为提高硬脆碎地层取心质量和钻进效率,可采取冲击回转钻进、反循环(局部反循环、全孔反循环)钻进方法。目前全孔反循环在地质岩心钻探中尚未进入实用性阶段。
(一)冲击回转钻进
冲击回转钻进是在钻具上部(无岩心钻探时在钻头上部)连接一个冲击器(亦称潜孔锤),使钻头在承受一定静载荷的基础上,以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。冲击载荷的加入改变了纯回转钻进的碎岩机理,使钻进效率提高,同时因岩心管产生高频振动,有利于破碎岩心顺利进入取心管,以减少岩心堵塞,增加回次进尺长度。冲击回转钻进可用于普通提钻取心或绳索取心钻进。
冲击器是冲击回转钻进的关键设备。冲击器按动力方式可分为:液动冲击器、风动冲击器、机械作用式冲击器等。液动冲击器是用高压水或泥浆作为动力介质;风动冲击器是用压缩空气作为动力介质,亦可气、水混合使用;机械作用式冲击器是利用电机、电磁装置、涡轮或特种机构(如牙嵌离合器)等机构使冲锤上下运动。地质岩心钻探中主要以液动冲击器为主,风动冲击器主要用于大直径浅—中深孔钻探,机械式冲击器在地质钻探很罕见。
1.液动冲击器类型及工作原理
按工作原理分,我国液动冲击器主要有阀式正作用、阀式反作用、阀式双作用、射流式、射吸式等类型。
(1)阀式正作用液动冲击器
如图4-11所示,阀式正作用液动冲击器工作原理是:冲锤活塞5在锤簧6的作用下处于上位,其中心孔被活阀4盖住,液流瞬间被阻,液压急剧增高而产生水锤(也称水击)效应。在液压作用下,冲锤活塞和活阀一同下行,压缩阀簧3和锤簧;当活阀下行到一定位置时,活阀被阀座9限制,活阀停止运行并与冲锤活塞脱开,液流经冲锤活塞中心孔而流向孔底,液压下降,活阀在阀簧作用下返回原位;冲锤活塞在动能作用下利用惯性继续运行,冲击铁砧7,冲击能量经铁砧—岩心管接头—岩心管等传至钻头,冲击之后,冲锤活塞在锤簧力作用下弹回;再次与活阀接触,完成一个冲击周期。
正作用冲击器结构简单,性能稳定,调试容易。但冲击器弹簧将抵消一部分高压液流产生的冲击力;弹簧在1500次/min或更高的工作频率下容易损坏。
(2)阀式反作用液动冲击器
如图4-12所示,阀式反作用液动冲击器工作原理是:高压液流进入冲击器,由于水路封闭,当冲锤活塞上下端压力差超过工作弹簧1的压缩力和冲锤活塞本身的质量时,迫使冲锤活塞上行并压缩工作弹簧储存能量;与此同时,铁砧4流向孔底的水路被打开,液压下降,冲锤活塞在惯性作用下继续上行;当上行到上死点时,冲锤活塞在自身重力和弹簧的作用下急速向下运动而冲击铁砧;同时,由于冲锤活塞与铁砧相接触而又封闭了液流通向孔底的通路,液压开始上升,当上升到一定值,再次作用于冲锤活塞,使其上行,开始第二个工作周期。
图4-11 阀式正作用液动冲击器原理图
1—外壳;2—活阀座垫圈;3—阀簧;4—活阀;5—冲锤活塞;6—锤簧;7—铁砧;8—缓冲垫圈;9—阀座
图4-12 阀式反作用液动冲击器原理图
1—工作弹簧;2—外壳;3—活塞冲锤;4—铁砧
该类冲击器的优点是对泥浆的适应性强,冲击器内部压力损失小,单次冲击功较大。主要缺点是需要刚度较大的弹簧,工作寿命只有40～100h。
(3)阀式双作用液动冲击器
如图4-13所示,该冲击器的工作原理是:当钻具到达孔底时,由于钻具自重,使活接头f被压紧到外套上的g处,这时工作腔d处的液流,分别作用在活阀2和塔形冲锤活塞6上,由于活阀上下端的压差,迫使活阀上移到最上位置;由于冲锤活塞上、下两端面积不同而产生的压力差,迫使其也向上移动;当冲锤活塞上行到与活阀接合时,通道d1被关闭,冲锤活塞与活阀便一起急速下行,当下行h时,活阀被支撑座4限位,冲锤活塞与活阀分离,借助惯性继续下行,下行到s时冲击砧子9。由于冲锤活塞中心通道被打开,液流又恢复循环,在液流压力作用下,活阀急剧上升,冲锤活塞也急剧上行,周而复始进行。
图4-13 阀式双作用液动冲击器工作原理
1—带孔的活阀座;2—活阀;3—外套;4—支撑座;5—导向密封件;6—塔形冲锤活塞;7—导向密封件;8—节流环;9—砧子
双作用液动冲击器的主要优点是液流能利用率较高;缺点是结构比较复杂,部分零件磨损较快。
(4)射流式液动冲击器
如图4-14所示,射流式液动冲击器工作原理是:水泵输出的高压水经射流元件①的喷嘴喷出,产生附壁作用。若先附壁于右侧,高压液流则经右输出通道C进入缸体②上部,推动活塞③下行。此时,与活塞连接的冲锤④冲击砧子⑤,将冲击能传给岩心管及钻头,完成一次冲击。在C输出高压水的同时,有一小股高压液流(称为反馈信号液流)进入D控制孔。在活塞行程末了时,反馈信号很强,促使射流由C切换到E输出,高压液流由左通道输出,进入下腔,推动活塞向上。当活塞上行时,反馈信号又回到F,射流又切换到右输出通道。如此反复实现冲锤的冲击动作。上下缸的回水通过C、E输出道而返回到放空孔,经水接头及砧子内孔道流入岩心管,直达孔底,冲洗孔底后返回地表。
图4-14 射流式液动冲击器工作原理
①射流元件;②钢体;③活塞;④冲锤;⑤砧子;⑥岩心管;⑦卡簧;⑧钻头;1—上接头;2—缸套外壳;3—打捞垫;4—弹簧挡圈;5—螺栓;6—“O”形密封圈;7—打捞螺纹;8—“O”形密封圈;9—射流元件;10—“O”形密封圈;11—缸体;12—活塞杆;13—弹簧挡圈;14—密封圈;15—支撑环;16—导向铜套;17—“O”形密封圈;18—压盖;19—支撑环;20—密封圈;21—铜垫;22—弹簧挡圈;23—接头;24—冲锤;25—外壳;26—砧子;27—六方套;28—接头;29—岩心管;30—卡簧座;31—卡簧;32—钻头;33—销钉
其主要特点是:无弹簧及配水活阀等零件,寿命较长;能量利用率较高;工作时不易产生堵水现象,能较好地预防烧钻头及憋泵等事故;钻进中产生的高压水锤波比阀式冲击器小,钻具工作较平稳,能减少泵、冲击器及高压管路的损坏。
(5)射吸式液动冲击器
该冲击器是利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反馈关系,通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换使冲锤反复运动。工作原理:静置状态时阀与冲锤均处于工作位置下限,如图4-15(a)所示,当喷嘴射出高速射流束时阀与锤活塞上腔压力低于下腔压力,压力差推动阀与冲锤迅速上升。由于阀的质量小,运动速度比冲锤快而先抵工作位置上限[图4-15(b)]。紧接着冲锤高速上升,当阀与冲锤上的锥面闭合时[图4-15(c)],液流通道陡然切断而发生水击。原处于低压状态的阀与活塞上腔顿时呈高压,下腔则由于液流的惯性,在与上腔发生水击的同时相应呈低压状态,使阀与冲锤受高压液流推动同步迅速下移[图4-15(d)]。阀抵工作位置上限后,高速运动的惯性使冲锤迅速向下运动冲击砧子,完成一个冲程。此时,阀与冲锤锥面已离开,阀与冲锤重新进入下一个循环的回程。如此反复循环,形成连续冲击。
图4-15 射吸式液动冲击器工作原理
(a)未送水时之起始状态;(b)送水时之起始状态;(c)举锤时的回程状态;(d)冲程开始
1—喷嘴;2—上腔;3—活塞;4—阀;5—冲锤;6—下腔;7—砧子;8—低压腔;9—高压腔;10—产生水击区;11—降压区
该型冲击器主要特点是:结构简单、零件少、无易损弹簧,因此工作寿命较长;输出输入技术参数范围较宽,能在高频状态下稳定冲击,耐背压特性好。
2.风动冲击器类型及工作原理
风动冲击器也称风动潜孔锤,以压缩空气作为工作介质。按风动冲击器的配气方式和结构特点,可以分为有阀冲击器和无阀冲击器两大类。地质岩心钻探多采用取心式风动冲击器。
有阀冲击器和无阀冲击器结构原理如图4-16、图4-17所示。风动冲击器取心钻具结构原理如图4-18所示。该钻具主要用于钻进微裂隙或轻度破碎地层。正常钻进时,轴压力、回转扭矩和冲击力经气动冲击器传递给接头、外岩心管、钻头破碎孔底岩石,此时内管不动;气动冲击器流出的压气经接头内孔、内外岩心管环隙、钻头气孔到达孔底,冷却钻头,携岩粉沿外环隙上返。取心时,缓慢上提钻具,滑套压缩弹簧,内岩心管、卡簧座部分下移坐落在钻头内台阶上,使外管承受较大的卡心力,便可卡断岩矿心。
图4-16 有阀风动冲击器结构原理图
1—接头;2—钢垫圈;3—调整圈;4—碟簧;5—节流塞;6—阀盖;7—阀片;8—阀座;8'—配气杆;9—活塞;10—外缸;11—内缸;12—衬套;13—柱销;14—弹簧;15—卡钎套;16—钢丝;17—圆键;18—保护罩;19—密封圈;20—止逆塞;21—弹簧;22—磨损片;23—钻头
图4-17 无阀风动冲击器结构原理图
1—上接头;2—密封圈;3—弹簧;4—逆止阀;5—密封垫圈;6—进气座;7—内缸;8—外缸;9—节流塞;10—冲锤;11—隔套;12—导向套;13—圆键;14—下接头;15—钻头
3.冲击回转钻进在深孔钻探及水井中的应用效果
我国冲击回转钻进技术日趋成熟,已在科学钻探、深孔岩心钻探及水井钻探中得到广泛应用,取得了良好效果。
(1)中国大陆科学钻探工程科钻一井(CCSD-1)
中国大陆科学钻探工程科钻一井施工中,采用螺杆马达加液动(阀式或射流式)潜孔锤进行冲击回转钻进取心,钻进口径Φ157mm,累计总进尺4043.25m,最深孔段达5129.33m,平均钻速1.13m/h,平均回次进尺6.34m,最长回次进尺9.5m,与单一螺杆马达取心钻进相比,机械钻速提高了59%(1.13m/h∶0.71m/h),回次进尺长度提高了178%(6.34∶2.28)。
图4-18 CX-120型风动冲击器取心钻具结构示意图
1—接头;2—柱齿合金;3—轴承;4—滑套;5—外岩心管;6—弹簧;7—内管接头;8—螺母;9—内岩心管;10—扶正环;11—卡簧座;12—卡簧;13—钻头
(2)中国铀矿第一科学深钻
北京中核大地矿业勘查开发有限公司施工的铀矿深钻设计孔深2500m,实际终孔孔深2818.88m,从孔深45.88～2818.88m采用Φ122mm口径绳索取心双作用液动潜孔锤进行冲击回转钻进,全孔平均岩心采取率达99%,平均钻速1.52m/h,平均回次进尺2.76m,与同地层中常规绳索取心钻进相比,机械钻速提高了83%(1.52m/h∶0.83m/h),回次进尺长度提高了38%(2.76m∶2.0m)。
(3)山东兖州颜店铁矿勘查
山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队在兖州颜店铁矿勘查的ZK001孔中钻遇两层特殊地层,一是以白云岩、云斑灰岩为主的破碎、裂隙溶洞发育、严重漏失地层;二是局部夹有石英脉的绿泥绢云千枚岩地层,岩石硬脆碎且产状陡,易孔斜。采用常规绳索取心钻进,出现时效低、回次短、钻头寿命低、孔斜强度大等问题,后从1121m～1648m终孔采用SYZX75绳索取心液动冲击回转钻进,时效提高了30%,回次进尺增加18%,钻头寿命增长15%～80%,孔斜强度由6.03°/100m降到1.75°/100m,回次满管率达95%,台月效率提高40%。
(4)在水井钻进中的应用
安徽省地矿局第一水文队工程勘察院在安徽泗县大庄镇和蚌埠市沫河口镇采用气动冲击回转技术施工了两口终孔口径Φ180mm的基岩供水井,井深分别为230.40m和280.00m。在同一地层同等口径情况下,用常规牙轮钻头回转钻进时,两口井的平均时效分别为1.40m/h和0.8m/h,而用气动冲击回转钻进平均时效分别为14.45m/h和12.50m/h,提高时效10～15倍之多,体现了气动冲击回转钻进在大直径钻探中的巨大优势。
4.冲击回转钻进技术要点
(1)选用冲击器(潜孔锤)的一般原则
1)大直径、浅孔、中深孔无岩心钻探及干旱缺水地区宜选用风动冲击器;
2)中深孔以上地质岩心钻探宜选用液动冲击器;
3)硬质合金及复合片钻进宜选低频高功率冲击器,金刚石钻进宜选高频低功率冲击器;
4)深孔小直径地质岩心钻探宜选用无簧阀式和射流式(或射吸式)冲击器。
(2)钻进设备的选择
1)液动冲击回转钻进可采用常规钻探设备。但要求泥浆泵有较宽的流量范围和大于10MPa的泵压,高压胶管、水龙头也要适应泵压要求。
2)气动冲击回转钻进应选择有20～60r/min低挡转速的立轴或转盘式钻机,主杆通孔要大,水龙头、高压管线及钻杆的耐高压性、密封性要好;空气压缩机排量及压力要满足钻进孔深、孔径要求;孔口要有除尘、防尘、消泡装置。
(3)对冲洗介质的要求
液动冲击回转钻进时,应根据地层特性、护壁要求尽量选择无固相或低固相泥浆以减少冲击器的磨损。要求泥浆含砂量低(≤0.1%),润滑性能和流变性能好。
气动冲击回转钻进可采用干空气、雾化气、泡沫、气水混合物等冲洗介质。由于干空气携带岩粉、冷却钻头、清洗孔底的作用相对较差,气体上返流速应达15～25m/s;雾化钻进时,为解决潮湿地层钻进中的泥包、泥堵和岩粉黏附孔壁等问题,气水体积应达2000/1～3000/1;泡沫钻进时,为稳定潮湿地层孔壁,增大携粉能力,应加0.3%～1.0%无污染发泡剂使气液体积比达200/1～300/1;含水地层中进行气水混合钻进时,为提高排屑能力,空气体积应占混合介质的80%。
(4)钻头的选择
根据岩石可钻性的不同,冲击回转钻进可选用硬质合金钻头、牙轮钻头、复合片钻头和金刚石钻头。要求钻头唇部水口、水槽过水断面大,以降低冲击器工作背压;钻头的抗冲击强度应大于冲击器输出的冲击力。
(二)孔底局部反循环钻进
孔底局部反循环钻进是借助喷反元件在岩心管内产生负压,改变孔底区域液流方向,提高破碎岩心采取率的工艺方法。分为单管反循环和双管反循环钻具。在非常破碎并夹有软、酥、散粉状碎屑,遇水易冲蚀的地层,选用单动双管喷反钻具;在节理、层理发育,裂隙的硬脆碎地层,对岩心扰动要求不严格情况下,选用单管喷反钻具。
1.单动双管喷反钻具
(1)钻具结构及工作原理
为满足深部找矿及工程地质勘察需要,安徽省地矿局313地质队设计了SX型(Φ77mm、Φ96mm、Φ110mm)系列射吸式孔底反循环单动双管钻具。钻具结构见图4-19所示。
图4-19 SX系列射吸式单动双管取心钻具结构示意图
1—外管接头;2—轴承上压盖;3—轴承外壳;4、5—密封圈;6—轴挡圈;7—上轴承;8—空心轴;9—下轴承;10—压盖衬套;11—轴承下压盖;12—调节锁母;13—上接头;14—射嘴;15—射吸器外壳;16—承射器;17—封头螺丝;18—下接头;19—内管;20—外管;21—弹簧舌片式取心器;22—内管短节;23—底喷钻头
在钻进过程中,SX钻具外管总成主要传递破碎岩石所需的轴压和回转扭矩;内管单动系统保证射吸器总成、内管总成在钻进过程中不转动,以保护岩心。该钻具与普通单动双管的主要区别是,在内管单动系统和内管上接头之间增设了射吸器总成,以实现双管孔底反循环(冷却钻头、悬浮与携带岩屑),以提高破碎松散岩心的采取率。
钻进作业时,泥浆沿钻杆柱进入SX钻具的射吸器锥形喷嘴,以高速射入扩散管。在高速射流作用下,喷嘴与扩散管组成的射吸器周围液体被射流带走一部分而形成负压区,促使孔底液体经岩心管被吸入扩散管中。高速液流与吸入的液流在混合室进行混合,混合液流经喉管到扩散室扩散后,再经出水孔排出。排出的泥浆一部分在剩余压力作用下,沿内外管间隙由底喷钻头或侧喷钻头水眼经钻具与孔壁间隙返至地面(形成正循环),而另一部分泥浆在负压作用下,吸入内管腔中形成孔底反循环,给内管中岩心产生一个上浮吸附力,以悬浮颗粒较大的岩屑和破碎岩心,使岩心之间不发生自磨,有效地提高岩心采取率。
该钻具适于硬、脆、碎及砂砾石地层的回转钻进和冲击回转钻进。在极破碎地层中应选用底喷式钻头,配合弹簧舌片式或钢丝束式取心器,见图4-20所示。
图4-20 底喷式钻头及配套取心器
(a)底喷式金刚石钻头;(b)底喷式复合片钻头;(c)弹簧舌片式取心器;(d)钢丝束式取心器
(2)应用效果
在安徽滁州琅琊山铜矿危机矿山深部找矿ZK03孔、霍邱重新集铁矿区ZK44孔和北京市平原新生界立体地质新5孔中的试验表明,SX型射吸式单动双管孔底局部反循环钻具解决了难取心孔段硬脆碎地层和卵砾石地层的取心问题。使用效果见表4-4,取出的岩心样见图4-21所示。
表4-4 SX型射吸式单动双管局部反循环钻进效果对比表
图4-21 反循环连续取心岩心样
2.单管喷反钻具
单管喷反钻具有弯管型(图4-22)和分水接头型(图4-23)两种结构。其中,分水接头型钻具的结构简单,便于加工和安装。
图4-22 弯管型喷射式孔底反循环单管钻具
1—导正管;2—喷嘴接头;3—喷嘴;4—扩散管;5—当水管;6—连接管;7—弯管;8—接箍;9—异径接头;10—岩心管;11—导正圈
图4-23 分水接头型喷射式孔底反循环单管钻具
1—导正管;2—喷嘴接头;3—喷嘴;4—扩散管;5—垫圈;6—连接管;7—分水接头;8—岩心管
(三)全孔反循环钻进
全孔反循环钻进取心也称为反循环连续取心,是一种不提钻,利用循环介质把岩心(或岩屑)经钻杆中心通道连续不断地输送到地表的取心方法。全孔反循环取心根据输送岩心(或岩屑)的原理不同可分为气举反循环、泵吸反循环、泵压反循环;根据反循环冲洗介质的不同可分为空气反循环,清水(泥浆)反循环;根据所排出的样品不同可分为反循环取心,反循环取屑。全孔反循环连续取心具有钻进效率高,岩心采取率高,有利于提高松散、破碎和孔壁怕冲刷地层的取心质量,孔底干净,易于穿过复杂地层,单位成本低等优点。
全孔反循环连续取心钻进的工作原理如图4-24所示。泥浆由泵6经专门水接头压送到双壁同心管柱的环状间隙中,在距孔底2～3cm处,经钻头1进入内管3。泥浆携带岩心和岩粉沿内管、水接头4上行到岩心导出胶管5,并和岩粉一起流到安装在集液箱8内的岩心回收槽7上。钻进过程中,在钻具内管下部装有岩心卡断器,当钻成的岩心达到一定长度时(约为直径的2倍),即被岩心卡断器卡断。这样,岩心就被成段地连续从孔底输送到地表。
图4-24 反循环连续取心钻进装置示意图
1—钻头;2—双臂钻柱外管;3—内管;4—侧入式水接头;5—导心胶管;6—泥浆泵;7—岩心回收槽;8—集液箱
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