浅析岩心钻探技术

　　摘要：在过去的多年中，我国的地质钻探行业为地质找矿和经济建设做出了巨大贡献，地质钻探技术也在此过程中得到了很大发展。危机矿山接替资源勘查工作的启动，对钻探技术提出了更高的要求，本文就岩心钻探技术的发展和国内岩心钻探最新技术进行简要介绍，并深入探讨 岩心钻探冲洗液的应用。

　　关键词：岩心钻探  发展 技术  冲洗液

　　Abstract: In past years, China's geological drilling industry for geological prospecting and economic construction has made great contributions to geological drilling technology also has been great development. This paper provide a brief introduction to the latest technology development and national core drilling, core drilling techniques, and depth of core drilling fluid of application.

　　Key words: core drilling; development; technology; lavage

　　中图分类号：P634.6 文献标识码：A        文章编号：

　　1 地质钻探技术的发展概况

　　从建国初期到2006年，我国的地质岩心钻探取得了十分显著的成就，相应的工程地质钻探技术也取得了长足的进步。从技术上讲，它一般受到以岩石破碎机理及理论、相关领域科学技术的发展、社会的进步与时代的需求这三个方面的影响。

　　新中国1949年成立后的10年，是工程地质钻探技术的创建与起步阶段，开发的新技术及应用的新技术主要体现在：中硬以上岩层使用铁砂钻进，中岩以下岩层使用硬质合金钻进；在地质的覆盖层和围岩中采用无岩心钻具，创造并采用了多种取心钻具；研究推广了优质泥浆护孔技术；开展了砂矿钻探和利用矿区的地层规律进行定向钻孔技术。这期间的生产效率逐步提高，完成的工程量随建国初期的建设高潮而达到1500万米。

　　20世纪60-70年代，这是在十分困难的条件下进行工作，开发的钻探新技术有：使用新工艺开发出金钢石钻进；研制成功液压冲击回转钻具；采用水力反循环工艺进行连续取心试验并取得成功；金钢石钻头制造技术取得重大突破，人造金钢石钻头问世并在全国进行推广；液压冲击器开始用于生产。这期间完成的地质岩心的钻探量达到6 000万米，在艰难的条件下取得十分显著的成绩。

　　伴随我国的改革开放，80年代是钻探技术空前发展时期，钻探技术的进步主要有：大面积推广金钢石钻进工艺；定向钻取得成功应用；采用地压平衡等多项技术，突破了高温地热井的难题；一批钻探工艺及钻具制造技术取得突破；水域钻探技术有了长足的进步；创造并积累了盐湖钻探的经验；钻探技术拓展到岩土钻掘相关领域。这期间完成的地质岩心的钻探量达到2 400万米。

　　90年代地质矿产勘查任务随着市场经济驱动有较大调整，侧重紧缺与稀贵矿产重点勘探，钻探质量要求越来越高，工作量连年下降至每年数十万米，技术和工艺的明显进步有：金钢石钻进、绳索取心与冲击回转钻进成为常规钻进技术；多工艺空气钻进、高精度定向孔技术成功应用；中低温地热钻探开发效果显著；完成许多岩土钻掘、基础工程与地质灾害的高难工程；研究开发了非开挖铺设地下管线的技术；微机监测与控制系统在钻探生产中取得成效，科学钻探已经起步。这期间完成的地质岩心的钻探量达到500万米，虽然总量上减少，但对钻探质量的要求与日俱增。

　　2国内岩心钻探技术的讨论

　　2.1金刚石绳索取心技术

　　绳索取心(WL)钻探技术被称为钻探技术第一次革命，已有近60年的推广应用历史。在全球地质找矿钻探施工中是应用最广泛、综合地质效果最佳的钻探技术。 自上世纪70年代中期我国开始推广应用，但在应用广度和深度上与国外发达国家相比存在较大差距，利用绳索取心钻探技术完成的岩心钻探工作量仍不足全部固体矿产岩心钻探工作量的30%。国产绳索取心钻具存在材质不佳、加工质量差、易折断和脱扣等问题，不能满足1000米以深钻孔的需要。而深部找矿一般采用的替代方案是使用内径可以通过绳索取心钻具内管的普通钻杆来完成钻孔取心作业，这就在完成取心作业的同时增大了钻孔工作量。例如Φ89mm钻杆+Φ75mm型绳索取心钻具+Φ94mm钻头的钻具组合。

　　金刚石钻头的使用寿命是限制金刚石绳索取心技术应用于深部找矿的另一个原因。自上世纪60年代开始研究，70年代开始推广金刚石钻探技术以来，我国金刚石钻头制造水平有了很大提高，但是其使用效果与国外仍存在较大差距。虽然在金刚石超硬复合材料方面进行了大规模的攻关研究，制造了一些聚晶、复合片产品，但其性能也远远赶不上国际水平。这就使得国内金刚石钻头钻进寿命短、效率偏低。据调查，我国的金刚石钻头寿命在硬岩地层还不足40米。

　　2.2液动冲击回转钻进技术

　　勘探技术研究所于上世纪60年代开始此项技术的研究，经过几十年的开发、改进，已经形成不同用途、多种规格的系列液动冲击器。特别是YZX127型液动潜孔锤在2006年完工的中国大陆科钻一井施工中创下了总进尺4038.88m、平均小时效率1.13m、平均回次长度6.31m的好成绩。但是在普通钻探生产条件下，由于泥浆固控系统还停留在传统的泥浆池加循环槽让岩粉自然沉淀的水平，在钻进过程中泥浆固相含量较高，导致液动潜孔锤内的零件频繁卡死，工作寿命大幅度降低，从而导致提钻频繁。在推广过程中，其优点虽为大家所认识和接受，但是实际应用却较少。

　　2.3空气泡沫钻探技术

　　该技术是原地矿部“七五”和“八五”期间的重点科研攻关项目，由勘探技术研究所、长春地质学院和甘肃地矿局等科研院所、高校和相关生产单位联合完成。经过不同环境条件及机具试验研究总结了一套比较成熟的泡沫工艺和钻进规程。由于其后正值地质钻探工作量锐减，而此技术在初期投资、能耗和后期泡沫剂回收方面的费用都比普通钻进技术高，因此其推广应用处于停滞状态。

　　3深入探讨岩心钻探中冲洗液的应用

　　3.1冲洗液的分类

　　在进行钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质主要功能是冷却钻头、排出岩屑、保护孔壁等。按介质的成分不同可分为“清水钻孔冲洗液”、“泥浆钻孔冲洗液”、“泡沫钻孔冲洗液”等。随着科学技术的发展，岩心钻探用的冲洗介质的种类越来越多，大致以下三类：液态冲洗介质（简称冲洗液），是以水和油为主体的冲洗介质。包括清水（淡水）、盐类饱和溶液、乳状液、泥浆等散种； 气态冲洗介质，是以空气为主体的冲洗介质，包括干空气和雾化气体等； 其他类型的冲洗介质，如粘性泡沫和充气泥浆等。这些虽然是液态和气态冲洗介质的演进，但其功能和作用机理又区别于液态和气态冲洗介质，成为一种新型的冲洗介质。各种冲洗介质各有自身的特性和适应范围，因此在应用中要根据地层情况、钻进工艺要求和经济效果与可能性来选。其中第一类在我国岩心钻探应用较广泛，其他两类目前尚处在研究试验阶段。

　　3.2在岩心钻探中的功用

　　在岩心钻探中，要保证优质快速安全钻进，正确地选择，使用冲洗液起着十分重要的作用，因此冲洗液被称为钻进过程中的“血液”。其功用如下：

　　（1）.清洗孔底，悬浮和携带岩粉

　　钻进过程中，钻头不断地破碎孔底岩石，延深钻孔，与此同时孔底会产生大量的岩粉、岩屑，借循环着的冲洗液，将钻头破碎的岩粉、岩屑及时地携带到地表，以保持孔底清洁；当冲洗液中断时，利用冲洗液本身的一定性能（如触变性），将岩粉悬浮起来，防止岩粉迅速沉淀造成埋钻事故。

　　（2）冷却钻头，提高钻头使用寿命

　　钻进中，孔底钻头破碎岩石消耗的有效功，只占传到孔底的机械功的很小一部分，绝大多数的机械功作用于与岩石的摩擦，转化为热，因此孔底钻头温升较高。尤其是金刚石钻进，其钻头温升可达到二、三百度，如果得不到及时冷却，将会造成烧钻（即金刚石碳化）。或过早磨损，所以钻进过程中，借循环着的冲洗液将其热量带走，从而冷却钻头，达到延长钻头使用寿命之目的。

　　(3)润滑钻头和钻具，减弱钻具震动

　　钻进过程中，尤其金刚石钻进中，使用加润滑剂的乳化冲洗液，它可以减小钻头和孔底岩石、钻具和孔壁间的摩擦阻力和有效地减弱钻具高转速回转时震动及减轻钻机动力机等的负荷，使钻头工作平稳。

　　(4)形成泥皮，保护孔壁

　　钻进过程中利用冲洗液本身的性能，在孔壁上形成薄而致密的泥皮，防止孔壁坍塌、掉块；调节冲洗液的比重，可以防止涌水、漏失、井喷等事故。同时，某些冲洗液对不稳定的和水敏性的地层还有抑制的作用，有效地防止孔壁的膨胀、坍塌。

　　（5）输送岩心

　　反循环连续取心钻进时，利用冲洗液作介质，连续地通过钻杆柱向地面输送岩心，这种方法取得的岩心，代表性好，层次确切。

　　（6）采用涡轮钻、螺杆钻及冲击回转钻等时，冲洗液是传递动力的工作介质。

　　3.3使用方式

　　钻进过程中，根据冲洗液的循环路径不同，有以下三种循环方式：

　　(1)正循环：冲洗液由泥浆泵经由高压胶管和钻具内孔送至孔底。然后通过钻头底端经由钻具和孔壁之间的环状间隙返回地面；

　　(2)反循环：冲洗液由泥浆泵吸取后，所经的路线是正循环的逆向。

　　(3)孔底反循环：冲洗液 由泥浆泵经由高压胶管送入钻杆内，再经特制的孔底反循环钻具（或接头），使一部分冲洗液沿钻杆与孔壁间的环状间隙返回地表；另一部分冲洗液，由于特制反循环钻具（或接头）的抽吸作用而吸入孔底，经钻头到岩心管、钻杆内，到特制反循环钻具（或接头）处，经特制反循环钻具（或接头）的分水眼，一部分冲洗液随送入的冲洗液返回地表，另一部分随送入的冲洗液吸入孔底。如此来回循环，使之达到冲洗钻孔的目的。

　　参考文献

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