軟弱易沖蝕地層鉆探施工技術(shù)

錢書(shū)偉，張紹和，李 鋒，劉 杰

(1.北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京100012;2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

0 引言

在巖心鉆探中，經(jīng)常會(huì)遇到極破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層。這類地層巖石破碎、松軟，在進(jìn)入內(nèi)管前往往易被沖洗液沖蝕，進(jìn)入內(nèi)管后也常常因卡簧卡不牢在打撈時(shí)掉落造成空管。國(guó)內(nèi)鉆探工作者已經(jīng)對(duì)該類地層鉆探取心技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，如各種取樣器的研制，繩索取心鉆具的推廣，單管、單管噴反、雙管以及無(wú)泵鉆具的使用，都提高了巖心鉆探的取心質(zhì)量，但巖心采取率仍然不能令人滿意［1］。針對(duì)該問(wèn)題，本文以貴州道真新民鋁土礦礦區(qū)鉆探工作為例，討論了解決該類問(wèn)題的技術(shù)方法。

1 礦區(qū)情況

貴州道真新民鋁土礦礦區(qū)地層自上而下為灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、鋁土礦層。上覆灰?guī)r地層風(fēng)化強(qiáng)烈，并受擠壓后斷裂、裂隙和溶洞發(fā)育，巖石非常破碎，地層極不穩(wěn)定，鉆孔頻繁垮塌，容易發(fā)生卡鉆和埋鉆等孔內(nèi)事故，甚至經(jīng)常出現(xiàn)提鉆后“封門”現(xiàn)象。礦層頂板為炭質(zhì)泥巖，破碎，易垮塌，構(gòu)成對(duì)礦層巖心的嚴(yán)重污染。鋁土礦結(jié)構(gòu)疏松，硬度低，而且呈脆性，在鉆進(jìn)中容易被碾碎，遇水形成泥糊，從而被沖洗液沖蝕，導(dǎo)致取心困難［2］。

前期完成的13個(gè)鉆孔中，礦心采取率勉強(qiáng)滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的僅有50%，臺(tái)月效率不到100 m，鉆探直接成本超過(guò)了1000元/m。

針對(duì)鉆探工程中出現(xiàn)的諸多技術(shù)難題，我們開(kāi)展了“道真新民鋁土礦復(fù)雜地層綜合鉆探工藝研究”，采取各種施工方法，使用自行研制的繩索取心無(wú)泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝，取得了很好的效果。

2 鉆探技術(shù)措施

道真新民鋁土礦礦區(qū)鉆探施工存在3大問(wèn)題，即護(hù)壁困難、取心率低和礦心污染。因地層巖石破碎、軟弱，造成孔壁極不穩(wěn)定，提鉆后往往“封門”;另外由于巖石破碎、軟弱，巖心往往在進(jìn)入內(nèi)管前就被沖洗液沖蝕，進(jìn)入內(nèi)管的巖心也往往卡不牢，打撈巖心時(shí)在重力和內(nèi)管上部水壓的作用下脫落;該區(qū)的鋁土礦為土狀、灰白色，其上部是一層破碎的炭質(zhì)灰?guī)r，黑色，炭質(zhì)灰?guī)r坍塌后對(duì)礦心造成明顯污染，影響地質(zhì)編錄和評(píng)價(jià)［3］。

2.1 護(hù)壁技術(shù)

2.1.1 泥漿護(hù)壁

對(duì)于返水孔，采用泥漿護(hù)壁。為了提高護(hù)壁效果和鉆進(jìn)效率，泥漿中的固相含量盡量少，所以采用造漿性能好的膨潤(rùn)土，原漿的粘土含量控制在3%～5%。選擇中等分子量(300～500萬(wàn))的HPAM，既具護(hù)壁、提粘作用，又有選擇性絮凝作用;選用Na－CMC或水解聚丙烯腈降失水;同時(shí)加入少量天然植物膠和防塌劑。為了解決金剛石鉆進(jìn)中鉆具鉆頭的潤(rùn)滑問(wèn)題，在上述泥漿中加入0.5% ～1%的皂化油或潤(rùn)滑劑。

2.1.2 跟管鉆進(jìn)

有的孔孔壁極不穩(wěn)定，漏失嚴(yán)重，泥漿護(hù)壁失效，則采取跟管鉆進(jìn)工藝。每鉆進(jìn)2～5 m，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有坍塌跡象時(shí)，即將套管(或大一級(jí)的繩索鉆桿)跟到孔底，再繼續(xù)鉆進(jìn)。

2.1.3 水泥護(hù)壁

淺部地層可考慮套管護(hù)壁，但深部或受井徑限制的井段，必須進(jìn)行人工造壁，較為簡(jiǎn)單有效的護(hù)壁措施是灌注水泥漿液。水泥漿液凝固以后能形成較高強(qiáng)度的結(jié)石，與井壁具有良好的膠結(jié)性能，形成的新井壁具有一定的堅(jiān)固性和持久性。為減少待凝時(shí)間，漿液中加一定比例的速凝劑［4］。

2.2 取心技術(shù)

2.2.1 取心困難原因

(1)鋁土礦為土狀礦，軟弱，易被沖蝕。采用普通繩索取心鉆具取心，沖洗液出卡簧座下行時(shí)與進(jìn)入鉆頭的巖心相遇而把巖心沖蝕掉。

(2)因巖石破碎、軟弱，進(jìn)入內(nèi)管的巖心無(wú)法被卡簧卡住，打撈內(nèi)管時(shí)巖心在重力作用下掉落。

(3)礦層或破碎地層中，回次進(jìn)尺一般為0.5～1.0 m，而普通內(nèi)管長(zhǎng)度為3 m，內(nèi)管中巖礦心上部的水產(chǎn)生的壓力也會(huì)將巖心壓出內(nèi)管［5］。

2.2.2 取心措施

2.2.2.1 干燒

鉆進(jìn)時(shí)盡量減小水量，以減小沖洗液對(duì)巖心的沖蝕。取心前停水干鉆5 min，再打撈內(nèi)管。或干脆不送水全干鉆，為避免燒鉆，輕壓慢轉(zhuǎn)，隔幾分鐘提動(dòng)一下鉆具。

這種辦法比較老，在該礦區(qū)效果也不錯(cuò)，取心率可達(dá)到85%以上，但巖心的原生結(jié)構(gòu)被破壞了，地質(zhì)工作者對(duì)此不太滿意。

2.2.2.2 繩索取心無(wú)泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝

為提高巖心采取率，我們研制了繩索取心無(wú)泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合鉆具，用這種組合鉆具工藝鉆進(jìn)取得了很好的效果［6］。

如圖1所示，這種鉆具的內(nèi)管總成由繩索取心鉆具內(nèi)管總成除去內(nèi)管和卡簧座、卡簧，換接繩索取心無(wú)泵鉆具內(nèi)管及無(wú)泵接手，內(nèi)管由2節(jié)組成，下節(jié)1 m長(zhǎng)，上下兩節(jié)內(nèi)管由無(wú)泵接手連接，上下內(nèi)管加無(wú)泵接手總長(zhǎng)與普通繩索取心內(nèi)管長(zhǎng)度一樣，這樣，可在不提大鉆的前提下實(shí)現(xiàn)普通繩索取心鉆具和繩索取心無(wú)泵鉆具的互換;外管總成不變，只把普通鉆頭換成超前側(cè)噴鉆頭。

圖1 無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)圖

超前側(cè)噴鉆頭改變了沖洗液的流向，沖洗液從鉆頭側(cè)面噴出，保證了進(jìn)入鉆頭的巖礦心不被沖蝕;鉆頭超前部分罩住尚未進(jìn)入鉆頭的巖礦心，同時(shí)減弱了沖洗液的流速，有效地保護(hù)了鉆頭前部的巖礦石。

減短了內(nèi)管長(zhǎng)度，又用無(wú)泵接手隔離了上部的水，大大減小了巖礦心上部的水壓，能有效提高采取率。無(wú)泵接手使下內(nèi)管處于密封狀態(tài)，當(dāng)巖礦心下滑時(shí)上部即形成負(fù)壓對(duì)巖其產(chǎn)生吸力，阻止其下滑。

在破碎、軟弱地層中鉆進(jìn)取心，卡簧實(shí)際上已失去了作用。爪簧在巖心上行時(shí)張開(kāi)，下行時(shí)收攏，保證巖心只能進(jìn)不能出。

把無(wú)泵鉆具和繩索取心鉆具合二為一，既可提高巖礦心采取率，又可提高鉆進(jìn)效率，穩(wěn)定孔壁，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2.2.3 無(wú)泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具使用方法

(1)繩索取心無(wú)泵鉆進(jìn)。當(dāng)遇到極破碎、軟弱易沖蝕地層時(shí)，將內(nèi)管總成打撈上來(lái)，換成繩索取心無(wú)泵鉆具內(nèi)管總成(鉆頭可用普通繩索取心鉆頭)進(jìn)行無(wú)泵鉆進(jìn)。

無(wú)泵鉆進(jìn)不用水泵送水，通過(guò)鉆具上下串動(dòng)及無(wú)泵接手的作用在孔底形成局部反循環(huán)。無(wú)泵鉆進(jìn)的鉆進(jìn)參數(shù)是鉆壓、轉(zhuǎn)速、串動(dòng)頻率和串動(dòng)高度。鉆壓不宜過(guò)大，一般為2～4 kN，否則可能造成巖心堵塞或糊鉆。轉(zhuǎn)速也不宜過(guò)快，以便保護(hù)巖礦心，一般在100～200 r/min。串動(dòng)頻率一般為5～10次/min，串動(dòng)高度一般為15～20 cm，視孔底巖粉多少和孔壁穩(wěn)定程度而定。鉆進(jìn)過(guò)程中要不停地串動(dòng)鉆具，并且快提快落，以增強(qiáng)反循環(huán)的抽吸效果。鉆進(jìn)結(jié)束，用打撈器打撈內(nèi)管取心。

通過(guò)鉆具上下串動(dòng)形成孔底局部反循環(huán)，由于極破碎巖層中存在粒徑接近內(nèi)外管環(huán)狀間隙的細(xì)小顆粒，如果進(jìn)入內(nèi)外管間隙，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外管機(jī)械摩擦增大，甚至內(nèi)管完全卡死無(wú)法打撈。防堵錐網(wǎng)可以有效的隔離這些細(xì)小顆粒，把它們過(guò)濾在內(nèi)管之中，從而提高鉆具的壽命，防止卡內(nèi)管。

采用繩索取心無(wú)泵鉆進(jìn)能很好地保證取心率，不需提大鉆。但進(jìn)尺較慢且要求孔內(nèi)水位必須高于無(wú)泵接手1～3 m，否則無(wú)法形成孔底局部反循環(huán)。

(2)超前側(cè)噴鉆頭+繩索取心無(wú)泵鉆具鉆進(jìn)。當(dāng)遇到極破碎、軟弱易沖蝕地層時(shí)，普通繩索取心鉆進(jìn)因沖洗液對(duì)巖礦心的沖蝕大，巖礦心在進(jìn)入內(nèi)管前就被沖蝕，造成取心率低;繩索取心無(wú)泵鉆進(jìn)進(jìn)尺較慢，且孔內(nèi)水位太低時(shí)不能實(shí)施。在這種情況下，可用繩索取心無(wú)泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝，用正常的鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)。

用這種組合工藝技術(shù)滿足了在極破碎、軟弱地層中施工提高取心率的需要，在不需增加鉆探設(shè)備和實(shí)施繩索取心鉆進(jìn)工藝的前提下，采取率達(dá)到95%以上。

2.3 防止礦心污染的措施

該區(qū)的鋁土礦為土狀、灰白色，其上部是一層破碎的炭質(zhì)灰?guī)r，黑色。炭質(zhì)灰?guī)r坍塌后對(duì)礦層造成明顯污染，影響地質(zhì)編錄和評(píng)價(jià)。

為避免礦心污染，我們采取了以下措施。

2.3.1 孔底打撈巖礦心

進(jìn)入礦層后，加鉆桿和打撈巖心時(shí)都保持鉆頭不離開(kāi)孔底。只要鉆頭不離開(kāi)孔底，上部圍巖即使掉塊也進(jìn)不到礦心里面去，從而可保證礦心不被污染。有2個(gè)辦法可實(shí)現(xiàn)孔底加鉆桿和取心。

辦法一:用繩索取心鉆桿做主動(dòng)鉆桿，加鉆桿和打撈巖礦心時(shí)卸掉水接頭，從主動(dòng)鉆桿上部加鉆桿和下打撈器打撈。

辦法二:準(zhǔn)備2～4根1 m長(zhǎng)的短鉆桿，10個(gè)鉆桿公母接手，一個(gè)易反接手。一進(jìn)入礦層就將易反接手接到主動(dòng)鉆桿下面(礦層以上返出的沖洗液為黑色，一進(jìn)入礦層就變成乳白色)，以后通過(guò)短鉆桿、鉆桿接手、易反接手調(diào)節(jié)鉆桿長(zhǎng)度，保持主動(dòng)鉆桿不進(jìn)入地面以下，則鉆頭就可以不離開(kāi)孔底。

具體操作方法:剛進(jìn)入含礦層，即將主動(dòng)鉆桿提出地面，卸掉主動(dòng)鉆桿，加易反接手和短鉆桿、鉆桿接手，使主動(dòng)鉆桿處于最高位置，繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)主動(dòng)鉆桿到孔口后，卸掉主動(dòng)鉆桿，加3～4個(gè)鉆桿接手繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)易反接手以上的接手總長(zhǎng)超過(guò)1 m后，孔內(nèi)反出易反接手，卸下鉆桿接手，用1 m的短鉆桿替換鉆桿接手;當(dāng)易反接手以上的短鉆桿和接手總長(zhǎng)超過(guò)3 m后，孔內(nèi)反出易反接手，換3 m的鉆桿，易反接手接到新加的3 m長(zhǎng)鉆桿的上部。如此操作，直到打穿含礦層。

2.3.2 先護(hù)壁再鉆進(jìn)

施工到含礦層頂板后，提出鉆具，用套管或水泥保護(hù)好上部孔壁后再鉆進(jìn)含礦層。這樣，礦層上部的圍巖已保護(hù)好，不會(huì)產(chǎn)生掉塊污染下部的礦心。

3 結(jié)語(yǔ)

巖心鉆探中有很多的施工方法和工藝，每種方法都有其適應(yīng)范圍，沒(méi)有一種方法能適應(yīng)所有的地層，特殊地層應(yīng)用特殊的施工方法。

針對(duì)道真礦區(qū)的破碎、軟弱易沖蝕地層，我們采取以上施工方法取得明顯的效果，平均臺(tái)月效率從100 m提高到300多米，巖礦心采取率達(dá)85%以上，大大降低了鉆探成本。

［1］李世忠.鉆探工藝學(xué)(中冊(cè))［M］.北京:地質(zhì)出版社，1994.

［2］胡郁樂(lè)，張紹和.鉆探事故預(yù)防與處理知識(shí)問(wèn)答［M］.湖南長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2009.

［3］(91)中色地字第0831號(hào)，巖心鉆探技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］錢書(shū)偉，王如春.巖心鉆探水下灌注水泥方法探討［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(1):18－21.

［5］柯玉軍.嚴(yán)重漏失破碎地層鉆孔綜合施工方法及效果［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(10):34－38.

［6］張紹和，錢書(shū)偉，都志斌，等.一種適用于極破碎、軟弱地層的取心鉆具:中國(guó)，CN201220098821.X［P］.2012－10－24.