小直徑特深孔繩索取心口徑系列及鉆柱方案

孫建華，陳師遜，劉秀美，梁 健

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000;2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺264004)

0 引言

近年來，為實(shí)施礦產(chǎn)資源勘查“攻深找盲”和“探尋第二找礦空間”戰(zhàn)略，國土資源行業(yè)和多個工業(yè)部門先后設(shè)計(jì)和施工了一批深度3000 m左右，甚至是超過4000 m的地質(zhì)巖心鉆孔;同時，為了開展深部地球科學(xué)研究，相繼啟動了各類科學(xué)鉆探計(jì)劃，如地球深部探測計(jì)劃、汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程等。山東萊州“中國巖金第一鉆”于2013年6月順利完工，孔深達(dá)4006.17 m，創(chuàng)我國小口徑巖心鉆探深度紀(jì)錄。

根據(jù)地質(zhì)巖心鉆探現(xiàn)實(shí)要求和未來發(fā)展需要，擬通過優(yōu)化環(huán)空水力通道、確定鉆柱合理口徑系列、攻克合金鋼管材服役極限、提高鉆柱強(qiáng)度和密封性能等關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)適于特深孔應(yīng)用的小直徑、新規(guī)格、新系列繩索取心鉆桿。小直徑特深孔(3000～5000 m)繩索取心口徑系列和鉆柱方案的調(diào)研及論證工作是一項(xiàng)重要的前期工作。從2012年下半年開始，筆者分赴國內(nèi)主要深孔巖心鉆探工地進(jìn)行調(diào)研，并在2012年10月15日、2013年6月23日2次邀請科研機(jī)構(gòu)、高等院校、鉆具制造、無縫鋼管制造企業(yè)和地勘單位的技術(shù)專家在京進(jìn)行專題論證。與會專家普遍認(rèn)為，目前開展小直徑特深孔繩索取心口徑系列和鉆柱方案的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義;分析特深孔鉆探工程技術(shù)特性及鉆探裝備特殊要求，制定科學(xué)的技術(shù)路線，確定關(guān)鍵問題的解決途徑是首先應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)工作。應(yīng)通過頂層設(shè)計(jì)和實(shí)踐驗(yàn)證，逐步創(chuàng)立適合我國技術(shù)特點(diǎn)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小直徑特深孔繩索取心鉆進(jìn)合理口徑系列和鉆柱方案。

1 小直徑特深孔繩索取心鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)

小直徑特深孔繩索取心鉆進(jìn)工藝有其自身特點(diǎn)，與石油深井、深部科學(xué)鉆探相比，主要區(qū)別如下:

(1)石油天然氣深井、深部科學(xué)鉆井采用大井眼和提鉆取心工藝，深井常采取頂驅(qū)加孔底動力的復(fù)合鉆進(jìn);特深孔地質(zhì)巖心鉆進(jìn)以火山巖和變質(zhì)巖居多，地層堅(jiān)硬，以金剛石繩索取心鉆進(jìn)為主，工藝特點(diǎn)為小直徑鉆孔、小口徑鉆柱。

(2)繩索取心為“滿眼”鉆進(jìn)，鉆柱回轉(zhuǎn)速度相對較高，且與孔壁巖石直接接觸，磨損較為嚴(yán)重。另外，繩索取心鉆柱通常由動力頭或頂驅(qū)裝置驅(qū)動，孔底動力(液動錘為主)僅起輔助碎巖作用。因此特深孔繩索取心鉆柱的工況更加復(fù)雜，失效(破壞)形式多樣。與石油鉆桿相比，繩索取心鉆桿孔內(nèi)的失效機(jī)理亦有較大不同，在優(yōu)化路線、設(shè)計(jì)思想、計(jì)算方法等方面差異明顯，特深孔繩索取心鉆柱在研發(fā)和應(yīng)用中面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

(3)特深孔繩索取心鉆進(jìn)對鉆具的可靠性要求更加嚴(yán)格，尤其是對投放和打撈的要求。另外，液動錘繩索取心鉆具、螺桿鉆繩索取心鉆具是具有中國特色的地質(zhì)巖心鉆探新技術(shù)，需要探索高地溫、大應(yīng)力環(huán)境下的可靠應(yīng)用技術(shù)問題。

(4)為適應(yīng)特深孔地質(zhì)巖心鉆探工藝特點(diǎn)和特殊鉆孔結(jié)構(gòu)要求，保護(hù)相對脆弱的薄壁繩索取心鉆桿，要求特深孔巖心鉆機(jī)應(yīng)具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)速相對較高、送鉆控制(鉆壓和扭矩)精度要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。在電液單元模塊工況特性需求、鉆探檢測指標(biāo)項(xiàng)目和精度要求、防斜設(shè)備控制模式、鉆柱提升和擰卸方式、遷移安裝等方面與石油天然氣鉆井、科學(xué)鉆探設(shè)備亦有所不同。

因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等多方面論證，小直徑特深孔巖心鉆探不宜使用現(xiàn)有的石油天然氣鉆井、科學(xué)鉆探裝備。同時，與大直徑厚壁鉆柱體系不同，小直徑特深孔繩索取心鉆柱的服役工況更加復(fù)雜?，F(xiàn)階段有必要研發(fā)深度3000～5000 m的地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)裝備，包括特深孔應(yīng)用的繩索取心鉆具系統(tǒng)。

2 繩索取心鉆桿的使用情況調(diào)研和失效形式

現(xiàn)行巖心鉆探口徑系列主要適用于3000 m以淺鉆孔。在孔深＞3000 m的特深孔施工中，加強(qiáng)型繩索取心鉆柱不同程度地存在著螺紋副接頭疲勞強(qiáng)度低、使用壽命短，口徑系列不匹配，沖洗液環(huán)空阻力損失偏大，易發(fā)生鉆孔漏失和孔壁不穩(wěn)定等技術(shù)問題。

使用中的繩索取心鉆桿的主要失效形式如圖1所示。

圖1 繩索取心鉆桿的主要失效形式

在加強(qiáng)型高鋼級繩索取心鉆桿制造環(huán)節(jié)，由于合金管材鐓粗時其表面溫度較高，在模具老化、磨損嚴(yán)重、加工中心偏離較大、管材壁厚受力不均勻等因素的作用下，極易產(chǎn)生鋼管缺陷。這種隱患，尤其是微小的橫向裂縫，可對特深孔鉆探安全造成極大危害。鋼管裂口現(xiàn)象見圖2。

圖2 鉆桿制造環(huán)節(jié)的鉆桿桿體損傷(裂縫)

經(jīng)過廣泛調(diào)研和咨詢意見，認(rèn)為應(yīng)以支撐深部固體礦產(chǎn)勘查和地質(zhì)科學(xué)研究為目的，主要以特深孔鉆探安全、高效為目標(biāo)，針對繩索取心口徑系列不匹配、沖洗液環(huán)空阻力損失大、鉆桿接頭螺紋疲勞強(qiáng)度低等技術(shù)問題，重新優(yōu)化特深孔繩索取心口徑系列與鉆柱方案。

3 特深孔繩索取心鉆進(jìn)口徑系列的確定

根據(jù)國內(nèi)主要深孔巖心鉆探工地調(diào)研和2次專題咨詢論證會專家意見，整理并提出了3000～5000 m特深孔繩索取心鉆進(jìn)口徑系列配套建議，見表1。

在3000～5000 m特深孔繩索取心鉆進(jìn)口徑系列配套方案研究中，考慮了繩索取心鉆進(jìn)工藝、特深孔施工管理及生產(chǎn)制造等多方面因素，并基本形成以下認(rèn)識。

表1 3000～5000 m特深孔繩索取心鉆進(jìn)口徑系列配套(論證用)

(1)新的特深孔繩索取心鉆進(jìn)口徑系列主要應(yīng)解決目前環(huán)空水力通道狹小、鉆柱強(qiáng)度不足等技術(shù)問題，并適當(dāng)考慮套管固結(jié)。但繩索取心鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)為滿眼鉆進(jìn)，也不宜采用石油鉆井或科學(xué)鉆探施工方面的經(jīng)驗(yàn)，即大幅增加鉆柱間隙。如此會產(chǎn)生新的技術(shù)問題:鉆頭壁厚增加過多，鉆壓增大，效率降低;繩索取心鉆桿為薄壁結(jié)構(gòu)，實(shí)踐證明孔內(nèi)疲勞、折斷概率明顯上升;為保證在同級裸眼、換徑裸眼和換徑套管內(nèi)必要的上返流速，沖洗液排量大幅提升，現(xiàn)有泥漿泵無法滿足要求，需要配置大排量、大范圍、高壓力泥漿泵;另外，還存在部分環(huán)隙設(shè)置不合理，鉆具要重新設(shè)計(jì)且管材不好匹配等問題。

(2)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)角度論證，使用小口徑薄壁型繩索取心鉆桿實(shí)際鉆進(jìn)深度可能不超過5000 m。從口徑系列或套管程序看，石油深井和深部科學(xué)鉆探一般是5～7開，無論繩索取心鉆孔多深，仍主要為3開(不計(jì)開孔)。因?yàn)槔K索取心鉆探不能像石油鉆井，根據(jù)鉆探深度實(shí)行不同規(guī)格(不同直徑、不同壁厚等)的組合鉆柱，而是一級口徑使用一種規(guī)格的鉆桿?？紤]鉆探施工經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)輸成本等，鉆孔即使再深，一般也不會準(zhǔn)備3套以上規(guī)格的繩索取心鉆桿和鉆具?，F(xiàn)實(shí)中，3000～4000 m的特深孔多與1000～3000 m的深孔一樣，仍按照3級繩索取心口徑進(jìn)行鉆探工程設(shè)計(jì)。山東萊州4000 m黃金鉆孔、江西于都3000 m科鉆孔均是如此，并因此成功控制了成本，基本保證了鉆探施工安全，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。據(jù)此，繩索取心鉆進(jìn)口徑系列方案按照儲備一級，即4級口徑考慮。

(3)由于鉆探施工中，只有3～4套繩索取心口徑鉆柱和套管配置，且特深孔下部地層情況普遍不清楚，缺乏地層穩(wěn)定性、地層壓力等數(shù)據(jù)，特深孔普遍是采取換徑后不下技術(shù)套管、繼續(xù)裸眼鉆進(jìn)的施工模式(我們稱為“萊州－于都”模式)，這樣將有較多的擴(kuò)孔工作量，鉆桿服役條件更為苛刻，鉆桿接頭螺紋副有必要強(qiáng)化設(shè)計(jì)。同時，從另一個角度來說，繩索取心鉆進(jìn)環(huán)隙不必、不宜放大過多。

(4)CTS－152為首級大直徑繩索取心口徑，考慮施工應(yīng)用深度不大，使用頻率不高，為減少鉆柱體積和重力，桿體直徑減為127 mm。雖然繩索取心鉆頭壁厚增加較大，但綜合考慮，經(jīng)濟(jì)上還是合理的。

(5)新方案盡量保證鉆桿規(guī)格與淺孔系列接近或一致，目的之一是同規(guī)格的特深孔與加強(qiáng)型繩索取心鉆桿可以混用，同時可使繩索取心鉆具(內(nèi)管總成)用管材盡量不變化(但結(jié)構(gòu)可變化)。繩索取心鉆頭的外徑要相應(yīng)調(diào)整，鉆頭、擴(kuò)孔器需要重新設(shè)計(jì)。

(6)從多種因素考慮，宜適當(dāng)加長特深孔繩索取心鉆桿單根定尺長度。但是目前生產(chǎn)條件下，長定尺繩索取心鉆桿(6000 mm)制造工藝有困難。故定尺長度推薦為4500和6000 mm兩種。

(7)目前，ZT850鋼級及以上的整體調(diào)質(zhì)鋼管國內(nèi)只有少量企業(yè)生產(chǎn)。寶鋼等大企業(yè)不接非常規(guī)規(guī)格且數(shù)量少(＜100 t)的訂單，而其他企業(yè)受到設(shè)備限制只能生產(chǎn)外徑≯100 mm的鋼管。據(jù)此，超過3000 m深度應(yīng)用的繩索取心鉆桿外徑宜≯100 mm。第一級的繩索取心鉆桿柱直徑大，使用深度較小，可選擇常用規(guī)格的熱軋管材，如45 MnMoB材質(zhì)等(注:這一問題未來可能會改變，不是這里主要考慮的問題)。

(8)對于特深孔繩索取心鉆進(jìn)，能不能像中淺孔、中深孔一樣，遇到不穩(wěn)定地層時將繩索取心鉆桿當(dāng)作套管使用?方案設(shè)計(jì)中能兼顧和實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，固然很好。但是，特深孔繩索取心鉆桿以內(nèi)加厚為主，若實(shí)現(xiàn)鉆桿可逐級當(dāng)套管應(yīng)用，并考慮套管固結(jié)，會出現(xiàn)終孔口徑以上系列鉆桿直徑逐級加大，環(huán)空間隙隨之明顯增加，鉆桿失穩(wěn)、疲勞和沖洗液循環(huán)量大幅上升，泥漿泵無法承受等問題。綜合考慮后，本方案只能有所割舍。另外，考慮特深孔每一口徑的繩索取心鉆進(jìn)段很長，要多次提鉆換鉆頭、檢修鉆具、檢查鉆桿，加之地層情況不確定，不提繩索取心鉆桿換徑(鉆桿當(dāng)套管用)操作難度較大。因此，建議通過采用其他新技術(shù)等方式，解決復(fù)雜地層問題，如地層極其復(fù)雜，鉆孔變徑級數(shù)超過4級(不計(jì)開孔)，應(yīng)首先采用提鉆方法施工，條件具備后轉(zhuǎn)換繩索取心鉆進(jìn)。

(9)隨著鉆孔直徑增加，對應(yīng)的CTS－81、CTS－104、CTS－128、CTS－152四級鉆桿桿體壁厚亦逐漸增大，從鉆探技術(shù)角度未必完全合理。主要是從冷拔管材制造工藝以及目前實(shí)際產(chǎn)品情況考慮。CTS－128、CTS－152二級鉆桿強(qiáng)度的富余量較大，則主要是考慮復(fù)雜地層和復(fù)雜孔內(nèi)情況。

(10)由于特深孔繩索取心級配只設(shè)計(jì)有3～4級，一旦下入活動的技術(shù)套管，深度往往較大，同時考慮地質(zhì)鉆探套管多數(shù)情況下不固結(jié)，鉆柱滿眼鉆進(jìn)等因素，目前的套管規(guī)格和強(qiáng)度不能滿足安全施工要求。如此，套管設(shè)計(jì)為全新規(guī)格系列:98、122、146 mm套管未參考擬發(fā)布的最新鉆具標(biāo)準(zhǔn);168 mm套管按照新鉆具標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格確定，其應(yīng)用深度和強(qiáng)度按孔口管需要設(shè)計(jì)。

(11)如地層穩(wěn)定，鉆孔較深，可采取大三級系列方案，即CTS－104、CTS－128、CTS－152三級，儲備CTS－81口徑;如地層穩(wěn)定，鉆孔相對較淺，可采取小三級系列，即CTS－81、CTS－104、CTS－128。

(12)應(yīng)當(dāng)說明，這一口徑系列方案需要金剛石鉆頭、沖洗液和護(hù)壁等技術(shù)配套支撐，應(yīng)適時開展膨脹套管、波紋彈性套管、熱熔巖護(hù)壁等技術(shù)配套研究。同時，上述口徑系列方案不可能適合所有地層條件，論證中也有不同見解。

(13)最后，從決策論證和頂層設(shè)計(jì)看，上天、下海與入地是有很大差別的。航天工程不差錢，做事要精心組織，確保成功，萬無一失;下海、以至石油鉆井工程安全儲備系數(shù)也很高。而入地的地質(zhì)巖心鉆探工程以往是扁平化設(shè)計(jì)，以小搏大，賭上一把。今后，應(yīng)將定量化的風(fēng)險評估引入鉆探工程設(shè)計(jì)研究。

4 特深孔沖洗液循環(huán)流量及壓力計(jì)算

針對上述方案進(jìn)行了鉆孔水力學(xué)計(jì)算，同時采集了部分特深孔實(shí)際數(shù)據(jù)(表2～7)。受研究條件和認(rèn)知能力的限制，水力學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不高，僅作為論證時相似條件下的橫向比對。

表2 CTS－81與CN口徑所需沖洗液量

表3 CTS－104與CH口徑所需沖洗液量裸眼孔段

表4 CTS－128與CP口徑所需沖洗液量

表5 CTS81與CN口徑?jīng)_洗液沿程損失估算

表7 CTS－128與CP口徑?jīng)_洗液沿程損失估算

5 結(jié)語

小直徑、新規(guī)格、新系列的高強(qiáng)度繩索取心鉆桿的研制對完成特深孔地質(zhì)巖心鉆機(jī)及其配套設(shè)備研制，實(shí)施鉆探示范工程、推廣先進(jìn)鉆探裝備，具有關(guān)鍵的作用。因此，有必要梳理總結(jié)和系統(tǒng)分析深部地質(zhì)巖心鉆探工程技術(shù)特性，理清研發(fā)思路，確定解決途徑，優(yōu)化完善深部小口徑巖心鉆探口徑系列和繩索取心鉆柱方案。

筆者和國內(nèi)許多同行已經(jīng)在小直徑特深孔繩索取心鉆進(jìn)方面進(jìn)行了多年探索。但是，特深孔施工期較長;鉆桿的使用效果需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集、比對;需要審慎去除孔斜、孔徑擴(kuò)大、非正常鉆進(jìn)參數(shù)、非合理鉆進(jìn)工藝方法的影響。因此，獲得高強(qiáng)度特深孔繩索取心鉆桿的應(yīng)用結(jié)論較晚，有時形成共識也難，尚未對本文提出的方案形成有力支撐。同時，因主題和篇幅限制，本文不涉及小直徑特深孔繩索取心鉆桿研究、試驗(yàn)和應(yīng)用，僅述及繩索取心鉆進(jìn)口徑系列及鉆柱方案等相關(guān)內(nèi)容，期望國內(nèi)鉆探專家、一線技術(shù)人員廣泛參與，進(jìn)一步論證。

［1］湯鳳林，加里寧A Γ，段隆臣.巖心鉆探學(xué)［M］.湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

［2］陳師遜，翟育峰，王魯朝，等.西藏羅布莎科學(xué)鉆探施工對深部鉆探技術(shù)的啟示［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(11).

［3］張偉，賈軍，胡時友.汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

［4］高富麗，劉躍進(jìn)，張偉.我國地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(1).

［5］張曉西，楊甘生，朱永宜，等.大口徑硬巖鉆探技術(shù)在中國大陸科學(xué)鉆探工程中的應(yīng)用［J］.探礦工程，2003，(1).

［6］肖紅，孫建華，等.XJY950高鋼級繩索取心鉆桿用精密無縫鋼管的研制［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5).

［7］孫建華，張永勤，梁健，等.深孔繩索取心鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及研發(fā)工作思路［J］.地質(zhì)裝備，2011，(4).

［8］И.С.阿發(fā)納耶夫，等.鄢泰寧譯.地勘鉆探手冊［M］.俄羅斯圣彼得堡:圣彼得堡出版社，2000.