環狀鑽孔

隨着國民經濟的發展，礦產資源經過多年來大規模強力開發，使得淺部礦牀已基本開採殆盡，資源保有儲量不足，保障能力下降。

淺部礦牀地質鑽探採用的手段基本是採用Φ50鑽桿加鑽具的方法進行鑽探和取岩心，不僅效率低，而且岩心採取率不能保證。隨着深部找礦的工作逐漸開展，先進的鑽探手段———金剛石繩索取芯得到運用。在繩索取心金剛石深部鑽探施工中，因採用的鑽探設備和工藝基本相同，所以在固體礦牀深部鑽探鑽的施工中，常常不能正常鑽進，提高效率，甚至常常有鑽探事故的發生。經過不同礦區的施工鑽探觀察和分析，鑽孔環狀間隙的大小是繩索取心金剛石鑽進中效率不能發揮和事故發生的一個重要的影響因素，因為傳統鑽探工藝中環狀間隙偏小，運用到繩索取心金剛石鑽進中直接導致孔內液流上返流速大，使得泵壓不穩，孔內液流行程長，巖粉在行程過程中逐漸沉積造成泵壓損耗大，造成泵壓高，泥漿泵使用壽命縮短、孔壁失穩，導致卡鑽、埋鑽的發生，造成鑽探成本增加，效益降低，因此環狀間隙大小的研究也日益重要。 ^[1] 

中國地質大學（武漢）工程學院李糧綱和中國地質科學院勘探技術研究所朱永宜教授，運用數學、流體力學等理論，結合繩索取心金剛石鑽具鑽進的特點，對孔內環空中沖洗液流動特性參數進行分析和計算，建立了相應的數理模型，為鑽探鑽進工藝的研究做了理論方面的探討。認為：沖洗液在孔壁與鑽桿外表形成的環形空間中的流動可分為層流和紊流兩種流態。

設鑽桿外壁和孔壁的間隙中的某一環形微元，其受力有：環形微元端面的壓力p和p+Δp，側壁面的摩擦切應力S和S+Δs，選定的有關參數有：鑽孔直徑（m），孔深（m），鑽桿內外直徑（mm/mm）。鑽具鑽進時，如果確定了沖洗介質和流量，則孔內壓力損失可根椐計算來確定鑽桿內沿程阻力損失和鑽孔環空流動壓力損失。

以常用的96mm與76mm口徑系列，為方便計算，以深孔上部施工為條件，設孔深L=600m，泥漿比重r=1100kg/m³（1.1g/cm³），泵量Q=0.0014m³/s，Φ89×5鑽桿外徑D=0.089m （或Φ71×5鑽桿外徑為0.071m），鑽孔直徑Dh=0.098m （或0.096m，或0.078m，或0.076m）。

引入平均流速V及壓力損失P（按牛頓流體）計算公式：

V=4Q/3.1416（Dh²－D²）

P=48LηeV/（Dh－D）²+4

式中：V———平 均流速，m/s；P———壓力損失，Pa；Q———泵 量，m³/s；Dh———鑽孔直徑，m；D———鑽桿外徑，m； ηe———泥漿塑性粘度，N.s/m²；L———鑽孔深度，m。

計算結果見表1。

從表1可看出，同等條件下，應用鑽桿不同，成孔口徑不同，鑽孔環狀空間不同時，鑽桿內與鑽孔環狀空間的平均流速各不相同；環空壓力損失在環狀空間增大後，損失可降48%~60%。揭示了壓送不通而蹩泵導致不能正常鑽進的根本原因。 ^[1] 

1、繩索取心金剛石鑽進孔壁外環狀間隙合理推薦

地層較複雜的深孔繩索取心金剛石鑽進，不同口徑的鑽進深度和換徑次數要根據地層情況、鑽探設備能力和綜合經濟效益來確定，終孔直徑應結合地質要求和施工情況來確定。選擇鑽孔結構時要充分考慮粗顆粒巖粉的上排問題，也就是環狀間隙大小的確定，確保深孔繩索取心金剛石鑽正常進。

岩層越軟越碎的鑽孔其鑽孔結構不僅套管級差（環狀間隙儘量大）要合理選擇，鑽頭的外徑也要加大-——繩索取心金剛石鑽進一般中硬岩層時，鑽頭外徑比常規要加大2mm左右，鑽進沉積岩地層時，鑽頭外徑比常規加大3mm為宜。

2、繩索取心金剛石鑽進鑽孔結合理推薦

適應深孔繩索取心金剛石鑽進，相關專家建議的鑽孔結構如表2。

DZ/T0227－2010 《地質岩心鑽探規程》規定了鑽孔公稱口徑系列見表3。

從表2可以看出，簡單地層開孔口徑Φ122mm，下Φ114mm孔口管，理論環狀間隙為4mm，Φ114×6孔口管與Φ96mm口徑的環狀間隙為3mm，Φ96mm口徑與Φ91×4.5套管的環狀間隙是2.5mm，與Φ89×5鑽桿的環狀間隙是3.5mm，Φ91×4.5套 管 與Φ76mm口徑鑽頭處間隙是3mm，與Φ71 ×5鑽桿的外環間隙是5.5mm。

從表3看出N系列Φ71×5鑽桿與Φ89×4.5套管之間環狀間隙是匹配的，Φ89 ×4.5套管採用內平連接，此時Φ75mm鑽頭可加大到Φ78mm，鑽桿與鑽孔環狀間隙增加到3.5mm，泵壓得到良好改善，保證了泥漿泵的適應孔深增加；H系列採用Φ96鑽頭，Φ89×5鑽桿，Φ108×4.5套管內平連接時，Φ89x5鑽桿與Φ108×4.5套管間隙在5mm，Φ96鑽頭擴大受到限制，擴孔器加大到Φ98mm後可能通不過Φ108×4.5套管。H系列中傳統地質管材雖受到限制，但H系列很少作為終孔孔徑，所以，傳統地質管材在繩索取芯金剛石鑽進中做鑽孔結構級差套管使用。

從上述分析對比，專家推薦的鑽孔結構比較合理，深孔繩索取心金剛石鑽進應推廣採用。但市場此種管材不普及和價格昂貴，成本高，如結合傳統地質管材配套使用，因地層因素需要鑽孔間隙不能太小，這就造成所用系列與傳統管材的不匹配之處，從而限制了使用。

為降低鑽探成本，使得傳統管材充分得到利用，結合傳統管材的特點，把套管連接改傳統內接箍為外接箍，以增大套管內通徑，由此鑽頭外徑可增大1～2mm，其鑽孔外環狀間隙調整為3.5mm左右，基本保證鑽進過程中泵壓不致太高，滿足2000m以內孔深，可保證鑽機原配套泥漿泵正常應用。 ^[1] 

（1）繩索取心金剛石鑽探鑽孔外環間隙大小決定深孔施工成敗。深孔施工鑽孔結構必須優化設計，使用新系列口徑與新套管系列比較合理，但成本較高，目前情況下，創新應用傳統套管改為內平連接，使用加大鑽頭，增加環狀間隙，可降低上返速度，降低環空壓力損失，從而增加泥漿泵適應孔深。解決了鑽孔環狀間隙問題，降低了成本，保證現有配套泥漿泵在1500～2000m孔深段能正常使用。

（2）該研究對深孔繩索取心金剛石施工具有借鑑意義。 ^[1]