摘要：頁(yè)巖氣是指附存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖及其夾層中，由于有機(jī)質(zhì)的吸附作用，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的一種非常規(guī)天然氣。相對(duì)于常規(guī)天然氣，由于頁(yè)巖氣具有低孔低滲的特點(diǎn)，巖性致密，給頁(yè)巖氣的鉆探帶來(lái)了難度。為了解決頁(yè)巖氣井的鉆探中井壁的穩(wěn)定性差的問(wèn)題，需采取相應(yīng)的護(hù)壁技術(shù)，詳細(xì)介紹了鉆井液護(hù)壁技術(shù)、套管固井護(hù)壁技術(shù)和其他特種護(hù)壁技術(shù)。

關(guān)鍵詞：頁(yè)巖氣鉆探；護(hù)壁技術(shù)；鉆井液護(hù)壁技術(shù)；套管固井護(hù)壁技術(shù)

1概況

中國(guó)頁(yè)巖氣廣泛存在于海相及陸相沉積盆地中，含氣頁(yè)巖層段時(shí)代從古生界分布至新生界，儲(chǔ)集層地質(zhì)條件較為復(fù)雜。我國(guó)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖TOC含量較北美低，海相頁(yè)巖熱演化程度普遍偏高，陸相頁(yè)巖則普遍偏低，且含氣量偏低，埋深偏大。地形多為山地、丘陵等復(fù)雜地表，構(gòu)造復(fù)雜，受構(gòu)造條件影響大，發(fā)育斷裂，保存條件較差。

2頁(yè)巖氣鉆井鉆進(jìn)難度

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的頁(yè)理發(fā)育，具有層理和天然裂隙等薄弱面，非均質(zhì)性和各向異性強(qiáng)。泥頁(yè)巖中一般含有蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物。粘土礦物含量越多，發(fā)生地層坍塌的可能性愈大。蒙托石吸水膨脹率高達(dá)90%~100%，而伊利石吸水膨脹率僅有2.5%，混層礦物吸水膨脹率按蒙脫石所占的比例多少而定，比例大者吸水膨脹較大。由于粘土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的壓力，若不加以抑制，則會(huì)大大的超過(guò)巖石的膠結(jié)強(qiáng)度極限而引起井塌而帶來(lái)井壁穩(wěn)定性差的問(wèn)題，為了解決頁(yè)巖氣井鉆探的井壁穩(wěn)定性差等問(wèn)題，需采取科學(xué)合理的鉆進(jìn)護(hù)壁解決措施，提高頁(yè)巖氣井鉆探的質(zhì)量。

摘要:煤礦開(kāi)采工作并非其他工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可比，開(kāi)采過(guò)程中安全要求較高，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不僅僅會(huì)損失物資財(cái)產(chǎn)，還會(huì)對(duì)施工人員、采礦人員的生命安全產(chǎn)生直接威脅。井下定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用得好，能夠在很大程度上提高煤礦安全生產(chǎn)，因?yàn)槊旱V井下定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)于煤礦的地質(zhì)勘探工作具有重要的支撐作用，能夠降低采礦風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，應(yīng)用井下定向鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)也不能對(duì)安全問(wèn)題置之不理。

關(guān)鍵詞:煤礦;井下定向鉆進(jìn)技術(shù);礦井地質(zhì)勘探

近些年我國(guó)的煤礦井下綜合開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用較好，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性和采礦效率。井下煤層地質(zhì)構(gòu)造對(duì)勘探的影響非常大，如果做不好這方面的工作，煤礦井下綜合開(kāi)采技術(shù)就無(wú)法高效應(yīng)用。在煤礦地質(zhì)勘探中，經(jīng)常使用地質(zhì)雷達(dá)等方法。應(yīng)用這些方法可以精準(zhǔn)掌握斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，但是針對(duì)高于5m的斷層，這些方法無(wú)法有效應(yīng)用，即便應(yīng)用了，探測(cè)準(zhǔn)確度也不是很理想。因此，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)5m以下的斷層進(jìn)行地質(zhì)勘探時(shí)，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)特別明顯，鉆孔軌跡可以有效控制。這一技術(shù)在使用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，需要再具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況逐一解決。

1定向鉆進(jìn)技術(shù)概述

1．1工作原理

煤礦生產(chǎn)中的井下定向鉆進(jìn)技術(shù)是利用水力將礦渣排出洞穴之外，然后一邊鉆進(jìn)一邊測(cè)量，是一種專門用于鉆孔的施工工藝。這種技術(shù)利用泥漿泵的壓力，將水輸送到鉆頭的底部，然后通過(guò)鉆頭和孔壁形成的空隙，用水力將礦渣排出，鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)煤層產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切割的動(dòng)力來(lái)源于孔底的螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)施工過(guò)程中，跟隨鉆頭隨時(shí)進(jìn)行的測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)︺@頭底部的活動(dòng)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)測(cè)量、及時(shí)調(diào)整。施工人員設(shè)計(jì)好施工參數(shù)，鉆頭的角度能夠根據(jù)原先的預(yù)定設(shè)計(jì)，參考現(xiàn)實(shí)施工情況，進(jìn)行角度、力度等方面的調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)定的鉆孔軌跡為止。當(dāng)然，定向鉆進(jìn)技術(shù)也有一定的局限性，硬度系數(shù)高于5的穩(wěn)定煤層比較適用于此項(xiàng)技術(shù)?？椎茁輻U馬達(dá)等器具是定向鉆進(jìn)技術(shù)的主要工具，孔洞部位的監(jiān)視器完成實(shí)時(shí)測(cè)量工作，并控制螺桿馬達(dá)的鉆進(jìn)方向，使鉆孔的變化軌跡與預(yù)定目標(biāo)一致。

1項(xiàng)目概況

某水利樞紐中心，周邊區(qū)域范圍內(nèi)降水稀少、生態(tài)環(huán)境脆弱、水資源長(zhǎng)期短缺，已成為制約當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要因素之一；該水利樞紐中心的建設(shè)，能夠?yàn)閰^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與建設(shè)提供有效可靠的水資源支撐。建設(shè)期間對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行的地下水勘查項(xiàng)目中，通過(guò)采用先進(jìn)的地下水勘查鉆探技術(shù)，先后施工完成了9眼80oITI～1000m深度范圍的水文地質(zhì)勘探孔，為掌握該區(qū)域地下水的情況獲得了重要原始實(shí)測(cè)資料。

2場(chǎng)地地質(zhì)條件

該施工場(chǎng)地周圍開(kāi)闊平坦，海拔大致處于1300rn～1500m范圍內(nèi)，是典型的黃土塬區(qū)地貌。區(qū)域內(nèi)地層時(shí)代跨度相對(duì)廣泛，但主要以第四系、白堊系和寒武系分布最廣，具體如下。

1)寒武系：為淺紅色及紫紅色巖性的砂礫巖、石英砂巖，可見(jiàn)厚度約800m～1000rll。

2)白堊系：白堊系在整個(gè)場(chǎng)地范圍內(nèi)均有廣泛分布，以鮮紅色粗砂礫紅層和雜色巖石為主。

摘要：煤礦井下作業(yè)的實(shí)施中，為了可以針對(duì)較遠(yuǎn)距離煤層進(jìn)行實(shí)際走勢(shì)的探勘，同時(shí)探查出陷落柱和采空區(qū)等某些異常的地質(zhì)狀況，合理減少因地質(zhì)構(gòu)造而導(dǎo)致的礦井生產(chǎn)安全問(wèn)題，應(yīng)對(duì)定向鉆進(jìn)技術(shù)加以運(yùn)用。該項(xiàng)技術(shù)擁有作業(yè)靈活、精度較高等特點(diǎn)，在煤礦井下地質(zhì)勘探工作的開(kāi)展中，有著良好的應(yīng)用。文章對(duì)定向鉆進(jìn)技術(shù)做出概述，論述了礦井地質(zhì)勘探中該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：煤礦井；定向鉆進(jìn)；地質(zhì)勘探

煤礦開(kāi)采是一項(xiàng)較為特殊的工作，該項(xiàng)作業(yè)的施工和工作人員的生命安全之間存在高度的關(guān)聯(lián)性，如果作業(yè)中出現(xiàn)問(wèn)題，不但會(huì)導(dǎo)致煤礦開(kāi)采企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益受到一定的影響，還會(huì)威脅煤礦開(kāi)采工人的安全。因此，加強(qiáng)煤礦開(kāi)采中先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是確保開(kāi)采作業(yè)人員生命安全的基礎(chǔ)，而定向鉆進(jìn)技術(shù)是一種比較先進(jìn)的煤礦開(kāi)采技術(shù)，可以為煤礦開(kāi)采工作人員的安全提供保障，值得推廣應(yīng)用。

1定向鉆進(jìn)技術(shù)概述

定向鉆進(jìn)技術(shù)屬于新型的煤礦開(kāi)采技術(shù)，在礦井勘探工作的開(kāi)展中具有較為廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)煤礦勘探工作的開(kāi)展中，定向鉆進(jìn)技術(shù)比較重要的應(yīng)用便是針對(duì)抽采煤礦井下瓦斯等相關(guān)毒性氣體的防治，同時(shí)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用可以有效確保煤礦井下勘探工作的有序推進(jìn)，創(chuàng)造一個(gè)比較安全的作業(yè)施工環(huán)境，給煤礦井下開(kāi)采工作的開(kāi)展提供了有力保障。具體應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)的過(guò)程中，通常是將相關(guān)的工藝設(shè)備、測(cè)量工具及其井下作業(yè)工具加以結(jié)合，借助對(duì)鉆孔運(yùn)動(dòng)軌跡不斷做出適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)性調(diào)整，確保鉆頭可以順沿指定的方向到達(dá)預(yù)先設(shè)計(jì)的目標(biāo)位置，從而有效提升實(shí)際工作開(kāi)展的效率，縮減作業(yè)施工成本，獲取較為理想的效果，針對(duì)后續(xù)作業(yè)施工起到一定的參考與指導(dǎo)作用，從而明顯提高作業(yè)施工的安全性。相較于過(guò)往所采用的常規(guī)鉆探作業(yè)技術(shù)來(lái)講，定向鉆進(jìn)技術(shù)在分支孔的施工中通常存在如下優(yōu)勢(shì)：①實(shí)施伴隨鉆探工作的開(kāi)展進(jìn)行勘探相關(guān)信息的計(jì)算與保存。②以較小的誤差計(jì)算并創(chuàng)建出地層結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的三維坐標(biāo)，然后應(yīng)用定向分支技術(shù)對(duì)這一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，借助多個(gè)三維坐標(biāo)的創(chuàng)建，整體的三維模型便得到了較為有效的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)這一區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探，產(chǎn)生的誤差比較小。③借助已經(jīng)完成作業(yè)施工的眾多地質(zhì)鉆孔和實(shí)揭煤層剖面的比較，探尋地質(zhì)鉆孔相應(yīng)的偏斜規(guī)律，對(duì)其中的相關(guān)影響因素加以分析，利用實(shí)踐驗(yàn)證的比較，可以更加準(zhǔn)確地確立地質(zhì)鉆孔偏斜所具有的規(guī)律性。

2礦井地質(zhì)勘探中煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用分析

1工程概況

為了重點(diǎn)查明左岸巖體內(nèi)斷層分布情況、壩基基本地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件，地質(zhì)工程師布置了與水平方向夾角為30°傾斜角、320°方位角的鉆孔，該孔設(shè)計(jì)孔深100m，終孔孔徑不小于91mm。鉆孔取芯要求為:弱風(fēng)化帶巖體采取率達(dá)85%以上，微新巖體達(dá)90%以上。

2地質(zhì)條件

攀枝花銀江水電站左岸地層主要有下元古界變質(zhì)巖系，震旦系上統(tǒng)碳酸鹽巖二疊系下統(tǒng)陽(yáng)新組碳酸鹽巖，上統(tǒng)峨眉山玄武巖，三迭系上統(tǒng)～白堊系的碎屑巖類，并有不同時(shí)期的巖漿巖廣泛出露。區(qū)內(nèi)侵入巖主要有晉寧期石英閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)花崗巖、閃長(zhǎng)巖，華力西期正長(zhǎng)巖、花崗巖、輝長(zhǎng)巖等類型。下元古界構(gòu)成本區(qū)基底，其它地層形成蓋層。第四系河流沖積、洪積在河床中廣泛分布，崩塌堆積和殘坡積零星分布山麓地帶。巖體裂隙發(fā)育，查閱相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料，取芯多為碎屑狀及小碎塊狀，區(qū)域內(nèi)的斷層對(duì)斜孔鉆探施工有一定的影響。

3鉆孔實(shí)施

3．1施工準(zhǔn)備

本文作者：倪林祥

一、影響金剛石鉆頭充分發(fā)揮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因紊

1.鉆頭微燒引起拉槽,金剛石孕鑲鉆頭在鉆壓的作用下,以一定的線速度運(yùn)動(dòng),‘可以簡(jiǎn)單地把鉆頭和巖石視為一摩擦系統(tǒng),金剛石鉆頭胎體的溫升就是由于鉆頭端面在巖石表面作相對(duì)位移時(shí),由摩擦功而引起的。因此,溫升的速度、高低與壓力、線速度成正比,和冷卻條件(包括鉆頭水馬力,水口數(shù)和胎體壁厚)成反比。孕鑲金剛石鉆頭出現(xiàn)拉槽,即形成“0”形圈(圖3)的原因是,當(dāng)沖洗液流經(jīng)鉆頭內(nèi)徑,通過(guò)水口和金剛石出刃與巖石間的微隙通道,由于傳導(dǎo)和對(duì)流作用,將熱量帶走,在胎體壁內(nèi)外徑向產(chǎn)生溫度梯度(見(jiàn)圖2)。如圖2所示的相對(duì)高溫區(qū)的瞬時(shí)溫升達(dá)到金剛石石墨化的溫度時(shí),便出現(xiàn)微燒現(xiàn)象。其表現(xiàn)是鉆頭端面發(fā)黑,或者粘著一層薄薄的巖粉。由現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn),微燒現(xiàn)象多半出自地層軟硬變化,鉆壓忽大忽小,時(shí)效忽快忽慢,或者在硬巖層中強(qiáng)力鉆進(jìn),一般在進(jìn)尺平穩(wěn)時(shí)很少發(fā)生。如果微燒現(xiàn)象不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),并采取相應(yīng)的技術(shù)措施,惡性循環(huán)的結(jié)果,必然導(dǎo)致“o”形圈的形成。但是,金剛石層消耗到一定程度后,出現(xiàn)“0”形圈則不在此列。2.鉆頭異常磨損(1)目前各廠出產(chǎn)的鉆頭,內(nèi)外徑公稱尺寸不一,其變化范圍在協(xié)38.5一協(xié)39.5之間,造成互換性差,尤其在硬巖層中鉆進(jìn),若有殘留巖心,用小內(nèi)徑鉆頭套掃;抑或在硬碎巖層中鉆進(jìn),巖心碎塊脫落,磨損內(nèi)徑邊緣,形成內(nèi)臺(tái)階(圖5)。(2)雙管接頭的補(bǔ)強(qiáng)合金鑲嵌不牢,落入孔底,抑或孔口管與裸孔連接處出現(xiàn)臺(tái)階,或孔壁“探頭石”未及時(shí)清理,每當(dāng)下鉆時(shí),碰撞胎體,造成崩落,磨損鉆頭外徑邊緣,形成外臺(tái)階(圖6)。偶爾亦出現(xiàn)拉槽現(xiàn)象(圖3)。(3)金剛石出露狀態(tài)不好,有殘留巖心,鉆具振動(dòng),造成鉆頭內(nèi)外徑邊緣磨損(圖7)與巖石接觸面積增加。況,或鉆桿連接處漏水,送入孔底沖洗液量不足,抑或短時(shí)間停泵,造成輕燒或嚴(yán)重?zé)@事故。4.鉆頭與巖心管絲扣加工精度不高,受扭力作用后,擰得太死,采用管鉗卸扣,或者把鋼體夾扁,抑或?qū)⑻ンw夾裂。5.鉆機(jī)按裝不牢,鉆具震動(dòng)歷害,或者在硬巖層中鉆進(jìn),仍采用大泵量,產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象,破壞了鉆頭在孔底的正常工作條件。6.制造方面的原因。在操作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的有以下幾方面:(1)在壓制成形的過(guò)程中,粉末中壓力分布是不均勻的。由于顆粒間彼此摩擦,相互楔住,以及一些使顆粒移動(dòng)困難的因素,而使壓力在模具側(cè)壁方向的傳遞,比在壓制方向的傳遞要小得多,粉末與模壁間存在摩擦,會(huì)使胎體在高度上出現(xiàn)顯著的壓力降。沿中軸線產(chǎn)生壓力梯度,在低壓燒結(jié)條件下較為明顯。由于壓力分布不均勻,壓制密度亦不同,層間的硬度HRc則有差異。在實(shí)際操作中可以看到,前幾個(gè)回次高度磨耗較少,爾后消耗很快,也是其中因素之一(圖s)。(2)胎體未燒透,工藝不穩(wěn)定,沒(méi)有形成粉末冶金要求的假合金,或鋼體清洗不凈,造成胎體脫落或掉塊。(3)保徑天然金剛石或聚晶深入到孕鑲層中(圖ga、b)形成硬支點(diǎn),或者內(nèi)外徑補(bǔ)強(qiáng)金剛石未緊貼周邊(圖10),造成鉆頭過(guò)早縮徑或擴(kuò)徑。(4)表鑲鉆頭的金剛石包鑲不牢,嚴(yán)重脫粒,或孕鑲鉆頭金剛石濃度不勻,密集部分出現(xiàn)脫?；騽冸x現(xiàn)象。7.表鑲鉆頭使用不合理,中一粗粒(2o一40粒/克拉)金剛石鉆頭一般只宜于在中硬以下的完整巖層中鉆進(jìn),當(dāng)時(shí)效降低,金剛石磨純,基本不進(jìn)尺,就應(yīng)停用回收(占成本費(fèi)50%)再用。但由于片面追求鉆頭進(jìn)尺,在金剛石失去切削能力的情況下,仍采用強(qiáng)力鉆進(jìn),致使金剛石壓碎,降低其利用率。上面列舉的影響金剛石鉆頭技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素,是現(xiàn)場(chǎng)最常出現(xiàn)的,有的往往被人們所忽視。歸納起來(lái)可分為三方面:第一是地層因素,第二是操作因素(其中也包括管理因素);第三是制造因素。除地層因素之外,只要采取相應(yīng)的技術(shù)措施,便可得瓢改善。下面就四個(gè)地質(zhì)隊(duì)所用的孕鑲鉆頭分別按非正常磨損(其中包括拉槽、異常磨損、燒鉆等)和正常磨損統(tǒng)計(jì)如下,進(jìn)行分析,便可看出問(wèn)題的嚴(yán)重性。表內(nèi)列舉的52個(gè)鉆頭,總進(jìn)尺2936.22米。平均鉆頭進(jìn)尺56.34米。其中正常磨損的鉆頭27個(gè),占51.92%,進(jìn)尺2330米,占79.3%,平均鉆頭進(jìn)尺82.59米,非正常磨損鉆頭25個(gè),占48.08%,進(jìn)尺606.22米,占20.7%,平均鉆頭進(jìn)尺24.08米。正常磨損的鉆頭進(jìn)尺是非正常磨損的3.73倍。表中所列數(shù)據(jù)是由7一9級(jí)的片麻巖類和花崗巖類得到的。如果將非正常磨損的鉆頭平均進(jìn)尺由24.08米提高到平均進(jìn)尺56.34米,每米純鉆頭成本(按240元/個(gè)計(jì)算)由10元/米左右降到4,5元/米左右,經(jīng)濟(jì)效果將很顯著。由此可見(jiàn),減少鉆頭非正常磨損,是當(dāng)前提高金剛石鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵。

二、提高金剛石鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的途徑

提高金剛石鉆進(jìn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)涉及的范圍很廣,本文僅著重分析與鉆頭有關(guān)的問(wèn)題。1.根據(jù)本礦區(qū)的巖性合理選擇鉆頭,目前有的地質(zhì)隊(duì)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的辦法,以所鉆的巖層為基礎(chǔ),按鉆頭技術(shù)參數(shù)(如金剛石品級(jí)、粒度、濃度、胎體硬度等),分別統(tǒng)計(jì)鉆頭進(jìn)尺、時(shí)效、回次長(zhǎng)度等,進(jìn)行認(rèn)真分析研究,然后確定鉆頭選型,并根據(jù)各類巖層的分布情況,有計(jì)劃地定購(gòu)鉆頭,設(shè)專人管理、發(fā)放,不是泛泛地而是有針對(duì)性地制訂切實(shí)可靠的技術(shù)措施。遇到難于鉆進(jìn)的巖層,請(qǐng)研究部門或制造廠協(xié)助解決。2.適當(dāng)控制時(shí)效,這里所指的只限于在7一9級(jí)的中硬、中等研磨性的巖層中鉆進(jìn),其時(shí)效一般都比較高。如果仍盲目追求機(jī)械效率,必然要加大壓力,提高轉(zhuǎn)速,勢(shì)必造成巖粉過(guò)多,堵塞出露良好的金剛石出刃的通道,產(chǎn)生微燒,結(jié)果是“欲速則不達(dá)”,鉆頭壽命大大縮短了。至于時(shí)效應(yīng)控制在什么范圍內(nèi),應(yīng)以鉆頭進(jìn)尺長(zhǎng)、不輕燒、而又具有相當(dāng)?shù)臅r(shí)效為限度,例如7一8級(jí)的片麻巖,一般控制在2.5一2.0米/時(shí)。因此,每次起下鉆仔細(xì)觀察鉆頭磨損情況,測(cè)量鉆頭高耗,這是非常重要的,只有這樣才能制訂合理的時(shí)效和高耗的控制范圍。統(tǒng)計(jì)一些長(zhǎng)壽命的鉆頭發(fā)現(xiàn)一個(gè)很有趣的現(xiàn)象,高耗的增量與進(jìn)尺增量之比的正切,在同類巖層中,近似于常數(shù)。如鉆頭技術(shù)參數(shù)為:金剛石品級(jí)一JR3,粒度60一80目,濃度100%,HRc42,鉆進(jìn)參數(shù)為:壓力600一500公斤,轉(zhuǎn)速600一700轉(zhuǎn)/分,泵量50一3-升/分。在7一8級(jí)的石榴子透輝巖和花崗巖中鉆進(jìn),進(jìn)尺219.79米,回次進(jìn)尺5.11米,時(shí)效3.13米,當(dāng)鉆到160米處,時(shí)效高達(dá)5.2米,逐步輕燒,影響鉆頭進(jìn)尺。此外,還要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),鉆頭經(jīng)濟(jì)效果的好壞,不只取決于鉆頭,而是以每米消耗的綜合成本來(lái)衡量的。在某些特殊需要的情況下,例如在漏失地層,潤(rùn)滑劑耗量大,或孔斜嚴(yán)重的孔段,鉆桿磨損大,需要采用快速通過(guò),在不引起微燒的前提下,而對(duì)總成本降低有利,那末提高鉆進(jìn)效率,縱然鉆頭壽命有所縮短還是合算的。3.目前我國(guó)各廠家生產(chǎn)的鉆頭,在7一9級(jí)中等研磨性巖層中鉆進(jìn),取得了回次和鉆頭進(jìn)尺都比較高的效果,適于繩索取心鉆進(jìn),應(yīng)逐步推廣這一新技術(shù)。據(jù)北京101隊(duì)在片麻巖中采用繩索取心鉆進(jìn)表明,平均鉆頭進(jìn)尺為61.00米,每米成本為29.46元,普通雙管平均鉆頭進(jìn)尺為23.70米,每米成本為43.76兀。4.為改善鉆頭在孔底的工作狀態(tài),即提高鉆頭在孔底的穩(wěn)定性,在巖心管的異徑接頭處和鉆桿的適當(dāng)部位裝上穩(wěn)定器。5.功56孕鑲鉆頭的水口應(yīng)不少于8個(gè),亦可在胎體內(nèi)外徑(如表鑲鉆頭)加銑棱槽,其壁厚可縮小1毫米左右,這種結(jié)構(gòu)的鉆頭較之于常規(guī)結(jié)構(gòu)的鉆頭拉槽現(xiàn)象要少得多。6.國(guó)內(nèi)所采用的天然金剛石孕鑲料,多以不成晶形的低品級(jí)剛果型金剛石或回收后的金剛石碰碎而成,其中一部分呈片狀,它們?cè)谠需倢又星邢髂芰^差,如果經(jīng)過(guò)予處理,嚴(yán)格分選,效果要好得多。鄭州廠的天然孕鑲鉆頭能取得較好的效果與此有關(guān)。此外對(duì)人造金剛石進(jìn)行嚴(yán)格分選,物盡其用.確保鉆頭質(zhì)量是非常必要的。7.有的地質(zhì)隊(duì)根據(jù)不同巖層,定出鉆頭進(jìn)尺,實(shí)行超產(chǎn)獎(jiǎng)勵(lì)的經(jīng)濟(jì)管理辦法,提商了鉆頭壽命,降低了成本。這也說(shuō)明,只要改進(jìn)管理,金剛石鉆頭仍有潛力可挖。8.目前各地質(zhì)隊(duì)都保存有大量用過(guò)的金剛石鉆頭,其中大部分可回收表、孕鑲料或補(bǔ)強(qiáng)料。只要經(jīng)過(guò)回收處理,便可變座為用。

三、結(jié)束語(yǔ)

解決方案

想要利用和發(fā)揮繩索取心技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，就必須將壓水試驗(yàn)和繩索取心鉆進(jìn)兩個(gè)工序進(jìn)行整合。我院對(duì)此做了大量的研究，提出了不提大鉆壓水試驗(yàn)方案［4］?；舅悸肥?充分利用繩索取心鉆桿內(nèi)徑大的特點(diǎn)，將栓塞通過(guò)鉆桿內(nèi)徑下入到試驗(yàn)段，采用氣或水使栓塞膨脹從而封閉試驗(yàn)段。操作方法是:鉆完一個(gè)試驗(yàn)段(一般為5m)，取出巖心，然后將鉆桿提離孔底6m，將栓塞通過(guò)纜繩下入到試驗(yàn)段上部，然后使栓塞膨脹，封閉鉆桿和孔壁，利用鉆桿作為過(guò)水通道進(jìn)行壓水試驗(yàn)。該方法的主要問(wèn)題:一是沒(méi)有現(xiàn)成的栓塞可用，必須重新設(shè)計(jì)加工;二是提放、膨脹栓塞的纜線較多，操作方法上需要重點(diǎn)研究。栓塞是進(jìn)行壓水試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，為此，研究設(shè)計(jì)加工了專用壓水試驗(yàn)栓塞及附件。在研究專用栓塞之初，考慮的是利用水對(duì)栓塞進(jìn)行膨脹，即液壓栓塞［5］(見(jiàn)圖1)，其優(yōu)點(diǎn)是膨脹介質(zhì)容易獲得，栓塞密封性能要求不是很高，膨脹過(guò)程中基本沒(méi)有壓縮，試段封閉比較穩(wěn)定可靠。但是在試制中發(fā)現(xiàn):在地下水位較深的鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)時(shí)，由于膨脹管路的水柱較高，而又沒(méi)有地下水位的抵消，栓塞很難卸壓恢復(fù)原狀，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到60m，栓塞很難恢復(fù)原狀了。當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到100m左右時(shí)，水壓式栓塞基本不能使用。因此放棄了液體而改用氣體作為栓塞的膨脹介質(zhì)，即氣壓栓塞［6，7］，見(jiàn)圖1。氣壓栓塞與液壓栓塞其結(jié)構(gòu)是相同的，它們的主要區(qū)別在于:一是膨脹膠囊的介質(zhì)不同，液壓栓塞是用液體作為膠囊的膨脹介質(zhì)，而氣壓栓塞則是用氣體作為膠囊的膨脹介質(zhì);二是充填介質(zhì)的設(shè)備不同，液壓栓塞是用泵將液體壓入膠囊進(jìn)行膨脹，氣壓栓塞的充氣設(shè)備則是氣瓶。氣壓栓塞的特點(diǎn)是充氣過(guò)程簡(jiǎn)單，只需要打開(kāi)氣瓶閥門，控制好壓力即可。卸壓過(guò)程基本不受地下水位的影響，栓塞可以快速?gòu)?fù)原。而且氣壓栓塞的適應(yīng)范圍比水壓栓塞要寬，栓塞卸壓時(shí)間遠(yuǎn)少于水壓栓塞。圖1液(氣)壓栓塞研制成功的專用壓水試驗(yàn)栓塞結(jié)構(gòu)為:栓塞膠囊分為兩段，上膠囊位于鉆頭內(nèi)臺(tái)階上部，膨脹后封閉鉆桿，下膠囊穿過(guò)鉆頭進(jìn)入鉆孔壓水試段的封堵部位，膨脹后封閉壓水試段。該栓塞的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)安全、耐用，密封性好，膨脹與復(fù)原性好，不變形。試驗(yàn)操作接近常規(guī)的試驗(yàn)方法，地質(zhì)和操作人員均容易接受。研究了壓水測(cè)試儀壓力傳輸電纜和高強(qiáng)度充氣管組合的提升方法。這種方法可以將鉆孔壓水綜合測(cè)試儀壓力傳輸電纜，作為主要承重繩，高強(qiáng)度充氣管作為輔助承重繩，很好地解決了試驗(yàn)時(shí)纜線纏繞問(wèn)題。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合專用栓塞和鉆孔壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀，進(jìn)行水利水電工程鉆探、壓水試驗(yàn)，取得了十分理想的效果。針對(duì)目前繩索取心鉆具不適應(yīng)水利水電勘探需要的問(wèn)題，可考慮從以下2個(gè)方面解決:(1)在現(xiàn)有鉆具的基礎(chǔ)上，研制一種適合水利水電勘探需求的鉆具，這可以從根本上解決鉆具規(guī)格不能滿足水利水電工程需求的問(wèn)題;(2)在選用現(xiàn)有鉆具的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆進(jìn)規(guī)程進(jìn)行深入研究，通過(guò)對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)方式、鉆壓、泵量等的選擇、調(diào)整，尋找最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)［8］。第一種方案涉及到管材規(guī)格的改變，投入成本非常高，沒(méi)有太大的現(xiàn)實(shí)意義。從應(yīng)用角度一般應(yīng)選擇第二種方案，通過(guò)對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化，在可接受范圍內(nèi)，提高機(jī)械鉆速，當(dāng)然其機(jī)械鉆速和常規(guī)鉆探方法相比仍然會(huì)偏低。對(duì)繩索取心鉆進(jìn)中沖洗液的問(wèn)題，可從3個(gè)方面進(jìn)行考慮:一是可以通過(guò)增大鉆頭外徑的方法予以解決，將96mm的外出刃增加到98mm;二是研究配制一種既滿足水利水電勘探水文地質(zhì)試驗(yàn)要求，又具有良好的潤(rùn)滑作用的沖洗液，可以解決該問(wèn)題，但缺點(diǎn)是從沖洗液材料的選擇、配方以及地層的千變?nèi)f化等需要做大量的試驗(yàn)，需花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，實(shí)施起來(lái)難度大;第三種方案是從操作入手，如注意觀察鉆進(jìn)時(shí)的回水、聲音、鉆機(jī)震動(dòng)等情況，對(duì)不同情況和問(wèn)題分別采取措施。如處理沉淀采用特制的沉淀打撈器，鉆至強(qiáng)漏失地層時(shí)，將小流量的鉆進(jìn)回水從鉆桿邊緣注入孔內(nèi)，這種綜合的處理方法，通常能獲得較好的效果。

應(yīng)用實(shí)例

某水利樞紐工程壩段區(qū)位于華北地層區(qū)，陜甘寧蒙盆地地層分區(qū)。出露基巖為中生界三疊系二馬營(yíng)組上段和銅川組下段，為一套陸相碎屑巖系，分布于整個(gè)壩址區(qū)的河谷及岸坡上，出露厚度約180～220m，最大揭露厚400m左右，巖相變化較大。壩址區(qū)基巖巖性可概括為鈣質(zhì)(長(zhǎng)石)砂巖類、泥質(zhì)、鈣泥質(zhì)粉砂巖及少量(砂質(zhì))粘土巖3大類。壩區(qū)內(nèi)軟弱夾層(泥化夾層)普遍存在，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)13層，其厚度及性狀不穩(wěn)定，連續(xù)性較差，厚度一般為0.5～2.0cm，夾泥成分一般為粘土巖，少數(shù)為礫巖，但其礦物成分仍為粘土礦物，結(jié)構(gòu)類型分泥夾碎屑型、碎屑夾泥型、全泥型3種，是主要工程地質(zhì)問(wèn)題之一。由于軟弱夾層的存在對(duì)工程建設(shè)的造價(jià)和工程的安全性有重大影響，為查明其分布特征，地質(zhì)人員對(duì)鉆孔的要求為:終孔孔徑≮75mm;清水鉆進(jìn);按規(guī)定進(jìn)行壓水試驗(yàn);要求強(qiáng)～弱風(fēng)化巖石巖心采取率≮95%，微～新巖石巖心采取率≮8%;為了保證不漏失泥化夾層，鉆進(jìn)回次應(yīng)控制在0.5～1m。對(duì)上述要求，如果采用傳統(tǒng)的取心鉆進(jìn)方法必須頻繁的提鉆，再加上每5m做一次壓水試驗(yàn)也要提鉆，其勞動(dòng)強(qiáng)度之大、鉆進(jìn)效率之低、鉆探成本之高是不言而喻的。為滿足地質(zhì)要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，從2010年6月～2011年7月，在該工程區(qū)內(nèi)，應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合不提大鉆壓水試驗(yàn)方法和先進(jìn)的壓水試驗(yàn)綜合測(cè)試儀、應(yīng)用特制的沉淀打撈器和自行摸索的操作方法，共完成了800多米鉆孔及相應(yīng)的壓水試驗(yàn)。在同工區(qū)相同地質(zhì)條件鉆孔中，對(duì)4個(gè)繩索取心鉆孔(S96的鉆具，金剛石鉆頭)和5個(gè)普通鉆孔(75mm雙管鉆具，金剛石鉆頭)的鉆進(jìn)效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表1.由表1可知，繩索取心鉆進(jìn)的平均效率為11.27m/d，普通鉆進(jìn)的鉆進(jìn)效率為9.83m/d，繩索取心的鉆進(jìn)效率比普通鉆進(jìn)高約14.6%。隨著孔深的增加其效率增加更明顯。繩索取心可以隨時(shí)提取巖心，能夠嚴(yán)格按照0.5m回次提鉆，并且一旦鉆進(jìn)出現(xiàn)異常，可迅速撈取巖心，減少巖心的對(duì)磨，提高巖心的采取率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，繩索取心的巖心采取率比普通雙管鉆進(jìn)要高1%～2%，泥化夾層采取率相比更高。圖2為繩索取心鉆進(jìn)取出的巖心。圖2繩索取心鉆進(jìn)取出的巖心在采取繩索取心鉆進(jìn)加不提大鉆壓水試驗(yàn)方法后，很好地解決了壓水試驗(yàn)問(wèn)題，避免了頻繁地起下鉆，極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。實(shí)踐表明，繩索取心鉆進(jìn)取心質(zhì)量好，成本較低，鉆進(jìn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低;壓水試驗(yàn)栓塞密封性能好，不提大鉆壓水試驗(yàn)技術(shù)完全能夠滿足試驗(yàn)要求，操作方便;針對(duì)沖洗液?jiǎn)栴}采取的措施能夠發(fā)揮良好的效果。

結(jié)論及建議

水利水電勘探有自己獨(dú)有的特點(diǎn)，國(guó)土資源、冶金、煤炭等鉆探行業(yè)的技術(shù)、設(shè)備相對(duì)先進(jìn)很多，但由于工作環(huán)境不同，勘探要達(dá)到的目的不同，并不能直接移植到水利水電勘探中來(lái)，需要認(rèn)真思索解決。繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電勘探中的研究，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)取得了良好的鉆進(jìn)效果。特別是自行研制設(shè)計(jì)完成的不提大鉆壓水試驗(yàn)方法，將壓水試驗(yàn)和繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)，很好地解決了繩索取心鉆進(jìn)難以適應(yīng)水利水電勘探的主要技術(shù)難題，為繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電勘探中的推廣應(yīng)用掃除了障礙。

地質(zhì)的鉆探施工，對(duì)于鉆探設(shè)備、鉆探工藝、鉆探規(guī)程和參數(shù)、人員操作方式等等都有不同于淺孔施工的要求。

1工程地質(zhì)鉆探的特點(diǎn)及適用條件

在工程地質(zhì)勘察中，鉆探是最基本最常用的勘探手段。不同類型的建筑物，不同的勘察階段，不同的工程地質(zhì)條件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用鉆探方法。與地質(zhì)找礦鉆探相比，工程地質(zhì)鉆探的特點(diǎn)是：

(1)勘探工程鉆孔布置，不光要考慮自然地質(zhì)條件，還需結(jié)合工程類型及特點(diǎn)。如水壩一般應(yīng)順壩軸線布孔，工業(yè)與民用建筑則需按建筑物的輪廓線布孔等。

(2)鉆進(jìn)深度一般不大，除了大型水利工程，深埋隧道以及為了解專門的地質(zhì)問(wèn)題(如控測(cè)深巖溶)外，孔深均為十余米至數(shù)十米，所以經(jīng)常采用簡(jiǎn)易鉆探法和輕便鉆機(jī)。

(3)鉆孔多具綜合性目的，1個(gè)鉆孔除了需查明地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件外，還要作各種試驗(yàn)、取樣、長(zhǎng)期觀測(cè)。有些試驗(yàn)往往與鉆進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，所以進(jìn)尺較慢。

目前我國(guó)地質(zhì)勘查鉆機(jī)普遍采用定量泵與普通液壓閥組成的液壓系統(tǒng)，鉆進(jìn)功能單一，不適應(yīng)復(fù)雜地層鉆進(jìn)工藝要求。JDD一100型地質(zhì)勘查鉆機(jī)由液壓驅(qū)動(dòng)，具有回轉(zhuǎn)、振動(dòng)、沖擊、靜壓多種鉆進(jìn)功能，還可隨鉆測(cè)量地層電阻率、孔隙度等地質(zhì)參數(shù)。鉆機(jī)如圖1所示。

1城市地質(zhì)勘查鉆機(jī)鉆進(jìn)性能要求

1．1優(yōu)化鉆進(jìn)

鉆進(jìn)過(guò)程中，各種地層有不同的最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與之對(duì)應(yīng)。鉆壓、轉(zhuǎn)速需穩(wěn)定保持在最優(yōu)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)附近，避免過(guò)大的波動(dòng)。鉆機(jī)始終以最優(yōu)規(guī)程參數(shù)鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。

1．2精確鉆進(jìn)

地質(zhì)勘查鉆孔深度較淺，但地層復(fù)雜多樣。一次鉆進(jìn)可遇到多種地層，鉆機(jī)須根據(jù)不同地層，及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，使鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)與地層相適應(yīng)。

摘要：為保障胡底煤業(yè)3#松軟破碎煤層中長(zhǎng)鉆孔的順利實(shí)施，通過(guò)理論分析空氣鉆進(jìn)原理和鉆進(jìn)工藝參數(shù)，對(duì)鉆進(jìn)工藝中鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定長(zhǎng)鉆孔施工采用ZDY4000L型鉆機(jī)，并對(duì)配套鉆具及設(shè)備進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)長(zhǎng)鉆孔施工工藝流程。根據(jù)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝在1309工作面煤巷掘進(jìn)面順層鉆孔中的應(yīng)用效果可知，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在松軟破碎煤層中進(jìn)行長(zhǎng)鉆孔施工時(shí)，鉆進(jìn)效率及成孔率均較高，鉆孔效率顯著。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)鉆孔；空氣鉆進(jìn)；松軟破碎煤層

1工程概況

胡底煤業(yè)主采3#和9#煤層，3號(hào)煤層厚度5.20~5.91m，平均5.67m，煤層傾角3°~10°，平均6°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，屬松軟破碎煤層。礦井為高瓦斯高突出礦井，3#煤層原始瓦斯壓力3.83MPa，原始瓦斯含量25m3/t。開(kāi)采3#煤層時(shí)，需大量施工瓦斯抽采鉆孔，其中條帶抽采鉆孔和工作面順層鉆孔長(zhǎng)度均較長(zhǎng)，屬于長(zhǎng)鉆孔。為保障長(zhǎng)鉆孔的施工質(zhì)量及效率，需進(jìn)行松軟破碎圍巖長(zhǎng)鉆孔施工工藝的研究分析。

2空氣鉆進(jìn)原理及工藝參數(shù)分析

2.1空氣鉆進(jìn)原理