環(huán)狀鉆孔

環(huán)狀鉆孔引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源經(jīng)過(guò)多年來(lái)大規(guī)模強(qiáng)力開(kāi)發(fā)，使得淺部礦床已基本開(kāi)采殆盡，資源保有儲(chǔ)量不足，保障能力下降。

淺部礦床地質(zhì)鉆探采用的手段基本是采用Φ50鉆桿加鉆具的方法進(jìn)行鉆探和取巖心，不僅效率低，而且?guī)r心采取率不能保證。隨著深部找礦的工作逐漸開(kāi)展，先進(jìn)的鉆探手段———金剛石繩索取芯得到運(yùn)用。在繩索取心金剛石深部鉆探施工中，因采用的鉆探設(shè)備和工藝基本相同，所以在固體礦床深部鉆探鉆的施工中，常常不能正常鉆進(jìn)，提高效率，甚至常常有鉆探事故的發(fā)生。經(jīng)過(guò)不同礦區(qū)的施工鉆探觀察和分析，鉆孔環(huán)狀間隙的大小是繩索取心金剛石鉆進(jìn)中效率不能發(fā)揮和事故發(fā)生的一個(gè)重要的影響因素，因?yàn)閭鹘y(tǒng)鉆探工藝中環(huán)狀間隙偏小，運(yùn)用到繩索取心金剛石鉆進(jìn)中直接導(dǎo)致孔內(nèi)液流上返流速大，使得泵壓不穩(wěn)，孔內(nèi)液流行程長(zhǎng)，巖粉在行程過(guò)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(wěn)，導(dǎo)致卡鉆、埋鉆的發(fā)生，造成鉆探成本增加，效益降低，因此環(huán)狀間隙大小的研究也日益重要。

環(huán)狀鉆孔環(huán)狀間隙對(duì)深孔鉆探中泥漿泵泵壓的影響

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院李糧綱和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所朱永宜教授，運(yùn)用數(shù)學(xué)、流體力學(xué)等理論，結(jié)合繩索取心金剛石鉆具鉆進(jìn)的特點(diǎn)，對(duì)孔內(nèi)環(huán)空中沖洗液流動(dòng)特性參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，建立了相應(yīng)的數(shù)理模型，為鉆探鉆進(jìn)工藝的研究做了理論方面的探討。認(rèn)為：沖洗液在孔壁與鉆桿外表形成的環(huán)形空間中的流動(dòng)可分為層流和紊流兩種流態(tài)。

設(shè)鉆桿外壁和孔壁的間隙中的某一環(huán)形微元，其受力有：環(huán)形微元端面的壓力p和p Δp，側(cè)壁面的摩擦切應(yīng)力S和S Δs，選定的有關(guān)參數(shù)有：鉆孔直徑（m），孔深（m），鉆桿內(nèi)外直徑（mm/mm）。鉆具鉆進(jìn)時(shí)，如果確定了沖洗介質(zhì)和流量，則孔內(nèi)壓力損失可根椐計(jì)算來(lái)確定鉆桿內(nèi)沿程阻力損失和鉆孔環(huán)空流動(dòng)壓力損失。

以常用的96mm與76mm口徑系列，為方便計(jì)算，以深孔上部施工為條件，設(shè)孔深L=600m，泥漿比重r=1100kg/m³（1.1g/cm³），泵量Q=0.0014m³/s，Φ89×5鉆桿外徑D=0.089m （或Φ71×5鉆桿外徑為0.071m），鉆孔直徑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(jì)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———鉆孔直徑，m；D———鉆桿外徑，m； ηe———泥漿塑性粘度，N.s/m²；L———鉆孔深度，m。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可看出，同等條件下，應(yīng)用鉆桿不同，成孔口徑不同，鉆孔環(huán)狀空間不同時(shí)，鉆桿內(nèi)與鉆孔環(huán)狀空間的平均流速各不相同；環(huán)空壓力損失在環(huán)狀空間增大后，損失可降48%~60%。揭示了壓送不通而蹩泵導(dǎo)致不能正常鉆進(jìn)的根本原因。

環(huán)狀鉆孔孔壁外環(huán)狀間隙和鉆孔結(jié)構(gòu)合理推薦

1、繩索取心金剛石鉆進(jìn)孔壁外環(huán)狀間隙合理推薦

地層較復(fù)雜的深孔繩索取心金剛石鉆進(jìn)，不同口徑的鉆進(jìn)深度和換徑次數(shù)要根據(jù)地層情況、鉆探設(shè)備能力和綜合經(jīng)濟(jì)效益來(lái)確定，終孔直徑應(yīng)結(jié)合地質(zhì)要求和施工情況來(lái)確定。選擇鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)要充分考慮粗顆粒巖粉的上排問(wèn)題，也就是環(huán)狀間隙大小的確定，確保深孔繩索取心金剛石鉆正常進(jìn)。

巖層越軟越碎的鉆孔其鉆孔結(jié)構(gòu)不僅套管級(jí)差（環(huán)狀間隙盡量大）要合理選擇，鉆頭的外徑也要加大-——繩索取心金剛石鉆進(jìn)一般中硬巖層時(shí)，鉆頭外徑比常規(guī)要加大2mm左右，鉆進(jìn)沉積巖地層時(shí)，鉆頭外徑比常規(guī)加大3mm為宜。

2、繩索取心金剛石鉆進(jìn)鉆孔結(jié)合理推薦

適應(yīng)深孔繩索取心金剛石鉆進(jìn)，相關(guān)專(zhuān)家建議的鉆孔結(jié)構(gòu)如表2。

DZ/T0227－2010 《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》規(guī)定了鉆孔公稱(chēng)口徑系列見(jiàn)表3。

從表2可以看出，簡(jiǎn)單地層開(kāi)孔口徑Φ122mm，下Φ114mm孔口管，理論環(huán)狀間隙為4mm，Φ114×6孔口管與Φ96mm口徑的環(huán)狀間隙為3mm，Φ96mm口徑與Φ91×4.5套管的環(huán)狀間隙是2.5mm，與Φ89×5鉆桿的環(huán)狀間隙是3.5mm，Φ91×4.5套 管 與Φ76mm口徑鉆頭處間隙是3mm，與Φ71 ×5鉆桿的外環(huán)間隙是5.5mm。

從表3看出N系列Φ71×5鉆桿與Φ89×4.5套管之間環(huán)狀間隙是匹配的，Φ89 ×4.5套管采用內(nèi)平連接，此時(shí)Φ75mm鉆頭可加大到Φ78mm，鉆桿與鉆孔環(huán)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(yīng)孔深增加；H系列采用Φ96鉆頭，Φ89×5鉆桿，Φ108×4.5套管內(nèi)平連接時(shí)，Φ89x5鉆桿與Φ108×4.5套管間隙在5mm，Φ96鉆頭擴(kuò)大受到限制，擴(kuò)孔器加大到Φ98mm后可能通不過(guò)Φ108×4.5套管。H系列中傳統(tǒng)地質(zhì)管材雖受到限制，但H系列很少作為終孔孔徑，所以，傳統(tǒng)地質(zhì)管材在繩索取芯金剛石鉆進(jìn)中做鉆孔結(jié)構(gòu)級(jí)差套管使用。

從上述分析對(duì)比，專(zhuān)家推薦的鉆孔結(jié)構(gòu)比較合理，深孔繩索取心金剛石鉆進(jìn)應(yīng)推廣采用。但市場(chǎng)此種管材不普及和價(jià)格昂貴，成本高，如結(jié)合傳統(tǒng)地質(zhì)管材配套使用，因地層因素需要鉆孔間隙不能太小，這就造成所用系列與傳統(tǒng)管材的不匹配之處，從而限制了使用。

為降低鉆探成本，使得傳統(tǒng)管材充分得到利用，結(jié)合傳統(tǒng)管材的特點(diǎn)，把套管連接改傳統(tǒng)內(nèi)接箍為外接箍，以增大套管內(nèi)通徑，由此鉆頭外徑可增大1～2mm，其鉆孔外環(huán)狀間隙調(diào)整為3.5mm左右，基本保證鉆進(jìn)過(guò)程中泵壓不致太高，滿(mǎn)足2000m以?xún)?nèi)孔深，可保證鉆機(jī)原配套泥漿泵正常應(yīng)用。

環(huán)狀鉆孔結(jié)論

（1）繩索取心金剛石鉆探鉆孔外環(huán)間隙大小決定深孔施工成敗。深孔施工鉆孔結(jié)構(gòu)必須優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chuàng)新應(yīng)用傳統(tǒng)套管改為內(nèi)平連接，使用加大鉆頭，增加環(huán)狀間隙，可降低上返速度，降低環(huán)空壓力損失，從而增加泥漿泵適應(yīng)孔深。解決了鉆孔環(huán)狀間隙問(wèn)題，降低了成本，保證現(xiàn)有配套泥漿泵在1500～2000m孔深段能正常使用。

（2）該研究對(duì)深孔繩索取心金剛石施工具有借鑒意義。 2100433B

環(huán)狀斷層發(fā)育與拱隆作用、底辟作用有關(guān)，分布于穹窿、鹽丘、巖株或火山口邊緣。有些環(huán)狀斷層是隕石沖擊形成的；另一些環(huán)狀斷層則由旋卷構(gòu)造所產(chǎn)生；更有許多大小不等的環(huán)狀斷層的出現(xiàn)與熱點(diǎn)或高熱異常點(diǎn)有密切關(guān)系。

如圖《不同電流系統(tǒng)下圖解的地球磁層形狀》所示。

地球的環(huán)狀電流是負(fù)責(zé)保護(hù)地球低緯度磁層的電場(chǎng)，因此它在磁暴的電動(dòng)力學(xué)下有巨大的效應(yīng)。環(huán)狀電流系統(tǒng)包含距離3至5R_E的帶 ，躺在赤道平面附近并以順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)著（當(dāng)從北極方向觀看時(shí)）。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的微粒產(chǎn)生一個(gè)和地磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，因此一位地球上的觀測(cè)者會(huì)觀測(cè)到這個(gè)區(qū)域磁場(chǎng)的衰減。

環(huán)狀電流的能量主要是由離子來(lái)運(yùn)載，絕大多數(shù)都是質(zhì)子。然而，環(huán)狀電流內(nèi)也曾經(jīng)觀測(cè)到α質(zhì)點(diǎn)，一種在太陽(yáng)風(fēng)中含量豐富的離子。另外，一些百分比是氧離子（O），與在地球電離層中相似，但是能量更高。這些離子的混合表示環(huán)狀電流中的離子可能有一種以上的來(lái)源。環(huán)狀電流內(nèi)微粒的能量范圍從0.05 MeV 至 1 MeV。

環(huán)狀構(gòu)造不但成因多樣，各個(gè)地質(zhì)時(shí)代均可產(chǎn)生，而且規(guī)模大小懸殊，排列方式多變。在遙感地質(zhì)學(xué)中，環(huán)狀構(gòu)造具極重要的理論意義。在預(yù)測(cè)、尋找礦產(chǎn)和活動(dòng)構(gòu)造分析方面，它能提供豐富的深部地質(zhì)作用信息。