大斜孔钻探技术在千枚岩地层的应用

罗诗伟，张联库

（陕西省核工业地质局工程机械研究所，陕西 咸阳 712000）

0 前言

目前勘探装备的市场需求和勘探市场的任务量已经趋于饱和，对于易于施工，施工条件相对较好的项目，竞争非常激烈，造成单位进尺的施工造价一降再降。然而在一些高难进入地带的施工量却在逐年增加，并且为了降低成本及施工风险，纷纷降低单孔的孔深，加大钻孔的倾斜角度，有的甚至达到45°。大斜孔钻探是运用在金属固体勘探中，对于急倾斜矿体或地层自然倾斜严重的地层，技术上难以控制的矿区，为保证施工质量及压缩费用，设计时常常要求斜孔施工。大斜孔钻探技术不仅缩短了辅助工时、提高了勘探速度，更重要的是解决了直孔及小斜孔钻探无法达到的地质目的，而且还能深入到直孔及小斜孔无法深入的矿床禁区，能获得显著经济效益。

因此对于倾斜角度为45°～65°之间斜孔的绳索取心钻探施工技术、施工设备、钻进参数以及冲洗液的研究都具有现实的意义。

1 大斜孔勘探施工的难点

1.1 施工地质条件恶劣

本项目施工地点在陕西省汉中略阳县万家山地区，施工的地层为千枚岩层、灰岩层，该区地势起伏比较大，多山、多水，植被茂盛，环境优美，且孔位一般都在半山腰，保护性施工是第一要素，故无法开辟大的场地及便道，搬迁比较困难。而且地层岩溶裂隙发育、风化松散胶结性差，在钻探施工中，严重漏失、坍塌掉块超径缩径且取心困难，需多级口径钻进、多层套管护孔方能穿过。下部岩石结构较为完整，但软硬互层变化频繁，易破碎，倾角较大，易掉块、漏失泥浆，可钻性1～8级，地层不太稳定，涌水现象时有发生，钻具顺层易出现孔斜，经勘探得地层构造见表1。

表1 岩层地质结构

1.2 孔位设计倾角大

本次施工共设计钻孔四个，孔深在190～420m之间，钻孔倾角最大65°，最小45°，其中最深设计孔深为420m，倾角45°，终孔直径不小于60mm，岩心直径不小于36mm，钻孔倾角弯曲每百米不大于2°，终孔孔底偏差小于5m，全程取心，岩心采取率非矿区85%，矿区带90%以上。

1.3 搬迁转场困难

根据此项目施工地点及设计孔位的布置情况，一般的机械式立轴钻机搬迁及运输不便，并且由于环保及保护植被的要求，上山的便道不能开很大，甚至有些路段根本就没有开挖便道，全靠人走出临时便道，而且机械式钻机对于大斜孔的施工具有先天性的不利因素，以及还要配备钻塔等附属设备，这些钻探设备的采购及搬迁都会增加成本及浪费时间，因此经讨论研究项目组一致认为该施工必须选用轻巧便携式全液压钻机。

2 施工对策及措施

2.1 钻探设备及钻具的选择

2.1.1 钻机

选用陕西核昌机电公司生产的HQY－500／600（A）全液压钻机（图1），钻孔倾角45°～90°之间，钻进能力500～600m，最高转速可达1200r／min，最大扭矩可达1400Nm，双油缸给进，长给进行程（1800mm），最大解体部件质量175kg，孔口采用液压夹持器，能满足多种口径岩心钻进工艺，有利于提高钻效。并且此钻机模块化设计，便于拆卸安装，占用场地小，在结构上采用动力源执行部分和操纵部分分置的设计思路，以增强其对施工环境的适应能力，可以满足复杂地带施工的需求、缩短施工准备时间，降低工作强度。

图1 钻机布局图

2.1.2 泥浆泵

选用HDD－150／8液压直驱式泥浆泵，最大流量150L／min，输出压力1～7MPa，流量及额定压力调节范围宽，能满足各种钻进泥浆流量、压力参数的需要，并且它质量不到60kg，很利于搬迁。并且泥浆泵的动力采用钻机本身的动力，由钻机动力带动液压油泵，再由泵分配给泥浆泵马达，当泥浆泵不需要很多流量时，可以把液压流量分给钻机使用，大大节省动力的消耗。

2.1.3 动力

钻机本身由3台23kW的柴油机提供动力，采用动力分置，可以根据需要启动两台或三台柴油机供钻探施工需要，另外钻机还配备了2kW发电机1台，供液压油循环冷却和日常的照明以及简单的维修用电。

2.1.4 钻塔

由于在山区施工，不便于搬迁及安装笨重的钻塔，该钻机自带取心桅杆塔，用于正常施工的绳索取心，提大钻时采用自带的油缸进行提钻。桅杆塔采用地质钻杆改制成，既轻巧又有强度和韧性，又解决了实际使用中对桅杆长短的需求，用户可以根据施工需要自由增减高度。

2.1.5 钻具及辅具

采用HQ、NQ及BQ绳索取心钻具，根据地层情况选用不同硬度的金刚石钻头，并配备相应尺寸的管靴，以及自制的管堵、止水封、钻杆试头、铁链及紧锁具等辅助器件。

2.2 大斜孔绳索取心钻探措施

2.2.1 施工方案的确定

选用轻便型全液压钻机也存在一定的不足，钻机自重太轻，在施工过程中无法提供钻进所需的足够的反作用力，为使钻机底盘稳定，提供可靠稳定的给进压力，需开孔前先用BQ钻杆钻一个垂直的孔，并把钻杆烧结成地锚，然后把钻机移动到目标孔位，定好方位和倾斜角度后，上部用接手与紧锁具和铁链紧固拉紧，并和底盘加固后，再开始施工（图2）。

图2 钻杆烧结图

根据前述千枚岩地层的特点及实际情况，采取如下的施工方案。开孔用NQ钻杆钻进，穿过覆盖层，边取心边钻进，到达基岩后继续钻进到20m左右停止，取出岩心后投放内管总成，不用提出NQ钻杆，上部用管堵封住钻杆内口，然后下HQ钻杆，不带钻具，只安装HQ管靴套钻至17m左右后固定。接着NQ钻具继续钻进到200m左右，提钻检查钻具后，取出钻具总成，钻杆安装NQ管靴后下到孔底。然后用BQ钻杆下到孔底继续钻进至终孔，若在这一过程中出现动力头转速下降、孔内阻力变大及孔内有漏浆等影响正常钻进的情况时，把整套钻具放置在孔内，BQ钻杆上部用管堵封住钻杆内口，钻机接NQ钻杆不取心钻进几十米左右，直到上述不正常情况有所改变后停止。这种NQ钻杆反复套钻BQ钻杆、用BQ钻杆钻进取心施工工艺，可以在钻进过程中根据地层情况交替实施，每次钻进的尺数不定，可一直使用到终孔（图3）。

图3 钻孔结构图

整孔采用金钢石钻头，钻具按金钢石钻头的级配使用，即钻杆＋外管＋内管＋钻头级配，套钻时采用钻杆＋管靴。该地区千枚岩地层施工都采用了三级钻杆施工模式，分塔式钻进，前一种钻杆作为后一种钻杆的导向定位杆，具有较强的自定心和稳定性，这样可以提高成孔率，防止孔斜，能处理复杂地层，即使出现事故，处理能力也比较强，进而弥补了此种轻便钻机处理事故差的缺陷。此种钻探技术需采用笔直的高强度钻杆，内外皆无凸台，钻前对全部钻杆进行检测，下入孔内钻杆单边磨损和双边磨损分别不得超过0.3mm 和0.5mm，钻杆弯曲度每1.5m不得超过1mm，每次加杆时内孔都用试头过孔无卡滞。并且为了控制孔斜减小孔壁间隙，采用小出刃合金钻头和标准尺寸金刚石钻头，同时遇到地层变化时利用增大钻压降低转速的办法控制钻孔方位的弯曲，为了及时预防和纠正，施工中每钻进50m用绳索取心测斜仪测孔斜一次。

2.2.2 钻探的工艺措施

钻探过程采用绳索取心不提钻工艺方法，先提岩心管，然后快速取出岩心，同时采用少钻、勤提、快提的方法，同时考虑上一级钻杆、钻具外管在不提出的前提下作为下一级钻具施工套管的方法。采用这种施工工艺对复杂地层钻进，尤其对于易坍塌的千枚岩地层，具有减少孔内坍塌和岩心堵塞几率，特别是在提高施工效率和钻头寿命等方面具有明显的优点。

2.2.3 钻头的选用

所钻岩石大部分为灰岩、千枚岩，需有较高的恒钻速，才能相对减轻孔斜，保证采取率，为此采用了粒度为45～60目，浓度75%，胎体硬度HRC20～30的孕镶金刚石绳索取心钻头，实际钻进时效为2～3m／h，一般钻头寿命50m左右，有时可达90m。

2.2.4 钻进参数的选择

（1）钻压：大斜孔钻进，钻具摩擦力大，所需钻压亦大，因此钻孔的钻压均比规程钻压大1000～2000N，即8000～12000N。为了防止孔斜并要做到两个统一，即统一制定分层钻进参数，三班钻进压力必须统一。

（2）转速：绳索取心金刚石钻进只有高转速，才能高钻效，转速越高、进尺越快。但转速的提高受钻探设备能力和钻具强度的制约，同时转速的提高使孔内钻杆柱与孔壁间的摩擦阻力也大大提高，造成孔内钻具振动加大，将对金刚石钻头意外磨损和钻进效率产生较大的影响。因此此次所有金刚石钻进孔段均采用800～900r／min，开孔时部分孔段采用400～500r／min。

（3）泵量与泵压：在绳索取心钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还将起到润滑钻具，减少孔内阻力的作用，一般根据冲洗液上返速度来确定金刚石钻进所需要的泵量。根据千枚岩地层的特点，需减小泵压产生的钻具升举力，试验得其泵量一般不超过45L／min，泵压不超过1.5MPa，但是有时结合实际，可适当调整冲洗液参数。

2.3 绳索取心措施

工程要求90%以上岩心采取率，高于一般矿产钻探采取率指标，施工时采取以下三项具体措施：

（1）保持较高的恒钻速，遇堵则取心；

（2）一般回次长度不得超过1.5m；

（3）卡簧自由内径必须比钻头内径大0.3mm。

2.4 冲洗液的选择

2.4.1 不同地层冲洗液分析

在千枚岩地层，绳索取心钻井液应采用低固相冲洗液，当需要提高钻井液粘度时，可以加入植物胶，提高携带岩粉的能力，同时可有效提高泥饼质量、降低失水量，抑制水敏地层水化，同时具有抗钙侵的作用。

在破碎地层，颗粒之间胶结性差，钻进时很容易坍塌掉块，对于这类地层，需提高泥浆的粘度，但是不能简单靠增加粘土来增粘，所以应加入植物胶和有机增粘剂。

在水敏性地层，大量自由水进入到地层中，引起井壁岩层吸水膨胀，引起地层水化膨胀、井壁缩径、垮塌等。所以应严格控制泥浆的滤失量，配制防塌钻井液。

2.4.2 泥浆材料的选择及配制比

结合绳索取心钻进技术的特点及上述地层分析，大部分地层都选取如下泥浆材料及配制比：天然植物胶溶液（0.5～0.7%）＋高粘度钠羧甲基纤维素（0.2%）＋KCl（1%）＋钠基膨润土（2～3%）＋纯碱（0.2%）＋清水。

3 施工效果及体会

3.1 钻孔效果

自第一个钻孔开钻至第四个钻孔顺利结束，工期81天，钻探累计进尺1223m，平均岩心采取率92%，最大孔斜偏距4.42m，并逐孔按要求进行了测孔、止水等工作。经施工效果理想，这4个钻孔的偏差依次为2.48m、3.54m、3.07m、4.42m。

3.2 体会及注意事项

通过几个孔的施工，说明大斜孔绳索取心钻探技术施工在千枚岩地层是可行的。但需根据不同的地层情况及工程要求选用合适的设备，实行正确的钻探工艺和选择合适的钻进技术参数，才能顺利安全的施工，从而取得良好的经济效益。

同时也体会到顺利终孔需注意如下事项：

（1）确认内管总成到位后才开始钻进，否则岩心过早进入钻头，形成单管钻进，致使取心困难，影响钻效。

（2）钻进过程中要勤捞心，进尺变慢时应立即取心，防止岩心堵塞内管。

（3）提钻及打捞内管后应及时向孔内回灌一定数量的冲洗液，防止钻杆外液面下降形成压力差而使孔壁坍塌，加杆后先开启泥浆泵冲孔，返水后再开动动力头旋转。

（4）由于钻孔倾角大，钻具均是贴孔壁下侧行走，若下钻过快，可能会造成钻头损坏或将钻杆墩脱等系列孔内事故，故应下钻平稳。

（5）根据不同地层情况使用不同类型的冲洗液是顺利钻进的首要条件。

［1］樊献友.包家山隧道硬质千枚岩段快速施工技术［J］.山西建筑，2009（11）：164－165.

［2］赵宝书，朱树仁，孙平皋.复杂地层应用金刚石钻探工艺的效果［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），1993（6）：42－43，54.

［3］罗诗伟，张联库.HQY－500型全液压钻机的研制［J］.探矿工程，2011（3）：46－49.

［4］卢飞，李华，赵振峰，王占芳.2010m斜孔钻探设备选择及技术措施［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2009（3）：1－3.

［5］刘广志.金刚石钻探手册［M］.北京：地质出版社，1991（2009.9重印）.