组合钻探工艺的试验研究

190探矿工程2003年增刊组合钻探工艺的试验研究张永勤,刘辉,陈修星,孙建华,田志坤〔中国地质科学院勘探技术研究所河北廊坊065000摘要组合钻探工艺是一种为了提高不同地层取样钻探施工综合效率的多用途钻探技术。该工艺方法将当今地质找矿钻探最先进和广泛应用旳反循环连续取心(样)及金刚石绳索取心钻探技术有机地结合起来利用一套器具冋可实现多种工艺方法并针对地层、施工环境及地质要求采取与之相适应的钻探方法达到优质高效的缐合钻探目的。介绍了组合钻探工艺的研究与应用试验过程及取得的技术效果。关键词姐合钻探反循环连续取心样)繩索取心地质效果綜合钻探效率中图分类号1634.5文献标识码:A文章编号1000-37462003)S1-0190-04Testing and Research on the Combined Drilling Technology/ ZHANG Yong-gin, LIU Hui, CHEN Xin-xing SUN Jianhua, tiaN Zhi-hun( Institute of Exploration Techniques, Cags, Langfang Hebei 065000, ChinaAbstract: Combined drilling technology is a multi-purpose drilling method which is developed to increase the comprehenive drilling efficiency in different formations. It combines the RC drilling with the diamond wireline coring drilling and usese same drilling pipes and tools to realize several drilling methods adapted to its formations according to the engineering environments and geological requirements and so on. The processes of the combined drilling technology research, field testingKey words: combined drilling technology reverse circulation coring wireline coring geological results comprehensive随着我国人口的增加和经济的持续发展以及本1问题的提出世纪中期达到中等发达国家目标的实现未来对矿在地质找矿钻探领域应用较广泛的钻探技术是产资源的需求量将不断增加为了满足上述需要国金刚石绳索取心和反循环连续取檥心)两大钻探家实施了地质大调查和西部大开发重大工程。这些技术。绳索取心钻探技术具有较高的钻探效率及适重大工程在实施过程中有相当一部分工作是加速地合深孔钻探施工的特点,目前已在许多地质矿产勘质矿产资源的勘探与开发,为国家经济建设寻找新探施工中较广泛地应用,自上个世纪70年末至80的矿产资源而矿产资源的勘探与开发在很大程度年代初一些西方工业发达国家又相继研究开发岀上要借助于高效的地质取样钻探技术。从目前地质空气反循环连续取样钻探技术。该技术采用双壁钻找矿技术发展现状看最终确定地下矿产资源的埋杆、主要以全面破碎的碎岩方式、利用压缩空气或液藏深度、储量、品位等仍需要地质取样钻探方法加以体作为循环介质将孔底岩屑(心)经双壁钻杄的中验证。随着地质找矿向更深部、更复杂及多样化地心通道不断地输送到地表以该岩属(心)作为地质层方向的发展单一钻探技术已无法满足优质、高样品。这一钻探技术的出现大幅度地提高了钻探效效、低成本的的要求。为了满足地质大调查、西部大率降低了成本。但由于反循环连续取样钻探技术开发工程及未来地质找矿钻探施工的需要中国地以全面破碎的方式钻进所取的岩屑不能真实地反质调查局将组合钻探工艺研究列为地质大调查技术映出所钻地层的构造及产状所以对于一些需要了发展工程项目进行实施解所钻地层的地质构造及产状特殊要求的普查区H域全中国煤化工还不能使地质人员完CNMHG循环连续取样钻探技收稿基金项目国土资源大调查资助项目F5.5.2)作者简介张永1960-)江苏沛县人冲国地质科学院勘探技术研究所新技术一室副主任教授级高级工程师探矿工程专业从事绳索比坊经熟0技木夏杂地层油地震物尿做孔及错固工程施工钻进技术等若士钻提施工技木的开发研究工作2003年增刊探矿工程191术在地下水位较浅、水量较大的地区钻探施工时存120Lmin。在着效率低、取样较困难等缺点。水力反循环连续取心在较完整地层和中深孔条件下施工具有较高钻3组合钻探工艺器具及其不同条件下的组合进效率和取心效果但对于严重漏失和破碎地层还组合钻探工艺的实质就是采用一套钻杆、设备不能取得较满意的钻探效果。绳索取心钻探技术在及辅助工具根据地质条件、施工环境、地质要求等深孔钻探施工中具有较明显的优点和较髙的钻探效采取相适应的空气反循环连续取样、水力反循环连率但与反循环取心钻探技术相比还存在着时间利续取心、绳索取心或提钻取心钻探工艺以达到满足用率低等不足。实践证明仼任何钻探工艺方法都有地质要求的前提下提高钻探效率及降低成本的根本一定的适应范围和优点。因此国外曾有人提岀取目的。组合钻探工艺研究的主要内容包括沨双壁钻心取样并举的综合钻探方法。我国在20世纪80年杄系统的研究、组合钻探工艺快速互换系统的研究、代末也曾提岀综合钻探的设想但由于进入90年代各种孔底钻具、辅助器具的研究、组合钻探施工工艺以来我国的地质找矿钻探工作量大幅度减少使得参数的研究等。先进高效的钻进技术的研究开发和应用受到了一定3.1双壁钻杄系统的研究的制约和影响。通过分析可以看出双壁钻杄是实现组合钻探正在实施的地质大调查和西部大开发工程需要的关键器具因为双壁钻杆在实际应用中要同时满进行地质取心取样钻探施工的地层是多种多样的,足空气反循环连续取样钻进过程中高钻压、低转有些区域是没有做过地质工作的,有些区域是已经速、大扭矩及冲击对螺纹强度的影响的要求水力反做过地质工作的。对于没有做过取心钻探施工的区循环连续取心钻进过程中高转速、大泵量及钻杆连域地质上将会要求取岀柱状岩心以便更好地了解接螺纹密封性能好、钻杄內外管环隙大及内外平的地层构造。对于一些已经做过地质工作地层了解要求绳索取心钻进时钻孔较深、钻杆刚性大等要较清楚的区域有时并不要求柱状岩心。为了在满求。根据钻进过程中对钻杄的要求通过理论计算,足地质要求的前提下提高钻探效率、降低成本有必确定钻杄体及接头的材质、结构及热处理和加工工要研究开发一种将反循环连续取心取样和绳索取心艺。通过对高强度的合金结构钢45MMoB和钻探技术有机结合起来的组合钻探工艺方法35CrMo的性能及成本和综合效益的比较内外钻杆体材质选用目前地质钻探最常用的45 MnMoB钻杆2组合钻探工艺基本方案及主要技术参数接头选用30 rOsIa或42CrMo。按照简单实用、可2.1基本方案靠、便于维修和更换、满足组合钻探工艺要求的原针对地质大调査和西部大开发所面临的各种地则内外钻杄体与接头之间采用螺纹粘接内钻杄接层把空气反循环连续取样钻探技术效率高、适合干头在钻进时采用插接连接方式并借助于O形密封旱缺水地层施工水力反循环连续取心钻探技术取圈达到耐压密封的目的。外钻杄接头之间采用螺纹心质量好、劳动强度低金刚石绳索取心钻探技术适连接并在公螺纹根部增设一道O形密封圈以确合深孔的各自优点结合起来根据地层及地质需要保外钻杆有更好的密封性能。内外钻杆之间母端內可随时互换。组合钻探工艺要以现有N规格地质外接头同心刚性固定,另一端通过三爪定心自由对管材和孔径作为基本孔径以现有大通孔立轴式钻中并伸岀外钻杆公接头一定长度。为了便于拧卸、机及BW-320或BW-400型水泵作为基本设备,使用垫叉及拧管机和防止跑钻钻杄外公母接头设便于推广应用有切口。根据上述方案对钻杄整体强度及钻进过2.2主要技术参数程中循环系统阻力进行了校核与计算按照初步设钻进孔深可达500m,钻进孔径110~77mm;计及理论计算加工了钻杆小样并进行强度测试双壁钻杆外钻杆直径73/63mm内钻杆直径48/42理中国煤化工拉强度779kN最低mm痊空气反循环连续取样钻进风量8m3/min风压抗扭CNMHG钻杆参数可满足50012MPa取样间隔及长度根据地层及地质要求而m孔深组合钻探工艺要求定水力反循环连续取心岩心直径36~38mm岩心3.2不同钻具的研究与组合长度60~150mm泵量300L/min绳索取心钻进岩为了实现一套钻杆及辅助器具进行多种工艺和心直径32心回次长度3~4.5m,泵量80不同地层与地质要求的目的必须研究开发多种不192探矿工程2003年增刊同结构形式的钻具。组合钻探工艺可实现如下钻具绿泥片岩、黑云斜长片麻岩、厚层状大理岩、蛇纹石组合化大理岩、斜长花岗岩、二长花岗岩及安山玢岩等。1)普通单动双管取心钻具组合及钻进工艺:岩石可钻性级别6~8级,岩石硬、脆、碎钻孔严重用于开孔、浅孔、破碎地层正循环取心钻进施工。漏失全孔不返水2)硬质合金或复合片及金刚石取心钻头水力4.2主要试验设备反循环连续取心钻具组合及其钻进工艺:用于第四生产试验所采用的主要设备及参数如下系地层地质填图、中硬较完整岩层地质找矿取心钻CD-3型大通孔立轴式钻机立轴通孔直径76探施工。mm转速67~1180r/min立轴行程450mm立轴3)普通潜孔锤或贯通式澘孔锤空气反循环连最大起重能力118kN立轴最大加压能力88kN惹续取样(心)钻具组合及其钻进工艺用于干旱缺水扬机最大提升能力(单绳)40kN动力机功率37或地下水位较深、水量较小、地层较破碎的地区进行地质勘探取样钻探施BW-400型水泵泵量190~400L/min,压力(4)潜孔锤牙轮钻头反循环钻具组合及其钻进4.0~7.0MPa功率37kW工艺为了发挥潜孔锤在含水地层的效果及提高钻VY-12/7型移动式空气压缩机排量12m3/探效率将潜孔锤与牙轮钻头的优点结合起来可获min压力0.7MPa得较高的钻探效率和较低的成本。发电机组额定功率75kW额定频率50Hz额(5)牙轮钻头空气及水力反循环钻具组合及其定电压400V额定电流136A钻进工艺在钻孔较深、水量较大、空压机能力一定SGX17型直斜两用钻塔高度17m最大工作的前提下气动潜孔锤已很难发挥出其优点采取空负荷180kN气或水力反循环进行取样钻探施工具有较高钻进效JSJ-1000型绳索取心绞车(电驱动)提升速率和地质效果。度0.58~4.10m/s提升能力8.71~1.23kN电动(6)贯通式液动潜孔锤金刚石及牙轮钻头取心机功率5.5kW。取样钻具组合及其钻进工艺:为了发挥贯通式液动4.4主要试验效果潜孔锤在深孔含水地层钻探施工的效率在上述条组合钻探工艺研究的根本目的是将较成熟及先件下可采用贯通式液动潜孔锤进行水力反循环连续进的地质钻探技术有机地结合起来达到提高复杂取心取样钻探施工。地层综合钻探效率的目的。为了证实组合钻探工艺(7)双壁钻杄绳索取心钻具组合及其钻进工的可行性及应用效果2002年1月4日至12月14艺对于更深钻孔采用空气及水力反循环连续取样日组合钻探工艺在内蒙古西乌兰乌力查干础鲁金取心钻探能量消耗较大空压机或水泵的能力难以矿区进行了生产应用试验。根据组合钻探工艺的基满足循环系统压力要求即使能满足要求但综合效本组合应用顺序对空气反循环连续取样、普通金刚益不够理想。为了满足地质取样及对孔深的要求,石提钻取心、水力反循环连续取心、绳索取心钻探工达到提高综合效率的目的可采用双壁钻杄绳索取艺在上述地层中进行了顺序组合试验。生产试验证心钻探工艺。明多种工艺方法完全可以根据地层特点、地质要3.3辅助器具的研究求、现场的实际情况等实现有效地组合和快速更换,实现组合钻探工艺钻进施工除了双壁钻杄外,并具有较好的可靠性验证了钻探工艺的可行性取还必须有相应的辅助器具及快速转换机构等主要得了较好的试验效果达到了试验目的。试验过程包括双通道气水龙头双壁主动钻杄(用于立轴式中各种工艺方法累计完成生产试验工作量320.7钻机〕岩心及岩样接收与处理装置提引、打捞及m终孔孔深300.8m。由于试验环境及条件非常恶拧卸工具等。中国煤化工:)经常出现水管被冻死无CNMHG故障无法供电、无法正4组合钻探工艺的可行性应用试验常工作等情况所以根据实际工作时间统计平均台4.1地质条件月效率约1200m/台月。组合钻探工艺生产试验取试验孔地层主要为新生界第三系、第四系等。出的地质样品如图1、2、3所示。岩性主要为顏君化绿泥石英片岩、绢云石英片岩、2003年增刊探矿工程1935结语画A画通过组合钻探工艺的试验研究,为提高我国地地质找矿取心钻探综合效率提供了一种有效的技术方法。所研制的双壁钻杄结构简单内外管环隙及内管中心过流断面较大降低了过流阻力损失满足了空气反循环连续取样、水力反循环连续取心及水力绳索取心钻进要求。钻杄接头及螺纹强度大加工容易使用可靠方便。研制开发的不同工艺钻具图1空气反循环连续取样钻探取出的岩样及辅助器具具有容易配套及互换特点具组合品种多。最大的创新点就是有效地将空气反循环连续取样、水力反循环连续取心、绳索取心钻进技术结合起来可根据地质要求、地层条件、钻探施工目的等采用相适应钻进工艺。在地质上允许、干旱缺水地层的条件下可充分发挥空气反循环连续取样钻探施工效率高、成本低、可快速穿过复杂地层的优点。在较完整、地下水位浅、水量大、地质要求柱状岩心的情况下可充分发挥水力反循环连续取心效率高图2水力反循环连续取心钻探取出的岩矿心取心效果好、时间利用率高等优点。对于更深部地层反循环取样取心钻进工艺无法满足的情况下可利用绳索取心钻进工艺的优点满足最终孔深要求。生产试验证明组合钻探工艺将多种工艺自身优点结合起来不仅完全可行而且可达到根据地层条件、地质目的及要求提高综合钻探施工效率的最终目的。图3绳索取心钻探取出的岩矿心中国煤化工CNMHG