环状间隙在固体矿床深部钻探钻孔中的应用研究

袁 明 文

（河南省有色金属地质矿产局第六地质大队 河南 洛阳 ４７１００２）

摘 要：研究在固体矿床深部钻探施工中，采用较先进的金刚石绳索取心钻探工艺，合理选择环状间隙的实际意义，进一步总结和推荐在绳索取心金刚石钻进管材系列与传统管材系列不配套情况下优选的钻孔结构，确保钻孔环状间隙合理，从而在利用现有配套泥浆泵情况下保证深孔正常钻进，提高钻进效率，减少事故，降低成本，提高效益。

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关键词 ：金刚石绳索取心工艺；环状间隙

中图分类号：TD822 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．01．０38

０ 引言

随着国民经济的发展，矿产资源经过多年来大规模强力开发，使得浅部矿床已基本开采殆尽，资源保有储量不足，保障能力下降。为增加矿产资源储量，增强矿产资源对国民经济和社会可持续发展的保障能力，提高矿产资源管理宏观调控水平，国土资源部及时提出了找矿新机制和“３５８”找矿目标。 “攻深找盲”就提到了一定高度。

浅部矿床地质钻探采用的手段基本是采用Φ５０钻杆加钻具的方法进行钻探和取岩心，不仅效率低，而且岩心采取率不能保证。随着深部找矿的工作逐渐开展，先进的钻探手段——金刚石绳索取芯得到运用。在绳索取心金刚石深部钻探施工中，因采用的钻探设备和工艺基本相同，所以在固体矿床深部钻探钻的施工中，常常不能正常钻进，提高效率，甚至常常有钻探事故的发生。经过不同矿区的施工钻探观察和分析，钻孔环状间隙的大小是绳索取心金刚石钻进中效率不能发挥和发生事故发生的一个重要的影响因素，因为传统钻探工艺中环状间隙偏小，运用到绳索取心金刚石钻进中直接导致孔内液流上返流速大，使得泵压不稳，孔内液流行程长，岩粉在行程过程中逐渐沉积造成泵压损耗大，造成泵压高，泥浆泵使用寿命缩短、孔壁失稳，导致卡钻、埋钻的发生，造成钻探成本增加，效益降低，因此环状间隙大小的研究也日益重要。

１ 环状间隙对深孔钻探中泥浆泵泵压的影响

中国地质大学（武汉）工程学院李粮纲和中国地质科学院勘探技术研究所朱永宜教授，运用数学、流体力学等理论， 结合绳索取心金刚石钻具钻进的特点，对孔内环空中冲洗液流动特性参数进行分析和计算，建立了相应的数理模型，为钻探钻进工艺的研究做了理论方面的探讨。认为：冲洗液在孔壁与钻杆外表形成的环形空间中的流动可分为层流和紊流两种流态。设钻杆外壁和孔壁的间隙中的某一环形微元， 其受力有：环形微元端面的压力ｐ和ｐ＋Δｐ，侧壁面的摩擦切应力Ｓ和Ｓ＋Δｓ，选定的有关参数有：钻孔直径（ｍ），孔深（ｍ），钻杆内外直径（ｍｍ／ｍｍ）。钻具钻进时，如果确定了冲洗介质和流量，则孔内压力损失可根椐计算来确定钻杆内沿程阻力损失和钻孔环空流动压力损失。

以常用的９６ｍｍ与７６ｍｍ口径系列，为方便计算，以深孔上部施工为条件，设孔深Ｌ＝６００ｍ，泥浆比重ｒ＝１ １００ｋｇ／ｍ３（１．１ｇ／ｃｍ３）， 泵量Ｑ＝０．００１ ４ｍ３／ｓ（８４ ｌ／ｍｉｎ）（７６ｍｍ口径时按Ｑ＝４０ ｌ／ｍｉｎ），Φ８９×５钻杆外径Ｄ＝０．０８９ｍ（或Φ７１×５钻杆外径为０．０７１ｍ）， 钻孔直径Ｄｈ＝０．０９８ｍ（或０．０９６ｍ，或０．０７８ｍ，或０．０７６ｍ）。引入平均流速Ｖ及压力损失Ｐ（按牛顿流体）计算公式：

Ｖ＝４Ｑ／３．１４１ ６（Ｄｈ２－Ｄ２）

Ｐ＝４８ＬηｅＶ／（Ｄｈ－Ｄ）２＋４　

式中：Ｖ——平均流速，ｍ／ｓ； Ｐ——压力损失，Ｐａ； Ｑ——泵量，ｍ３／ｓ；Ｄｈ ——钻孔直径，ｍ；Ｄ——钻杆外径，ｍ； ηｅ——泥浆塑性粘度，Ｎ．ｓ／ｍ２；Ｌ——钻孔深度，ｍ。

计算结果见表1。

从表1可看出，同等条件下，应用钻杆不同，成孔口径不同，钻孔环状空间不同时，钻杆内与钻孔环状空间的平均流速各不相同；环空压力损失在环状空间增大后，损失可降４８％~６０％。揭示了压送不通而蹩泵导致不能正常钻进的根本原因。

２ 绳索取心金刚石钻进孔壁外环状间隙和钻孔结构合理推荐

２．１ 绳索取心金刚石钻进孔壁外环状间隙合理推荐

地层较复杂的深孔绳索取心金刚石钻进，不同口径的钻进深度和换径次数要根据地层情况、钻探设备能力和综合经济效益来确定，终孔直径应结合地质要求和施工情况来确定。选择钻孔结构时要充分考虑粗颗粒岩粉的上排问题，也就是环状间隙大小的确定，确保深孔绳索取心金刚石钻正常进。岩层越软越碎的钻孔其钻孔结构不仅套管级差（环状间隙尽量大）要合理选择，钻头的外径也要加大——绳索取心金刚石钻进一般中硬岩层时，钻头外径比常规要加大２ｍｍ左右，钻进沉积岩地层时，钻头外径比常规加大３ｍｍ为宜。

２．２ 绳索取心金刚石钻进钻孔结构合理推荐

适应深孔绳索取心金刚石钻进， 相关专家建议的钻孔结构如表2：

ＤＺ／Ｔ０２２７－２０１０《地质岩心钻探规程》规定了钻孔公称口径系列见表3。

从表2可以看出，简单地层开孔口径Φ１２２ｍｍ，下Φ１１４ｍｍ孔口管，理论环状间隙为４ｍｍ，Φ１１４×６孔口管与Φ９６ｍｍ口径的环状间隙为３ｍｍ，Φ９６ｍｍ口径与Φ９１×４．５套管的环状间隙是２．５ｍｍ，与Φ８９×５钻杆的环状间隙是３．５ｍｍ，Φ９１×４．５套管与Φ７６ｍｍ口径钻头处间隙是３ｍｍ，与Φ７１×５钻杆的外环间隙是５．５ｍｍ。从表3看出Ｎ系列Φ７１×５钻杆与Φ８９×４．５套管之间环状间隙是匹配的，Φ８９×４．５套管采用内平连接，此时Φ７５ｍｍ钻头可加大到Φ７８ｍｍ，钻杆与钻孔环状间隙增加到３．５ｍｍ，泵压得到良好改善，保证了泥浆泵的适应孔深增加；Ｈ系列采用Φ９６钻头，Φ８９×５钻杆，Φ１０８×４．５套管内平连接时，Φ８９ｘ５钻杆与Φ１０８×４．５套管间隙在５ｍｍ，Φ９６钻头扩大受到限制，扩孔器加大到Φ９８ｍｍ后可能通不过Φ１０８×４．５套管。Ｈ系列中传统地质管材虽受到限制，但Ｈ系列很少作为终孔孔径，所以，传统地质管材在绳索取芯金刚石钻进中做钻孔结构级差套管使用。

从上述分析对比，专家推荐的钻孔结构比较合理，深孔绳索取心金刚石钻进应推广采用。但市场此种管材不普及和价格昂贵，成本高，如结合传统地质管材配套使用，因地层因素需要钻孔间隙不能太小，这就造成所用系列与传统管材的不匹配之处，从而限制了使用。为降低钻探成本，使得传统管材充分得到利用，结合传统管材的特点，把套管连接改传统内接箍为外接箍，以增大套管内通径，由此钻头外径可增大１～２ｍｍ，其钻孔外环状间隙调整为３．５ｍｍ左右，基本保证钻进过程中泵压不致太高，满足２ ０００ｍ以内孔深，可保证钻机原配套泥浆泵正常应用。

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