组合钻探工艺研究

 

项目编号:F5.5.2

项目来源:国土资源部2000年科学技术前沿探索项目

立项日期/鉴定日期:1999年10月/2003年2月27日

完成单位:中国地质科学院勘探技术研究所,等

参加人员:张永勤、孙建华、陈修星、田志坤、刘辉、王铁、白晋恒

联系电话:0316-2096185

 

一、立项背景

随着我国人口的增加和经济的持续发展以及本世纪中期达到中等发达国家目标的实现,未来对矿产资源的需求量将不断增加,为了满足上述需要,国家实施了地质大调查和西部大开发重大工程。这些重大工程在实施过程中有相当一部分工作是加速地质矿产资源的勘探与开发,为国家经济建设寻找新的矿产资源,而矿产资源的勘探与开发在很大程度上要借助于高效的地质取样钻探技术。从目前地质找矿技术发展现状看,最终确定地下矿产资源的埋藏深度、储量、品位等仍需要地质取样钻探方法加以验证。随着地质找矿向更深部及更复杂地层方向的发展,对地质取样钻探技术提出了更高的要求。为了满足地质大调查及西部大开发工程的需要,非常有必要开发研究满足多种地层条件下高效地质钻探技术。

目前,在地质找矿钻探领域应用较广泛的钻探技术是金刚石绳索取心和反循环连续取样(心)两大钻探技术。绳索取心钻探技术的出现推动了钻探技术的一次革命,我国绳索取心钻探技术已有近30年的历史,目前已在许多地质矿产勘探施工中较广泛地应用。自上个世纪70年末至80年代初,一些西方工业发达国家又相继研究开发出反循环连续取样(心)钻探技术。该技术采用双壁钻杆、主要以全面破碎的碎岩方式、利用压缩空气或液体作为循环介质将孔底岩屑(心)经双壁钻杆的中心通道不断地输送到地表,以该岩屑(心)作为地质样品。这一钻探技术的出现大幅度地提高了钻探效率,降低了成本。但由于反循环连续取样钻探技术是全面破碎的方式钻进,所取的岩屑不能真实地反映出所钻地层的构造及产状,所以对于一些需要了解所钻地层的地质构造及产状特殊要求的普查区域,反循环连续取样钻探技术还不能使地质人员完全接受和认可。另外,空气反循环连续取样钻探技术在地下水位较浅、水量较大的地区钻探施工时,存在着效率低、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进效率和取心效果,但对于严重漏失和破碎地层还不能取得较满意的钻探效果。绳索取心钻探技术在深孔钻探施工中具有较明显的优点和较高的钻探效率,但与反循环取心钻探技术相比还存在着时间利用率低等不足。因此,曾有人提出取心取样并举的综合钻探方法。我国在20世纪80年代末也曾提出综合钻探的设想,但由于进入90年代以来我国的地质找矿钻探工作量大幅度减少,使得先进高效的钻进技术的研究开发和应用受到了一定的制约和影响。

正在实施的地质大调查和西部大开发工程需要进行地质取心取样钻探施工的地层是多种多样的,有些区域是没有做过地质工作的,有些区域是已经做过地质工作的。对于没有做过取心钻探施工的区域,地质上将会要求取出柱状岩心以便更好地了解地层构造。对于一些已经做过地质工作,地层了解较清楚的区域,有时并不要求柱状岩心。为了在满足地质要求的前提下提高钻探效率、降低成本,1999年,中国地质调查局将“组合钻探工艺研究”列为第一批地质大调查项目。

 

二、研究内容

(一)器具研究

1、组合钻探工艺钻杆系统的研究:研究出既适合于高速回转的金刚石绳索取心钻进,又适合于高压大扭矩空气及水力反循环连续取样(心)钻进用的双壁钻杆,重点研究钻杆的结构和螺纹连接形式。在我国现有管材规格、材质和加工水平的条件下,使双壁钻杆在抗拉、压、扭强度以及降低流体循环阻力等方面达到优化。双壁钻杆对实现组合钻探起着关键性作用。

2、双工艺快速互换系统的研究:主要包括适合组合钻探的绳索取心内外管钻具总成、互换接头、不同结构形式的取心钻头、气动及液动潜孔锤钻具、牙轮钻头及复合片全面钻进钻头与贯通式液动冲击器配套应用孔底钻具等。

    3、岩心及岩样收集装置的研究:为了保证岩心到达地表后按顺序收集以及全面钻进时准确地将所需岩屑收集起来,对现有岩心及岩样收集装置进行改进研究。满足组合钻探工艺钻进施工取样要求。

    4、高速单、双通道气水龙头的研究:为了满足反循环连续取样和取心钻探施工时气水龙头耐高压、绳索取心钻进时对气水龙头高转速的双重要求,需研制满足上述要求的气水龙头,重点解决高压、高速旋转密封材料及密封方式等问题。

    5、钻机对组合钻探工艺适应性研究:为了便于推广应用,尽可能地选用现有钻机,以便降低推广应用费用。对现有钻机的立轴通孔直径、回转范围提出具体要求或做适当改进,并以此提出我国地质钻探钻机以其他辅助设备的发展方向,缩小我国地质钻探设备同发达国家的差距。

    6、其他辅助器具的研究:包括提下工具、拧卸工具、事故处理工具等。

(二)组合钻探工艺的研究

 为了更进一步地发挥反循环连续取样和取心钻探技术及绳索取心钻探技术的优势,必须根据各自的特点,研究出优化的工艺参数(包括钻压、转速、泵量等),制定出合理的钻孔结构、钻具组合与级配、工艺方法的互换及变径注意事项、岩心岩样收集编录方法等。重点解决两大工艺快速转换技术问题,获得比单一方法效率更高、成本更低的途径。

 

三、主要技术参数

1、钻探孔深:500m;

2、钻探孔径:77.5mm;

3、双壁钻杆外管直径:ф73×63mm;

4、双壁钻杆内管直径:ф48×42mm;

5、钻杆接头外径:ф74mm;

6、双壁钻杆定尺长度:4.5m、3m、2m、15m;

7、钻杆螺纹长度:50mm;

8、螺纹形式:采用1:16锥度,8mm螺距,1.5mm扣高;

9、空气反循环钻进孔径:80—83mm;

    10、水力反循环连续取心钻进岩心直径:38mm;

  11、岩心长度:90—150mm;

    12、绳索取心钻进孔径:77.5mm;

  13、外管直径:73×63mm;

    14、内岩心管直径39×34mm;

  15、绳索取心钻进岩心直径32mm;

    16、空气反循环连续取样钻进供气量:5—10m3/min;

    17、水力反循环连续取心钻进泵量:250—320L/min;

   18、绳索取心钻进泵量:60—90L/min;

   19、绳索取心钻进钻压:比常规绳索取心钻进钻压增加10%—15%。

 

四、生产试验、成果描述、鉴定意见及获奖情况

1、生产应用试验情况

    2002年11月4日至12月14日,组合钻探工艺在内蒙古西乌兰乌力查干础鲁金矿区进行了生产应用试验。试验选择了地层极为复杂、钻探供水困难、地下和孔内水位很低的严重漏失矿区进行,同时配套选用了钻深能力千米的大功率钻机。根据项目研究的宗旨及试验考核内容,按照试验大纲对空气反循环连续取样、普通金刚石提钻取心、水力反循环连续取心、绳索取心钻探工艺进行了顺序组合试验。累计完成生产试验工作量320.7米,终孔孔深300.8米。试验对四种钻探工艺方法进行了可行性验证,生产试验证明,组合钻探工艺技术在一套器具的条件下,可以进行普通金刚石钻进(提钻钻进)、绳索取心钻进、水力反循环钻进、空气反循环钻进、空气潜孔锤钻进等多种钻探工艺组合,可以在不同口径、不同深度范围、不同钻探目的等情况下组合或单独使用,可以针对复杂地层的不同情况采取合理的钻探工艺,有效地解决钻探生产技术问题,提高钻探生产效率,降低钻探成本。因而组合钻探技术在地质调查钻探生产方面具有广泛适应性和先进性。

    组合钻探工艺不同钻进方法转换方便、快速,钻具组合简单,不需要技术人员现场指导,机台班长即可在1-2小时完成不同钻进方法的转换。

    本次组合钻探生产试验成功地将水力反循环钻探技术应用于地质调查钻探,也是国内外首次在高寒缺水地区低水位、严重漏失的复杂地层钻孔中应用,是水力反循环钻探技术在中硬岩石取心钻探之后一次新的突破。

    组合钻探工艺中的绳索取心内管总成在双壁钻杆内管中投放和打捞成功率高。证明采用4.5m标准长度的钻杆不仅可行,而且在连接、与钻塔的匹配以及运输等方面都比较方便,具有加工量少等优点。

    组合钻探技术中水力反循环钻进冲洗液流量大、泵压高、高压胶管、水龙头等通道内径尺寸较大,在冬季施工中与普通金刚石钻进相比冻害较轻,管路冻结处理也较简单。如使用组合钻探器具进行空气反循环钻探则更适合高寒地区冬季钻探施工。

   水力反循环连续取心钻探可以避免普通金刚石钻进、绳索取心钻进经常发生的“烧钻”事故。同时冲洗液流主要在双壁钻杆环状间隙和内管内循环,对松散破碎地层的冲刷较小,有利于孔壁稳定。通常冲洗液消耗量也较小。

三种工艺方法完全可以实现有效地组合和快速更换,并具有较好的可靠性,取得了较好的试验效果,基本上达到试验目的。由于试验环境及条件非常恶劣(夜间最低温度超过-20℃),经常出现水管被冻死无法供水、发电机经常出现故障无法供电、分班不正常等情况,所以台月效率及成本较难准确统计与计算,根据试验数据初步统计,平均台月效率可达1100m。

2、成果描述

“组合钻探工艺研究”就是将适合干旱缺水地区钻进的空气反循环连续取样技术、具有较高钻进效率和较好取心质量的水力反循环连续取心钻探、适合深孔取心钻探的金刚石绳索取心钻探技术有机的结合起来,根据地层情况,在满足地质目的的前提下,采用一套钻杆系统和设备,达到高效钻进和降低成本的目的。通过研究,使该钻探工艺真正达到实用、高效的水平。通过推广应用,使组合钻探工艺的综合钻探效率比绳索取心钻探效率提高30%,成本下降30%,满足地质取心取样要求。为加速地质大调查及西部大开发矿产勘探施工提供了新的技术方法。

 3、鉴定意见及获奖情况

2003年7月27日,中国地质科学院组织有关专家对地质调查项目“组合钻探工艺研究”成果报告进行了评审验收。专家门听取了项目组的汇报、答辩,并对原始资料进行了抽查,经评审委员会讨论后形成评审意见如下:

研制和选配了多种钻探工艺用具及设备配套,主要包括:9种组合钻探施工工艺;组合钻探用钻杆(具)系统;双通道高速水龙头、岩心(样)收集装置及双工艺快速互换系统;组合钻探工艺操作规范。生产试验:和内蒙古自治区106队合作在油蒌沟金矿区ZK1602孔生产试验工作量320.7米,钻进孔深300.8米,主要包括空气反循环潜孔锤取样钻进、水力反循环连续取心钻进、绳索取心钻进和常规金刚石钻进。组合钻探工艺钻探效率比现行金刚石绳索取心钻探效率提高50%以上,成本下降30%以上。

根据不同地层,采取不同的钻进工艺,实现了不同工艺的快速转换,取得了较好的钻进效果。在松散破碎地层试用空气反循环潜孔锤钻进,判层及时准确,能满足地质要求,并使用于干寒缺水地区施工。在复杂矿化带构造砾岩中试用水力反循环连续取心,采取率达100%,有利于保护孔壁,避免孔内事故。在一段地层中试用绳索取心钻进,岩心采取率高,明显提高了钻进效率,降低钻探成本。通过试验,编写了较完整的组合钻探工艺操作规程,为今后推广应用创造了条件。评审委员会同时提出了在的问题及建议:生产试验面和工作量偏少、很有应用价值的液动锤未列入组合试验内容、建议相关部门给予支持继续进行扩大生产试验推广。

本项目较好地完成了项目设计书任务所列各项技术指标,成果和水平较高,提交成果报告翔实,数据可靠,图文并茂,经过专家认真评议,一致同意通过验收,并评为优秀。

 

五、人才培养及论文情况

该项目的立项实施使参于该项目的科研人员在开发新型钻探技术方面得到了锻炼,提高了科研能力,培养了多名科研技术骨干,并培养博士一名。该项目实施过程中及推广应用过程,共发表学术论文3篇,研究报告2篇。

 

六、社会、经济效益

组合钻探工艺是一项全新的钻探技术,由于一次性投资较高,所以在还没有大面积推广应用。但在个别地区的个别矿区得到了应用,产生一定的经济和社会效益。例如内蒙、青海、黑龙江、山东、新疆等矿区,实现超过400万元,展示了良好的应用前景。

 

 

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