楊相茂,彭漢華,許華松
(1.武漢中南冶勘資源環(huán)境工程有限公司,湖北武漢430035;2.武漢金地探礦機械有限公司,湖北武漢430035)
云南省蘭坪縣中排鄉(xiāng)李子坪鉛鋅礦詳勘設(shè)計工作量16000余米,在施工的初期,由于地層破碎帶較發(fā)育,破碎帶巖石主要為白堊系、侏羅系的粉砂巖、石英砂巖,裂隙中多有泥沙充填,鉆探巖心采取率無法滿足設(shè)計要求。通過不斷探索、研究,設(shè)計使用了一種導(dǎo)流底噴鉆頭,較好地解決了巖心采取率的問題,得到了設(shè)計部門的好評。
礦區(qū)主要地層自上至下為:
第四系覆蓋層,主要為含碎石松散土層,碎石成分主要為風(fēng)化的粉砂巖、石英砂巖、泥巖等;
白堊系上統(tǒng)南新組,主要為紫色灰、紫紅色巖屑砂巖、粉砂巖、泥巖夾石英質(zhì)礫巖及泥質(zhì)白云巖透鏡體;
白堊系下統(tǒng)景星組,主要為紫紅、灰白色薄~中厚層狀石英砂巖、粉砂巖、泥巖、局部可見黑色碳質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)礫巖透鏡體,局部銅礦化;
侏羅系中統(tǒng)花開左組,上段為灰、灰黃、灰綠、紫紅等雜色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖,灰色厚層狀灰?guī)r、深灰色薄層狀生物碎屑灰?guī)r,局部銅、銀、鉛、鋅礦化;下段為灰、紫灰色細(xì)砂巖,紫紅色粉砂巖,底部為灰白色石英砂巖;
主要礦體沿裂隙帶發(fā)育,礦體巖心采取率要求大于90%。
在地質(zhì)勘探中,鉆探所取出的巖礦心是計算礦產(chǎn)儲量的主要依據(jù),也是巖心鉆探的主要目的[1],因此巖心采取率必須滿足地質(zhì)設(shè)計。
為了獲得滿意的巖心采取率,我們選用了穩(wěn)定性較好的HYDX-6型全液壓動力頭鉆機,配備了S95和S75兩種規(guī)格的繩索取心鉆具,通過前期的施工,在大部分地層中,都能保證取心質(zhì)量。但是在部分裂隙發(fā)育孔段,由于巖石堅硬、破碎,基本無膠結(jié),部分裂隙夾泥,鉆進(jìn)時雖然采取了繩索取心鉆進(jìn)工藝,但是巖心采取率還是達(dá)不到設(shè)計要求。為了解決這種孔段的取心問題,我們對現(xiàn)有的S95繩索取心鉆頭進(jìn)行了研究與改進(jìn),取得了較好的效果。
繩索取心鉆進(jìn)工藝是目前巖心鉆探巖心采取率較高、鉆探質(zhì)量較好的施工工藝,鉆進(jìn)過程中,內(nèi)管不旋轉(zhuǎn),巖心進(jìn)入內(nèi)管后,既避免了鉆具旋轉(zhuǎn)引起的機械破碎,又避免了沖洗液對巖心的沖刷,能保證有較高的巖心采取率和較好的取心質(zhì)量。
普遍使用的繩索取心鉆具鉆頭與卡簧座的配合間隙為3~5 mm(如圖1所示),在橢圓框位置形成錐面間隙,液流通過此間隙時,流向由軸向變?yōu)檩S向與徑向的合成方向。鉆頭、卡簧座、巖心三者之間的配合間隙很小,因此流液通過間隙時的流速就很大,巖心組分與結(jié)構(gòu)首先遭徑向液體的沖擊被破壞,沖散的組分隨之被軸向與周向旋轉(zhuǎn)液流帶走。余下的組分由于成松散狀態(tài),不易進(jìn)入內(nèi)管,造成孔內(nèi)不干凈,無法鉆進(jìn)。特別是膠結(jié)強度較低的破碎帶鉆進(jìn),極易造成鉆孔垮塌。圖2為WZK1206孔取出的巖心。
圖1 常規(guī)鉆頭配合液流流向
圖2 WZK1206孔巖心照片
為了避免沖洗液對巖層的破壞作用,我們在現(xiàn)有鉆具組合不變的情況下對鉆頭與卡簧座組合做了調(diào)整,設(shè)計了導(dǎo)流底噴鉆頭,如圖3、圖4所示。導(dǎo)流底噴鉆頭是在原有鉆頭的胎體內(nèi)部加工一密封臺階,在鉆頭工作時確保卡簧座落入密封臺階內(nèi),封堵沖洗液。在鉆頭胎體中部加工水口,讓沖洗液直接流向鉆頭底部。由于水口在胎體的中部,為了保證鉆頭的正常工作,對鉆頭胎體的配比及與卡簧座配合的相關(guān)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。鉆頭胎體硬度選HRC25~30。
設(shè)計的鉆頭與卡簧座經(jīng)過現(xiàn)場試驗,效果比較理想。該鉆頭既克服了普通底噴鉆頭只能鉆進(jìn)軟巖的缺點,又保留了巖層中的松軟組分的原狀結(jié)構(gòu)不被破壞。從取出的巖心可以看出(如圖5),原來的地層結(jié)構(gòu)基本沒有破壞。
圖3 導(dǎo)流底噴鉆頭與普通鉆頭液流流向?qū)Ρ葓D
圖5 WZK1206孔原狀巖心照片
為了確保導(dǎo)流底噴鉆頭的取心效果,對鉆進(jìn)工藝也做了適當(dāng)調(diào)整,在李子坪鉛鋅礦礦區(qū),針對不同的鉆頭,鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整見表1。
表1 李子坪鉛鋅礦破碎層鉆進(jìn)參數(shù)
沖洗液的選用首先要考慮其良好的護(hù)壁性能,同時也要考慮其冷卻鉆頭、排除巖粉及保護(hù)巖心、潤滑鉆具等綜合性能[2],在該礦區(qū)開始選用的沖洗液為0.3%的水解聚丙烯酰胺(PHP)加0.2%的皂化油。為了充分發(fā)揮導(dǎo)流底噴鉆頭的作用,增強護(hù)壁效果,我們研究了表2配比的低固相沖洗液,在施工實踐中取得了較滿意的效果,沖洗液性能參數(shù)見表3。
表2 李子坪鉛鋅礦低固相沖洗液配比 /‰
表3 李子坪鉛鋅礦低固相沖洗液性能參數(shù)
通過采取上述技術(shù)措施,取得了明顯的效果,保證了工程質(zhì)量。表4為鉆具及工藝優(yōu)化前后幾個鉆孔的取心質(zhì)量對比情況。
(1)在破碎、松散地層中取心鉆進(jìn),采用普通繩索取心鉆進(jìn)工藝,由于巖心自鉆頭到達(dá)內(nèi)管的過程中受沖洗液的沖刷,取心效果不理想,應(yīng)用導(dǎo)流底噴鉆頭可以避免該沖刷過程,能大幅提高破碎地層的巖心采取率及取心的質(zhì)量;
表4 工藝優(yōu)化前后鉆孔取心質(zhì)量對比
(2)導(dǎo)流底噴鉆頭的使用必須配合優(yōu)質(zhì)的低固相沖洗液,以保護(hù)孔壁和巖心,保持孔底干凈;
(3)由于導(dǎo)流底噴鉆頭的力學(xué)結(jié)構(gòu)與普通繩索取心鉆頭不同,鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。
[1] 李世忠.鉆探工藝學(xué)(中)[M].北京:地質(zhì)出版社,1992.
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