深孔钻探绳索取芯钻进工艺的研究
摘要：石英细砂岩等等山岩质地坚硬、致密，在矿山开采中钻进比较困难，本文主要介绍一种液动冲击回转钻具，并与普通的金刚石钻具相比，发现这种钻进技术的机械钻进效率明显提高。
关键词：绳索取芯；液动冲击回转；应用；推广
矿山开采的过程中经常会遇到一些比较复杂的地层，矿区部分区域的岩石质地坚硬、致密，研磨性比较弱，钻进施工的过程中经常会出现打滑或者岩石破碎堵塞地层等等问题，严重影响了施工效率与施工进度，本文主要介绍一种液动冲击回转钻进工艺，采用这种工艺技术之后，钻进打滑等问题明显有所减少，钻进的效率得到了显著的提高，对于增加矿区开采的经济效益十分有利。下文简单介绍这种工艺技术的设计原则并结合几个实际案例分析其工艺特点。
一、液动冲击回转钻具及绳索取芯液动冲击回转钻进技术概述
液动冲击回转钻具是岩山钻探技术中的新方法，我国的冲击回转钻具及钻进工艺的研究始于1958年，迄今为止，已经持续了50多年，液动冲击器的研究最开始始于地矿勘探研究，截止1956年我国已经先后研制出7种机构形式不同的液动冲击器，这为液动冲击回转技术的发展应用奠定了一定的基础。1975年之后，液动冲击回转钻进技术的研究与推广进入迅速发展阶段，相关研究人员在已有的成果基础上，对冲击器的结构参数进行了科学合理的优化处理，绳索取芯液动冲击回转钻具代表了液动冲击回转钻进技术的新水平，目前已经在生产实践中开始了广泛的推广使用。液动冲击回转钻具的设计时遵从小冲击功、高频、小口径的原则，设计的过程中基本不改变长怪的钻探设备，不变动现用的钻具及钻头的级配，不改变实际钻进施工时的操作规程及操作方法。
绳索取芯液动冲击回转钻进技术优点显著，下文对此进行简单的介绍。
1、在坚硬底层钻进时效率高，能够有效的克服钻头“打滑”等不良现象。
石英细砂岩的主要化学成分是二氧化硅，胶结物大多为铁质、硅质等，因此，石英细砂岩的化学性质在表生环境下十分稳定，抗蚀性较强，这也就意味着钻探时比较困难，采用绳索取芯金刚石回转钻进技术进行钻探时，钻头与孔底的接触面积比较大，导致钻头对钻探部位的单位压力较小，此外，石英细砂岩的研磨性比较弱，这也就使得金刚石钻头在钻探工作刚开始时很容易出现打滑的现象，导致钻探工作效率低下，而使用绳索取芯液动冲击回转钻进技术钻探时，石英细砂岩会受到钻头预加应力及高频冲击载荷的双重作用，大大增加了石英细砂岩的脆性，且使用这种方法进行钻探时，会发现破碎的岩石的颗粒普遍比较粗大，岩心比较粗糙，也就是说钻孔底部也比较粗糙，这会极大的增加钻孔底部的摩擦系数，钻石颗粒对胎体的研磨性必然会增加，这对于金刚石钻头的出刃十分有利，可以极大的提高机械钻探的速度。
2、钻进时回次进尺、钻机台月等等效率明显提高。
依然以石英细砂岩的钻探为例。采用绳索取芯金刚石回转钻进技术钻探时，一般来说，钻头回次进尺1m左右就需要采取一定的措施研磨钻头，保证金刚石钻头能够出刃，或者更换新的金刚石钻头才能够继续开展钻进工作，但采用绳索取芯液动冲击回转钻进技术时，碎岩机理发生了改变，金刚石钻头更容易出刃，不需要现场工作人员多次手动帮助其出刃或者频繁更换钻头，极大的减少了提钻的次数，这对于缩短钻进时间，对提高回次进尺的效率十分有帮助。
3、减少了岩心堵塞现象发生的频率，提高了岩心采取率。
采用绳索取芯液动冲击回转钻进技术进行钻探时，钻进冲击器会使钻头及外管承受频率较高的冲击载荷，使管内产生振幅较小、频率较高的纵向颤动，使得岩心与内管的摩擦形式发生了变化，二者的摩擦阻力有所减少，岩心进入内管更加容易，岩心堵塞现象发生的频率自然会有所降低，岩心采取效率相应的也会得到极大的提高。
4、减少了钻孔歪斜、弯曲现象发生的频率。
岩石的各向异性会在金刚石钻头上产生一定的“钻速差”和“附加力矩”，会使钻孔出现歪曲，但绳索取芯液动冲击回转钻进技术时，钻头会受到一个高频的冲击载荷，在这个冲击载荷作用下，岩石的各向异性会大幅度减弱，钻孔弯曲现象发生的几率自然也会有所减少。
5、延长了金刚钻钻头的使用寿命，降低了钻进成本。
在绳索取芯金刚石回转钻进技术中，当岩石质地比较坚硬、致密时，为了保证钻探工作的正常开展，通常需要在钻孔内投放石英石颗粒使钻头出刃，这必然会加快金刚石钻头的磨损，造成孕壤工作层提前消耗。在实际的岩层钻探工作中，使用绳索取芯金刚石回转钻进技术钻探时，每进尺1m，工作层平均消耗0.09mm左右，而绳索取芯液动冲击回转钻进技术时，每进尺1m，工作层平均消耗0.084mm，从数据上就可以直观的看出前者的钻头消耗量较大，金刚石钻头成本较高，磨损速度越慢，使用的钻头数量自然越少，可以在一定程度上降低钻探成本。
二、绳索取芯液动冲击回转钻进技术在实际钻探工作中的应用
下文以杨金沟金矿区的钻探工作为例，简单介绍绳索取芯液动冲击回转钻进技术的实践应用。
（一）施工岩层情况
在杨金沟金矿区，1号矿化脉的岩层主要是斜长花岗斑岩、闪长玢岩、二云石英纯岩等等，岩性破碎，节理发育为断裂构造，岩石可钻性等级为7～8级，即大部分岩石为中硬岩或硬岩，岩石破碎比较困难。2号矿化脉的岩层主要是硅化角闪斜长花岗岩、蚀变岩等等，岩石硅化严重，岩石可钻等级为9级，基本都为硬岩，岩石破碎困难。
（二）钻探设备及材料
本次钻探工作引进了SYZX75 型液动冲击器。钻探时选择XY-44型钻机，BWB-250型变量水泵，钻具为JS75绳索取心钻具，它的钻头外径为75mm，内径为49mm，钻头为绳索取芯人造金刚石，金刚石钻头的目数为60～80目，金刚石硬度为39～41（HRC）。本次钻探中1号矿脉选用的冲洗液为双聚低固相泥浆，2号矿脉选择的冲洗液为清水-葵脂酸钠。
（三）钻进时的技术参数
钻探施工时，钻机的钻压为15～20kN，钻头的转速为350～760r/min，水泵的泵压为0.5～2.5MPa，泵量为52～90L/min。
（四）试验结果
本次试验分别采用普通的回转钻进、绳索取芯液动冲击回转钻进两种方法分别对1号矿脉及2号矿脉进行钻探，对比结果如表1所示。
表1 纯冲击回转及绳索取芯回转的多工艺钻进方法与普通回转钻进方法对比
通过表1纯冲击回转及绳索取芯回转的多工艺钻进方法与普通回转钻进方法的试验对比可以看出，无论是平均时效、回次进尺、平均台效还是岩芯采取效率，使用纯冲击回转及绳索取芯回转的多工艺钻进方法钻进时，钻进效果明显比普通的回转钻进方法更好，且实际钻探时的工作成本也有所降低，由此可见绳索取芯液动冲击回转钻进技术优势十分明显。
三、引进推广中的几点体会
试验证明SYZX75型冲击器在杨金沟金矿区的钻进工作中发挥了较大的作用，明显的提高了岩层机械钻进的效率，由此可见，该种型号的液动冲击回转钻进装置可以推广使用，使用之前注意考察矿区岩层情况。
钻探工作时为了保证冲击器能够正常运行，工作液流的能量必须足够。冲洗液是一种输送能量的工作介质，它能够将能量输送给冲击器以保证冲击器能够实现冲击，因此，必须保证冲洗液能够正常、稳定、持续的输送足够的工作能量。为此，变量泵的泵量及泵压必须充足，才能保证高压液流的能源需求，其次，为了保证高压载能液流能够稳定持续，变量泵与水接头管道间的稳压罐必不可少，再次，送水管道系统的密封问题不能忽视，因此，管道系统安装时需要配备耐压性能足够的高压管及密封接头，一般来说，高压管是由钢丝编织而成，此外，实际的运行使用过程中，钻杆柱连接处能唱会出现密封不严、钻杆泄露等不良现象，导致能量损失，冲击频率及冲击功难以达到实际的工作需求，影响冲击器的正常工作，因此，常规情况下，钻杆连接处都需要采取一定的密封措施，比如采用丝扣油材料进行辅助密封。
为了保证冲击器能够正常稳定的工作，促进其冲击的有效性，现场工作人员必须合理的调整SYZX75型液动锤之间的间隙。为了达到这一目的，机台技术人员必须对冲击器的额工作原理有足够的了解，明白冲击器各部之间间隙调整的方法，并在实际的工作中能够熟练掌握这一技巧，冲击器中有许多十分容易损害的部件，为了便于更换，保证冲击器的正常使用，施工现场这些易损件的数量必须足够，这就要求零部件采购人员必须做好备份工作。为了保证工作现场的安全，冲击器在使用之间必须进行地表试验，检验冲击器冲击是否正常，如果发现冲击器在回次及钻进过程中没有正常工作，必须及时的将钻具提出，检查处理后才能再次投入使用，防止烧钻等不良现象发生，为矿区带来一定的损失。
冲洗液的管理工作不能忽视。SYZX75型冲击器在工作时可以选择清水、无固相泥浆、双聚低固相泥浆等等物质作为冲洗液。选择泥浆作为冲洗液时必须保证泥浆的质量，双聚低固相泥浆的粘度在21左右，比重在1.025～1.04之间，失水量为10mL/30min，PH值偏碱性，在8～9之间，相比于无固相冲洗液钻进，双聚低固相泥浆冲洗液钻进时，变量泵的泵压有一定程度的增加，冲击器及变量泵的磨损速度有所加快，工作效率降低，因此，如果岩层不稳定，破碎程度较高，使用液动冲击回转钻进技术时，应该尽量保证冲洗液的粘度、比重较低，润滑性较好，此外，泥浆的净化工作十分重要，泥浆的固相含量必须严格控制，尤其是含砂量，含砂量过高，对于冲击器及变量泵的磨损会加剧，必要时可以配备一定的除砂设备。
金刚石钻头选择工作同样十分重要金刚石胎体的硬度较高，可以保证钻头使用时间更长。在实际的应用过程中，开采设计人员应根据矿区岩层的实际情况，选择硬度合适的金刚石钻头。绳索取芯液动冲击回转钻进技术比较适用于岩层硬度较高的矿区，因此，使用该种方法进行钻探操作时，应尽可能选择硬度较胎体耐磨性、抗弯强度、抗冲击韧性较好的钻头，可以提高钻进工作的回次进尺及平均时效，更能适应该种钻探方法的实际需要。比如，环槽式钻头具有多自由面、能够大颗粒破碎岩石的鲜明特点，在花岗岩中钻探效果较好，但是，环槽式钻头比较适合完整性较好的坚硬地层中使用，如果，地层破碎情况比较严重，环槽式钻头的齿尖部分很容易被磨损，反而不利于其特点的发挥。
钻具的外环隙应适当增加。现阶段，外径为75mm的钻头使用比较广泛，但在实际的钻进工作中，相关人员通过观察之后可以发现，岩芯管外环间隙部位的泵压损失现象比较严重，通过试验研究发现，适当的增加外环间隙，泵压会明显降低。
结束语
现阶段已经有不少矿区在实际钻探工作中采用了绳索取芯液动冲击回转钻进技术，本文简单这种技术进行了介绍，并结合实际案例引进了SYZX75 型液动冲击器，分析了它的特点，通过分析试验可以发现，绳索取芯冲击回转钻进工艺的钻进效率更好、岩芯的采取率更高，钻探的成本更低，在矿区岩层的钻探中使用这种技术手段对于提高矿石开采的效率十分有帮助。
参考文献
[1]卢成云，邱顺兵.绳索取心冲击回转钻进工艺在独狼沟金矿勘查中的运用[J].探矿工程（岩土钻掘工程）.2013（40）
[2]陈木炎.绳索取心冲击回转钻进效果及其工艺探讨[J].探矿工程.2011（04）
[3]徐冬梅，王利.绳索取芯液动冲击回转钻进工艺的引进和推广[J].西部探矿工程.2014（08）
[4]王俊波.S75C型绳索取心冲击回转钻具钻进工艺问题探讨[J].探矿工程.2010（01）
[5]傅丛群.绳索取心液动锤在多类型矿区的应用及其效果[J].探矿工程（岩土钻掘工程）.2011（38）
[6]张士军.钻进“打滑地层”时的钻头与钻具的选择及使用[J].吉林地质.2010（29）
