水力反循环工艺在井下钻探找矿中的应用与研究

水力反循环工艺在井下钻探找矿中的应用与研究

文忠云

云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南个旧 661021

【摘要】矿产资源是矿山持续发展的基础，钻探找矿在固体矿产勘查中占有举足轻重的地位，它是为达到地质找矿为目而设计，是探明矿产资源、估算矿产储量的重要依据，是进行矿产储量分析计算的第一手资料，能充分利用钻孔探明矿层、岩层情况，可以大幅度降低找矿成本，经济价值十分可观。全方位、全倾角的钻探施工尤为重要。

【关键词】钻探上钻施工；水力反循环工艺；应用情况；优劣对比；

1  前言

目前地下矿产资源开采使用钻孔探矿十分普遍，绳索取芯工艺施工已然“轻车熟路”，相对于地表钻探找矿，井下坑内钻探有许多优点，比如：靠近矿体位置，节约大量钻进围岩的成本；可以施工平、上、下、各种倾角的钻孔；有利于地表植被保护，保护生态环境；节约大量道路修建，搬迁，施工场地平整费等；较代表钻探可以缩短1-2个级配施工，节约成本。平钻和下斜钻施工已熟练使用绳索取芯工艺施工，正倾角上钻施工显得尤为棘手，坑内上钻施工一直成为钻探工程的“软肋”。

2  上钻施工现状及引进目的

2.1 此前施工上钻现状

随着地质找矿的需要，为了探明矿产赋存情况，全方位了解地质构造，在坑内施工全倾角钻孔方法急需解决，要求向上施工上钻工程逐步增多，此前施工向上钻进工艺是传统钻杆带动钻具钻进方式，施工倾角不能超过45度，孔深局限在100米以内，钻进方式每完成一个钻进回次，要把全部钻杆取出，取芯后再把全部钻杆重新连接上到钻孔里面开始下一回次钻进。施工中：一是容易发生跑管及断钻杆事故，对人员、设备安全威胁大；二是职工劳动强度大，工效低；三是取芯质量完整性不好；四是破碎复杂地层钻杆取出取芯后，再重复下入地层坍塌，下入困难，钻孔事故频繁。

2.2 引进新工艺的目的

要达到地质设计目的就必须拥有施工上钻的能力，引进新工艺的目的在于：1、解决上钻施工难题，达到全方位、全倾角施工目的；2、确保在施工中不发生跑管或者断钻等对人员设备的伤害事故；3、解决复杂地层施工中，因坍塌夹钻达不到地质设计目的问题；4提高钻探施工效率，降低职工劳动强度。

3  水力反循环上钻施工技术引进与优化

3.1 水力反循环上钻施工技术引进

上钻施工情况调查与分析及垂直上钻施工区域确定：经过调查发现，之前所使用的钻探找矿上钻钻进工艺，大部分依靠过去传统Φ50钻杆配Φ75普通合金双管钻具的钻进方式，这种施工工艺施工倾角不能超过45度，孔深在100米以内，钻进方式每完成一个回次钻进进尺，必须把全部钻杆取出，取芯后再把全部钻杆依次连接上到钻孔里面进行下一回次钻进。

水力反循环单管上钻施工技术，该工艺的工作原理是：

a、在孔口安装口径大于钻杆的钻井液密封送入装置；

b、高压泥浆泵通过钻杆与孔壁将钻井液送入孔底，达到冷却钻头以及排除岩粉的作用；

c、钻进采取的岩矿芯在利用自重和冲洗液的作用下通过钻杆内壁反出孔外；

d、使用岩芯收集装置收集孔内反出的岩芯，达到钻进取芯目的。此套设备工艺技术适用于较完整地层地区的上钻施工。

3.2 水力反循环上钻施工前期准备

水力反循环工艺通过现场调查、理论分析、风险评价、施工准备、试点实验、设备工艺优化、推广施工、总结与标准化等几方面来进行实施。

水力反循环工艺进行上钻施工前期准备：设备改造，工艺引进，人员培训，钻窝施工；在这一阶段我们首先对国产XY-44A型全液压钻机进行改进，在这期间引进水力反循环单管上钻施工工艺的原始备、器材等。

3.2.1 施工区域确定

设备工艺调查：现有上钻施工设备与工艺的现状、设备工艺与工效安全性的关系等；

上钻施工区域确定：根据前述施工区域地质构造、岩石力学条件合理选择施工区域和设计施工参数。

3.2.2 条件及设备准备工作

施工条件的准备：主要包括便于机器安装操作和施工现场的安全性钻窝施工，准确的施工点确认，关键技术的操作培训；

设备工艺的准备：主要包括液压钻机的改造、自重夹持器的安装、液压夹持器的改造、双壁钻杆钻杆、钻具，配套的金刚石钻头、扩孔器和水接头的引进、取芯工具的制作等。

3.2.3 标准化作业

①水力反循环工艺进行垂直上钻施工步骤确定；

②水力反循环工艺进行垂直上钻施工操作安全性确认与评估；

③保证水力反循环工艺，岩心直接从钻杆内管内靠自重或水压流出。

④保证施工至破碎带、氧化矿等层位时的岩矿心采取率，确保岩心层位清晰准确。

3.3 水力反循环上钻施工技术使用及优化

水力反循环单管上钻施工技术在使用前期，依旧存在一些问题：

孔口密封装置和孔壁在实际施工中存在泄漏钻井液问题，增加膨胀装置解决；

无收集岩心装置，将内管打孔放入钻杆内或使用专用堵头将岩芯收集在最后颗钻杆内；

密封盒里装普通的盘根磨损快，导致在钻探施工过程中，冲洗液从钻杆与密封盒的间隙漏出，严重时可导致孔内不返水，改用高耐磨性盘根。

4  研究成果与应用优劣对比

4.1 先进性比较

水力反循环上钻施工工艺与传统工艺先进性对比

a、解决了加钻杆不连接水接头问题，回次进尺1.5米，钻杆长度1.5米，能在目前钻探队百分之八十的设备上使用，同时能适应上钻全部倾角及方位施工。

b、水力反循环钻进钻杆采用φ75绳索取芯钻杆和双壁钻杆，钻杆直径大，强度好，施工中不存在由于钻杆受力不够发生断钻杆事故，不需要取钻杆就能取芯降低了跑钻杆事故风险。

c、解决了复杂地层坍塌后不能继续钻进问题，因为水力反循环钻进及取芯钻杆一直在钻孔内，起到保护钻孔护壁的作用。

4.2 工效对比

水力反循环钻进工艺施工每个回次的岩矿心自动从钻杆内孔流出，减少了上下钻杆取芯的辅助时间，解决了不需要每个回次取钻杆才能取芯问题，降低了职工劳动强度，提高了钻探工效。

据不完全统计2018年钻探队使用合金双管钻进施工40--50度以上的钻孔19个，平均施工工效为1.99米/工。

使用水力反循环（单、双）管上钻工艺，按照地质设计要求2019年钻探措施队共施工上钻工程195个，共计20569.8米，纯钻探工效为4.11米/工。在传统上钻施工工效上提高了一倍。其中45角度以上的高倾角钻孔160个，合计进尺16765.8米，施工最大倾角钻孔时+90度，最深孔深为151.01米。

4.3 质量对比

4.3.1 岩矿心采取率

过去钻探队使用的合金双管钻进岩矿心采取率在80-85%之间，而水力反循环工艺直接采用绳索取芯钻具直接进行钻进，所以采取岩矿心的采取率达到95%以上。

4.3.2 岩矿心完整

合金双管钻进采用合金钻头钻进，钻进方式为旋转切削导致岩矿心成片状，完整性差；而水力反循环工艺采用金刚石钻头钻进，一个金刚石钻头施工大理岩寿命在200米以上，同时金刚石钻进采用旋转磨削，岩矿心成柱状，完整性比传统工艺钻进好。

5  结语

此前上钻施工难度较大，工期较长，安全系数较低，岩矿芯采取质量差，自引进水力反循环工艺以来，从试用到熟练掌握的转变，水力反循环工艺挑起了上钻施工的大梁，降低安全风险，提高安全系数；降低上下大管频率和劳动强度，提高施工效率；提高了岩矿心采取质量；

但“金无足赤，人无完人”，水力反循环取芯工艺在施工到破碎复杂地层时，要采用停止或者减少送冲洗液量来确保破碎地层的岩、矿芯质量。遇到较大断层、破碎带，冲洗液不能送至钻孔孔底影响施工，可采用水泥注浆堵漏继续施工。同时，因钻杆自重、冲洗液自重加上钻孔施工阻力，施工深度也受设备因素的制约等。问题就是方向，进一步优化改进此工艺在钻探施工中的运用也有很大空间。