深部承壓含卵石流沙層的成孔方法的研究與實(shí)踐

湯 勇

(河北水文工程地質(zhì)勘察院，河北 石家莊 050021)

在深部找礦鉆探施工過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)流沙層，而且流沙層中含有卵石，給鉆探工作造成極大困難，處理不好可導(dǎo)致廢孔。如何解決此類(lèi)問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。本文通過(guò)某國(guó)內(nèi)金礦鉆探的一個(gè)工程實(shí)例，詳細(xì)地說(shuō)明了在深部地質(zhì)鉆探過(guò)程中遇承壓流沙層如何成孔的方法，為類(lèi)似工程提供了可以參考的思路及方法。

所謂承壓流沙層(作者定義)，就是在承壓水的作用下，使原有的流沙表現(xiàn)出具有一定的承壓性。該流沙層的特點(diǎn)是流動(dòng)性快，在鉆進(jìn)過(guò)程中一旦被鉆穿，流沙就會(huì)延鉆孔迅速上返。上返的速度和高度，視承壓力的大小而各不相同，承壓力越大，上返速度越快，上升高度越高；反之，承壓力越小，上返速度越慢，上升高度越低。

1 工程概況及鉆探施工過(guò)程

本項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古，在烏拉山金礦區(qū)鉆探過(guò)程中，多個(gè)鉆孔出現(xiàn)了承壓流沙層，而且流沙層中含有卵石。該層大都出現(xiàn)在含金石英脈頂板以上約10～20m位置的破碎帶中，厚度在1.8～3.6m之間，承壓性的大小差別很大，一般流沙的上返高度在1～3m。目前，發(fā)現(xiàn)在268#脈ZK32-1鉆孔中，該層承壓最大，出現(xiàn)了嚴(yán)重的井噴現(xiàn)象。這種承壓流沙層，也是造成該礦區(qū)在鉆探施工中出現(xiàn)廢孔最多的主要原因。

在該地層中鉆進(jìn)，如使用好沖洗液是能夠迅速鉆穿的，但在此層內(nèi)若停泵采芯，鉆具會(huì)被突然“抱死”造成埋鉆事故。一旦被埋，處理事故相當(dāng)困難，該孔十有八九就得宣布報(bào)廢。

由于目前在金礦鉆探施工中，為確保取芯質(zhì)量，大都使用的是繩索取芯鉆具。這種鉆具在承壓流沙層鉆進(jìn)取芯時(shí)，鉆具一般都要提離孔底，在承壓較小時(shí)，內(nèi)管提出過(guò)程中，由于抽吸作用，在加上流沙的承壓性，使鉆具外管內(nèi)立刻充滿(mǎn)流沙，使內(nèi)管再也無(wú)法投至孔底；在承壓較強(qiáng)時(shí)，即便鉆具提離了孔底，由于流沙上返速度極快，在停泵欲提內(nèi)管的過(guò)程中，內(nèi)外管環(huán)狀間隙已經(jīng)充滿(mǎn)了流沙，是內(nèi)外管同時(shí)被埋死，有時(shí)鉆具能夠被強(qiáng)行拔出，但在重新下鉆時(shí)，鉆孔變淺，還要重復(fù)鉆進(jìn)，以至來(lái)來(lái)往往、反復(fù)無(wú)窮，耽誤工期而且沒(méi)有進(jìn)尺。

對(duì)付承壓流沙層，最初我們?cè)谀酀{上狠下了一番功夫，結(jié)果無(wú)濟(jì)于事；后來(lái)，在鉆過(guò)流沙層后，試圖把已配好的水泥漿用泵送入孔底進(jìn)行封堵，實(shí)驗(yàn)多次均未成功。我們分析：這可能是由于承壓作用，水泥漿無(wú)法進(jìn)入流沙的縫隙中，或因承壓水的作用把水泥漿稀釋或者沖走。而后，我們就想用跟管鉆進(jìn)的辦法擋住流沙，在該礦區(qū)，由于流沙層分布一般位于鉆孔深度的180～250m之間。再加上金礦床是在構(gòu)造破碎帶內(nèi)成礦，通天套管下至流沙層頂部，整個(gè)套管回轉(zhuǎn)阻力相當(dāng)大，加之流沙層承壓，即使強(qiáng)扭硬壓套管也往往會(huì)在破碎帶內(nèi)被卡死或在流沙層中被抱死，以至流沙未能擋住，套管卻難以拔出。最后，實(shí)在沒(méi)有辦法之下，我們請(qǐng)來(lái)有關(guān)專(zhuān)家，一起進(jìn)行仔細(xì)分析。我們發(fā)現(xiàn)，要想通過(guò)承壓流沙層，在鉆進(jìn)過(guò)程中，第一泥漿泵不停，沖洗液不能停止循環(huán)；第二，中途不能加桿，只能一次性到底；第三，流沙層內(nèi)含有一定量的角礫，必須加壓掃孔才能到底。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)流沙層不算太厚，一般在1.8～3.6m之間。

鉆孔地層柱狀示意圖如圖1所示。

圖1 鉆孔地層柱狀示意圖

2 解決思路與具體方法

通過(guò)上述分析，我們就開(kāi)始想在滿(mǎn)足這些條件下，若能下入套管，流沙層是可以封住的。為此，我們進(jìn)行了反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，具體操作過(guò)程如下：

1)鉆至流沙層，換單管鉆具，一次性穿過(guò)流沙層底板0.8～1.0m，上鉆。

2)根據(jù)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的鉆機(jī)和鉆塔的情況，一次性加桿最長(zhǎng)不能超過(guò)5.5m。為此，我們就取一根作套管用的巖芯管，長(zhǎng)度要求比實(shí)際流沙層的厚度長(zhǎng)出2.0m，目的是讓套管下入后，上下各超出流沙層底板1.0m左右。這根巖芯管要求上端與巖芯管接頭連接處做一個(gè)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)(我們采用的是用車(chē)床加工一個(gè)寬3mm，深2.5mm的溝槽)。對(duì)這一點(diǎn)的要求，是在鉆穿流沙層的過(guò)程中，既能承受一定的壓力和掃孔時(shí)的扭矩，又能在該巖芯管(套管)一旦被流沙抱死，從此處能夠扭斷或拔斷，從而與鉆桿分離；下端連接一個(gè)只有外出刃而沒(méi)有內(nèi)出刃的金剛石鉆頭(需要從廠家定做)，以便下管后，小一級(jí)口徑的鉆頭和擴(kuò)孔器能夠從中間順利通過(guò)，進(jìn)行下一步鉆進(jìn)。

鉆孔地層柱狀示意圖如圖2所示。

圖2 巖芯管制作示意圖

3)配鉆具，下鉆至流沙層頂部。注意：鉆具切不可扎入流沙層中，否則，沖洗液就不能送入孔內(nèi)，還需再次上鉆。這時(shí)，盡可能多地使孔內(nèi)鉆桿高出孔口，然后合車(chē)，開(kāi)泵。輕壓慢轉(zhuǎn)掃至孔底。停泵，充當(dāng)套管用的巖芯管很快被流沙抱死，強(qiáng)力扭拉使巖芯管從強(qiáng)度薄弱處斷開(kāi)，上鉆。然后下小一級(jí)口徑的鉆具沖孔，鉆進(jìn)即可。

3 效果分析

用下暗管的方法，2008～2009年在烏拉山金礦區(qū)鉆探施工過(guò)程中，凡遇承壓流沙層的幾個(gè)鉆孔均獲成功。但這種方法也有其一定的局限性，一是在制作巖芯管(套管)的強(qiáng)度薄弱點(diǎn)的把握上，要求有一定的經(jīng)驗(yàn)性；二是暗管下入的長(zhǎng)度受一次性最大加桿長(zhǎng)度所限制，暗管的直徑受鉆孔的終孔直徑限制。

4 結(jié)論與建議

在鉆探施工中，對(duì)如何穿越深部承壓流沙層的方法，還需要做更多的嘗試。也許還有更穩(wěn)妥的方法，比如用低壓旋噴水泥或使用化學(xué)膠液，也可以作進(jìn)一步的實(shí)踐工作。

[1] DZT 0017-1991.工程地質(zhì)鉆探規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[2] DZ/T 0227-2010.地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.