳体；下壳体；11-11-进进风套；风套；12-12-上壳体。上壳体

17、。双通道气水龙头双通道气水龙头 四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-29（2 2）CSRCSR钻具系统钻具系统 为了能与为了能与SBZ-89/43SBZ-89/43型双壁钻杆相匹配，选用型双壁钻杆相匹配，选用HCD34HCD34型潜孔锤，并设型潜孔锤，并设计加工了实现反循环的交叉接头。其钻具组合：计加工了实现反循环的交叉接头。其钻具组合：SBZ-89/43SBZ-89/43型双壁钻杆型双壁钻杆+95+95（9393、9090）交叉接头）交叉接头+HCD34+HCD34型普通高风压潜孔锤型普通高风压潜孔锤+95+95钻头。钻头。 CSR CSR 钻具钻具 四四.钻探设备和机具钻探设备

18、和机具岩样入口岩样入口2009-3-29跟管钻具跟管钻具 （2 2）跟管钻具）跟管钻具 跟管钻具包括钻具和套管。钻具选用偏心跟管组合：跟管钻具包括钻具和套管。钻具选用偏心跟管组合：115115导向钻头导向钻头+151+151偏心钻头偏心钻头+127+127管靴管靴+126+126导向器导向器+HCD44+HCD44潜孔锤潜孔锤+SBZ89/43+SBZ89/43双壁双壁钻杆。钻杆。跟管跟管钻具钻具 四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-29套管套管 四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-29拔管机拔管机 拔管机的最大起拔管机的最大起拔力为拔力为50KN50KN、起、起拔行程

19、拔行程500mm500mm；通孔直径通孔直径168/178mm168/178mm。 四四.钻探设备和机具钻探设备和机具2009-3-29四四. 应用效果应用效果地层概况地层概况 该矿区属于典型的该矿区属于典型的硬、脆、碎、磨、漏、易漏失硬、脆、碎、磨、漏、易漏失复杂地层。复杂地层。 2009-3-29完整地层取心钻进完整地层取心钻进良好的反循环效果良好的反循环效果 2009-3-29反循环上返的岩心反循环上返的岩心 2009-3-29钻进现场钻进现场 坚硬、破碎地层取样钻进坚硬、破碎地层取样钻进2009-3-29复杂的工作环境复杂的工作环境 坚硬、破碎地层取样钻进坚硬、破碎地层取样钻进2009

20、-3-29坚硬、破碎地层钻进试验坚硬、破碎地层钻进试验 2009-3-29反循环上返的岩样反循环上返的岩样 2009-3-29破碎、松散地层钻进破碎、松散地层钻进 矿山主干路矿山主干路2009-3-292009-3-29 前期试验存在的问题前期试验存在的问题1. 1. 地层破碎严重，孔内频繁发生坍塌、掉块。采用非地层破碎严重，孔内频繁发生坍塌、掉块。采用非外平贯通式潜孔锤钻具组合时，发生埋钻事故；外平贯通式潜孔锤钻具组合时，发生埋钻事故；2. 2.采用采用 89mm 89mm外平式钻具时，钻进效果良好，但因塌外平式钻具时，钻进效果良好，但因塌孔容易引发的夹钻事故，而钻机扭矩和提升能力不孔容易引

21、发的夹钻事故，而钻机扭矩和提升能力不足；足；3. 3. 坍塌地层岩石坚硬，研磨性强，钻头磨损严重，单坍塌地层岩石坚硬，研磨性强，钻头磨损严重，单独采用独采用GQ89GQ89潜孔锤钻进，效率低，钻具寿命短。潜孔锤钻进，效率低，钻具寿命短。2009-3-292009-3-29GSDIIIGSDIII2009-3-29极复杂孔极复杂孔ZK2152ZK2152 2009-3-292009-3-29跟管钻进试验研究跟管钻进试验研究 跟管钻进现场跟管钻进现场 2009-3-292009-3-292009-3-29跟管钻进试验情况跟管钻进试验情况孔号孔号孔深（孔深（m m）套管深度（套管深度（m m）套管直

22、径（套管直径（mmmm）TK-01TK-0140.040.025.525.5146146TK-02TK-0239.039.028.528.5146146ZK2152ZK215264.564.59.09.0146146ZK9011ZK901196.096.015.015.0146146ZK9012ZK901296.096.019.519.5146146ZK9112ZK911299.099.018.018.0146146ZK9013ZK9013100.2100.221.021.0146146TK0201TK020121.021.012.012.0146146TK0202TK020211.011.0

23、7.57.5146146TK109TK10917.517.57.57.5146146TK001TK00119.019.012.012.0146146TK-0901TK-0901303016.016.0146146TK-0902TK-0902323219.519.5146146TK-0903TK-0903141412.012.0146146TK-0904TK-090419.519.515.015.0146146TK-0905TK-090522229.09.0146146跟管钻进试验数据跟管钻进试验数据2009-3-29四、生产性试验研究四、生产性试验研究空区勘探及处理空区勘探及处理 空区勘探与探

24、测空区勘探与探测2009-3-29四、生产性试验研究四、生产性试验研究空区处理后塌陷现场空区处理后塌陷现场 2009-3-29空区探测数据空区探测数据孔号孔号实际实际孔深孔深(m)(m)空区空区顶板顶板(m)(m)空区空区底板底板(m)(m)空区空区高度高度(m)(m)孔号孔号实际实际孔深孔深(m)(m)空区空区顶板顶板(m)(m)空区空区底板底板(m)(m)空区空区高度高度(m)(m)TK01TK0140.040.040.040.059.559.519.519.5TK109TK10917.517.517.517.524.024.06.56.5TK02TK0239.039.039.039.07

25、5.075.034.034.0TK001TK00119.019.019.019.019.519.50.50.5TK04TK0415.015.015.015.02.22.217.217.2TK002TK00251.551.551.551.554.554.53.03.0TK05TK0542.042.042.042.068.068.026.026.0TK003TK00334.534.534.534.555.555.521.021.0TK06TK0645.045.045.045.058.058.013.013.0TK004TK00448.048.048.048.061.061.013.013.0TK0

26、8TK0814.014.014.014.016.616.62.62.6TK005TK00535.035.035.035.045.045.010.010.0TK09TK0971.071.071.071.086.586.515.515.5TK007TK00710.510.510.510.511.011.00.50.5TK10TK1042.042.042.042.054.654.612.612.6TK008TK0089.09.09.09.010.010.01.01.0TK0201TK020121.021.021.021.024243.03.0TK0902TK09023232323239397 7TK

27、0202TK020211.011.011.011.012.312.31.31.3TK0903TK09031414141415151.01.0TK2601TK260147.047.047.047.049.049.02.02.0TK0904TK090419.519.519.519.520.520.51.01.0TK2602TK260233.533.533.533.548.048.014.514.5TK0905TK09052222222226264.04.02009-3-29 结合河南栾川钼矿具体地层情况，采用了以结合河南栾川钼矿具体地层情况，采用了以空气作为循环介质，以贯通式潜孔锤反循环钻进空气作为循环介质，以贯通式潜孔锤反循环钻进技术为主、辅以跟管钻进、技术为主、辅以跟管钻进、CSRCSR钻进的集成化钻钻进的集成化钻进技术，在常规钻进方法无法成孔的复杂地层进进技术，在常规钻进方法无法成孔的复杂地层进行了生产性试验，完成了行了生产性试验，完成了4444个个钻孔，其中有钻孔，其中有2424个个钻孔钻遇空区，最大采空区高度钻孔钻遇空区，最大采空区高度34.034.0米米，累计完，累计完成成20802080