液动冲击回转钻探技术在实践中的应用效果分析

摘 要：本文探讨了分别在几种不同的坚硬地层中液动冲击回转钻探技术的应用效果。

关键词：液动冲击；回转钻探； 应用；分析

几年来，液动冲击回转钻探技术已经扩展到铁、锰、锡、铜、锡、铀、金、磷和石墨等金属，非金属矿种中使用， 液动冲击回转钻探技术的应用潜力很大。实践中，液动冲击回转钻进指标值有较大幅度的波动，某些岩层可以比回转钻进提高1～2倍，通常可提高10%～30%。值得注意的是某些回转钻进中的弱点，可以通过液动冲击回转予以弥补，甚至可以改善提高钻进性能。因此，如何进一步分析研究液动冲击回转钻探技术的规律性，开拓其技术应用途径，对做好钻探工作非常必要。

一、液动冲击回转钻探的应用效果

1、在致密坚硬的岩层中钻进，钻速提高最显著。金刚石回转钻进及绳索取心钻进，由于钻头壁厚，克取面积大，为了提高致密坚硬岩石的钻进效率，从改善钻头结构型式，金刚石级配合理选择，胎体硬度的调整等作了大量工作，并卓有成效。不过仍有较大的局限性，除钻头寿命低成本高外，在静压回转的情况下，许多学者认为是以研磨破碎岩石，压入微米几到几十微米也能引起岩石较大颗粒的破碎，特别是与结构粒度有关，从薄弱面崩解。而孕镶钻头，更多的人倾向于磨削理论的密实体一劈拉破岩理论，说明细粒岩粉是剪切力而大颗粒是拉应力的作用。这里值得指出的，对坚硬岩石达到体积破碎需要加载34.3～58.5kN，绝非岩心钻探设备所能承担。因此，只能在钻头锐利的情况下，实现研磨或磨削破碎岩石，液动冲击器回转钻进除轴压与回转之外，还要服从瞬时动载即以冲击波的形式破碎岩石。以SKZ-54冲击器为例，经标定单次冲击功为3-20J，冲击力为19.6～49KN，按直径56钻头的底面积可以达到1960―4900N/，超过轴载若干倍，即使在动硬度相应增高的情况下，静载及动载相结合的情况下，仍在产生体积破碎的有利条件下，使之形成压碎，压裂，剪拉崩裂等过程，钻进效率大幅度提高。在此破岩过程中，由于碎岩能量加大，产生颗粒较多较粗，对钻头胎体的磨损比回转钻进高。适度的胎体磨耗，反而提高了金刚石的自锐程度，实现“恒钻速”的程度也有所提高。在老洋汗摊矿区的石英钠长岩中，金刚石回转钻进平均时效为1.09m，冲击回转钻进平均时效为2.15m提高近一倍，某些局部孔段，回转钻速仅0.01～0.30m/h，冲击回转竟达到1.98m/h；复兴村原生磁铁矿区由小时效率0.59m提高到1.56m，提高1.6倍。

2、硬碎及层理，片理发育的地层在这类地层中钻进，岩心堵塞和管内破碎的情况，回转钻进时几乎无法避免，导致重复破碎，钻头内外缘过早磨损，往往在强制钻进中形成更重要的堵塞而被迫终止，回次进尺极低，即使是绳索取心回转钻进也难充分发挥其优越性。液动冲击回转钻进过程中，岩心管因受冲击所产生的5130m/S纵间传递的应力波拌随着高频弹性应变，对于挤夹岩心的摩擦力，在应力与摩擦力叠加的作用下，规律性地降低甚至消失，由于冲击应力波及应变的存在，岩心可以顺利进入岩心管。在垭口和盐边矿区的花岗岩，花岗片麻岩，千枚岩和炭质粉砂岩部分夹燧石的地层中，采用两种不同的钻进方法，其中回转钻进885m冲击回转钻进331m所获得的岩心对比。

通过白马钒钛磁铁矿区等六个矿区钻进结果表明，即使在较深的钻孔中冲击碎岩效果不十分有效的情况下，提高回次长度仍有明显。

3、在水平钻孔或微斜孔中钻进。水平钻进孔或微斜钻孔，今年来以广泛采用金刚石钻探技术。水平孔或微斜孔中钻柱水平放置，不仅增加了钻柱的回转阻力，从开孔到终孔，全钻杆柱始终处于承压状态，影响了钻柱稳定和钻机设备能力。由于重力作用，钻孔产生向下弯曲趋势。但使用液动冲击器时，液流工作压力除管道流阻外，冲击能量的利用并不受多大影响，液流背压始终很小，至于冲击器的运动过程，冲锤的运动方向与重力相垂直，加速阶段时间稍长，但回程时间很短，适当调整（加大）阀形成后，就可以 取得更良好的效果。由此，水平口中应用液动冲击器，破岩效果更好，对中深孔很有利。菜子地金矿区，在岩层倾角～可钻性Ⅵ～Ⅶ级岩石中完成6个水平孔，进尺1030m，最大孔深达396m，台月效率696m平均弯曲度为/100m，方位无偏差。

二、抑制易斜地层的弯曲强度的机理及实践

钻孔弯曲，除了人为因素外，主要受不同硬度岩层的交接层面、晶格排列、存在的薄弱面，结构的不均匀性和岩石本身的各项异性的影响，层面及晶格排列的薄弱面产生选择性破碎后倾向于方位的偏移，各向异性及软硬互层则导致顶角向垂直于层面弯曲。冲击破碎岩石所形成的破碎坑轮廓较为圆整，而回转钻进则呈明显的选择性破碎；虽然回转钻进对单粒金刚石加载于岩石也可视为瞬时加载，由于冲击破碎岩石的过程更为加速，体积效能较好，在中硬范围内的钻速，钻头每转进尺实际达到0.134～0.218mm，几乎达到了孕镶金刚石钻头的“满刃”钻进，降低了不同硬度值岩石之间的钻速差。此外，避免了岩心堵塞和重复破碎，减少超径现象，提高钻孔本身的导向性。上述作用都可以不同程度的抑制钻孔弯曲，如黑青矿区钻进8个钻孔，均为板岩。大理岩等互层节理发育的岩石，所施工的ZK32 ―2孔具有典型性。实践表明，在岩石性质相同时，金刚石液动冲击回转钻进有缓解钻孔弯曲强度的作用，但是有条件的，主要是：冲击破碎效果好；软硬层面的可钻性极差不能过大，特别是适用于4～8级的极差范围内。

三、复杂地层中应用液动冲击回转钻探的分析

一般认为冲击回转钻探只能用于清水或无粘土冲洗液护孔的钻孔。曾在某些矿区使用时，产生过堵卡冲击器的情况，如在某矿区铀矿中钻进，开始冲击器正常工作，但在若干次回次循环后，即发生堵卡；但在相同地层，同样泥浆性能，能顺利地应用冲击器扩孔较长孔段。在牛厂铁矿区，采用PHP为主的要添加剂及膨润土的低固相泥浆作冲洗液，泥浆钻度达24～30S，完成13个钻孔，进尺2588.89m，最大孔深（ZK202孔）为541m，除冲击器零部件损耗较大外，钻进效果良好，问题的关键是泥浆是非维护良好，保持“干净”状态。且近来无粘土泥浆的品种、性能都有提高，为复杂地层钻进创造了有利条件。

四、液动冲击回转钻探技术发展及其问题

回转钻探工艺仍然有很大的探讨空间。不断增加液动冲击回转技术设备的配套，弥补一些技术上的不足，对提高钻探效率和质量，是至关重要的。无需大量的更新设备、管材。

按钻头单位面积的单次冲击功计算，现有的冲击器有些已接近于低风压潜孔锤的冲击功，与之相比，中硬岩石的钻进速度，虽然达到11m/h，但潜力仍很大。开拓较大冲击功的水平钻孔冲击器，用以低转数小轴压的钻进较深的水平孔是很有前途的。扩大绳索取心液动冲击回转钻探的应用领域，对硬脆、坚硬地层尤为适宜。对于松软水蚀、坚硬互层、坚脆酥松地层取心问题，正从分水接头、金刚石钻头的结构型式等方面改进。

在复杂地层中钻进，泥浆护孔是必需的，高流变性能的冲洗液，非常适宜于液动冲击回转，但更重要的是观念的改变，低固相泥浆是可以用的，维护低固相性能是关键。