采用偏心楔側(cè)鉆處理堅(jiān)硬地層燒鉆事故

廖遠(yuǎn)蘇，胡啟鋒，廖長生，繆 賽，卓廉明

(江西有色地質(zhì)勘查二隊(duì)，江西贛州341000)

0 引言

近幾年，我隊(duì)在贛南鎢礦區(qū)采用偏心楔側(cè)鉆法補(bǔ)采過巖礦心、處理過燒鉆事故和水泥注漿糊鉆事故。偏心楔為傳統(tǒng)的取出式，楔頂角1.5°～2°。造斜鉆具有硬質(zhì)合金錐形鉆頭與50 mm鉆桿連接;也有S60金剛石鉆頭，通過短接管、變徑接頭與55.5 mm鉆桿連接。偏心楔有的坐在注漿水泥的人造孔底;也有的坐在事故鉆桿、事故鉆具的上端。側(cè)鉆地層有絹云母千枚巖、砂質(zhì)板巖及石英砂巖，可鉆性7～9級。側(cè)鉆深度為224～605 m。累計側(cè)鉆5次，偏心楔的內(nèi)貼斜面被磨破4次。在石英砂巖中的2次側(cè)鉆，還是未能偏出新孔(套回原孔)，以失敗告終。通過多起事故的處理，認(rèn)為9級以上的堅(jiān)硬巖層是偏心楔側(cè)鉆法不可逾越的“雷區(qū)”。

2014年7月28日，某礦區(qū)ZK901孔在堅(jiān)硬花崗巖地層，嘗試偏心楔側(cè)鉆法處理一起燒鉆事故獲得成功。該法在傳統(tǒng)取出式偏心楔及其造斜工藝的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)。在解決堅(jiān)硬巖偏孔難的關(guān)鍵技術(shù)問題上取得重要突破。從此改變了偏心楔側(cè)鉆法禁用于堅(jiān)硬地層的看法。

1 事故孔概況

該孔設(shè)計深度650 m，開孔傾角75°，事故孔深553.85 m。0～521.96 m孔段，為變質(zhì)石英砂巖，可鉆性7～9級;下部孔段，為中細(xì)粒黑云母花崗巖，可鉆性＞9級。130 mm口徑開孔，過渡口徑為110 mm、91 mm。12.70 m以深孔段，為S75金剛石繩索取心鉆進(jìn)。

該孔曾經(jīng)在2014年4月份，于孔深278.10 m鉆遇斷層破碎帶突發(fā)全孔漏失。采用水泥注漿堵漏時，因壓送替漿水失誤，導(dǎo)致注漿管被水泥漿淹埋、固結(jié)事故，報廢進(jìn)尺278.3 m。

新開孔在孔深280 m后一直處于頂漏鉆進(jìn)狀態(tài)。部分鉆桿因上次歷經(jīng)頂、拉、打、擰、反、擴(kuò)等方法處理事故后受傷嚴(yán)重，鉆進(jìn)中時有斷桿、泄漏現(xiàn)象發(fā)生。本次燒鉆事故因鉆桿柱泄漏引起，鉆工“打懶鉆”所至。

燒鉆事故發(fā)生后，當(dāng)初誤判為卡、埋鉆事故，慣用拉、擰、頂、打等方法幾經(jīng)處理無效，反而帶來斷桿、擼扣等孔內(nèi)事故。后來動用50 mm反絲鉆桿，取出孔內(nèi)全部鉆桿及S75鉆具的彈卡擋頭后，判定為一次嚴(yán)重的燒鉆事故?？紤]到反取孔內(nèi)鉆桿時的反勁較大，畏懼再次帶來次生孔內(nèi)事故，選擇了遺棄孔內(nèi)鉆具(含內(nèi)管總成)，采用偏心楔側(cè)鉆法偏孔(繞障)處理。

2 偏心楔的結(jié)構(gòu)與制作

2．1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 取出式偏心楔實(shí)物圖片

圖2 取出式偏心楔結(jié)構(gòu)示意圖

(1)楔管剖切面長度1.5 m，底端0.3 m與楔體上端焊接成整體。與傳統(tǒng)取出式套管楔比較，提高了楔身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;楔管上端與71 mm鉆桿絲扣連接，可用于較大深度的中深孔異徑糾斜或側(cè)鉆繞過事故孔段。

(2)斜面由一小塊管壁內(nèi)面與楔體銑槽面兩段對接而成，全長2.3 m，楔頂角1.5°。與固定楔比較，因其楔頂角較小，造斜鉆具傾倒在斜面上的附著力較小，鉆頭對斜面的破壞程度相應(yīng)就較小。從實(shí)物表面觀察，斜面的磨損深度只有0.5～1.0 mm，不用修理仍能重復(fù)使用。

(3)楔體取用了固定楔(實(shí)心圓鋼制作)的剛性和耐磨性，彌補(bǔ)了用巖心管制作容易扭曲變形、斜面易被鉆頭切破的不足。

(4)楔座取用1 m長的鉆桿制作有兩個目的:一是管內(nèi)可容納余留沉渣，坐管更實(shí);二是確保分支孔在事故頭能分開一定距離，防范鉆頭順著老孔邊緣下行再套回老孔。

(5)異于傳統(tǒng)偏心楔的顯著特點(diǎn)是楔身無任何卡固裝置。偏心楔在楔座底端切割成鋸齒形狀，利用自身承受鉆桿柱壓力所產(chǎn)生的旋向阻力，足以抵觸鉆具回轉(zhuǎn)力帶動偏心楔轉(zhuǎn)向，穩(wěn)定性可靠。

2．2 制作要求

楔管與楔座外徑≯74.5 mm;全長直線度偏差≯1.5 mm·m－1;焊縫存在咬邊、弧坑、裂紋等缺陷應(yīng)補(bǔ)焊，焊瘤、夾渣須清除;楔管的所有割線邊角用手持砂輪機(jī)修磨光滑;切口寬度60±0.5 mm，必須保證59.5 mm擴(kuò)孔器自由通行。

3 側(cè)鉆施工工藝

3．1 主要設(shè)備及器具

XY－44型鉆機(jī)、BW－250型泥漿泵、HCX－13型管架斜塔;S75和S60繩索取心鉆桿及鉆具;KXP－2T型數(shù)字羅盤測斜儀、四件套泥漿性能測試儀。

3．2 沖洗液類型及性能

側(cè)鉆過程應(yīng)用水解聚丙烯酰胺(PHP)沖洗液沖孔，沖洗液漏斗粘度調(diào)至25 s;后續(xù)S60繩索取心鉆進(jìn)采用清水沖孔。

3．3 側(cè)鉆方法

單管造斜鉆具由S60繩索取心鉆具的鉆桿、異徑接頭、短接管及金剛石鉆頭組成。鉆頭外徑59 mm，全長3.37 m，如圖3所示。

S60繩索取心鉆具，鉆頭和擴(kuò)孔器外徑在標(biāo)準(zhǔn)件的基礎(chǔ)上均改小1 mm，目的是能夠順暢通過71 mm鉆桿柱內(nèi)孔;內(nèi)管可容納2.2 m巖心，鉆具總長2.86 m。

圖3 造斜鉆具實(shí)物圖片

3．4 操作程序與技術(shù)要點(diǎn)

3．4．1 造斜準(zhǔn)備

下楔前，應(yīng)把孔內(nèi)鉆屑、孔壁坍塌物等清理干凈，并對事故頭部位進(jìn)行夯實(shí)處理，防止偏心楔因座底不實(shí)下行。

3．4．2 下楔就位

偏心楔降下時，鉆桿柱絲扣必須擰緊;坐實(shí)孔底后，鉆桿埋頭深度應(yīng)＞5 m，以防主桿變徑接頭碰掛管頭扭動偏心楔轉(zhuǎn)向。

3．4．3 造斜進(jìn)尺

(2)造斜鉆具下到距楔頂面0.50 m時開啟泥漿泵沖孔，以慢速(100～200 r/min)回轉(zhuǎn)立軸并啟用立軸油缸控制鉆具緩慢下行，不能用卷揚(yáng)機(jī)提動鉆具試探楔頂面位置。當(dāng)立軸回轉(zhuǎn)有異常響聲反應(yīng)時，表明鉆頭碰刮孔壁和楔面，進(jìn)入造斜狀態(tài)。

(3)鉆頭進(jìn)入造斜狀態(tài)，應(yīng)控制立軸下行速度，不能操之過急。隨著造斜進(jìn)尺延深，在鉆進(jìn)平穩(wěn)情況下可逐步加大鉆壓(3～10 kN)，穩(wěn)衡鉆進(jìn)速度。

(4)鉆頭過完斜面后，可給以正常鉆進(jìn)所需轉(zhuǎn)速(300～500 r/min)和鉆壓(13 kN);分孔進(jìn)尺2 m后方可進(jìn)入下道擴(kuò)孔工序。

3．4．4 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

(1)S60繩索取心鉆具降至楔頂面時，也不能用卷揚(yáng)機(jī)提動鉆具試探擴(kuò)孔起點(diǎn)位置，其操作要領(lǐng)和造斜鉆具進(jìn)入造斜狀態(tài)的操作過程基本相同。

(2)擴(kuò)孔時，在無異常響動的情況下可適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速(300～400 r/min)，但不宜通過增加鉆壓來加快擴(kuò)孔進(jìn)度，否則孔壁未擴(kuò)大，反而造成擴(kuò)孔器耐磨塊損壞，外徑尺寸變小。

(3)擴(kuò)孔到位后，持續(xù)轉(zhuǎn)入正常繩索取心鉆進(jìn)。此階段因鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙過小，加之側(cè)鉆過程中沖洗液的漏斗粘度上調(diào)至25 s，導(dǎo)致鉆進(jìn)泵壓升高較快，應(yīng)把沖洗液粘度逐步調(diào)降至清水粘度(15 s)，確保沖洗液暢通。

3．5 注意事項(xiàng)

(1)偏心楔座底必須穩(wěn)固不可架空，否則楔身下移錯位，可能導(dǎo)致重大孔內(nèi)事故或分孔失敗。

(2)初入斜面位置不可操之過猛，否則易導(dǎo)致鉆頭擠壓變形，或胎體掉塊。圖4展示試探斜面不小心造成的鉆頭損壞情況;圖5展示用立軸油缸小心操控造斜鉆進(jìn)后的鉆頭磨損情況。

圖4 試探斜面造成鉆頭損壞情況

圖5 造斜鉆頭正常磨損情況

(3)鉆頭貼在斜面上無明顯偏孔進(jìn)尺時，不能長時間停留在一個點(diǎn)面上研磨，應(yīng)及時提升鉆具查明原因，否則易造成楔面破壞。

(4)造斜鉆進(jìn)用沖洗液以粘糊、滑溜為好，不易造成巖心堵塞，可減少提鉆次數(shù)。宜選用高分子聚合物、植物膠類無固相沖洗液。

(5)擴(kuò)孔后進(jìn)入繩索取心鉆進(jìn)的前5個回次(進(jìn)尺長度＞10 m)應(yīng)將鉆頭提離楔頂面深度再打撈巖心和投放內(nèi)管，以防打撈失敗或造成內(nèi)管投放不到位打單管。

4 側(cè)鉆效果

(1)鉆孔側(cè)鉆前后的測斜數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 側(cè)鉆前后的測斜數(shù)據(jù)

圖6 花崗巖斜面巖心圖片

5 認(rèn)識與體會

(1)在堅(jiān)硬巖中側(cè)鉆難的關(guān)鍵技術(shù)問題是建造人工孔底材料與巖體之間的硬度級差大。螺桿鉆和連續(xù)造斜器側(cè)鉆法，通常在側(cè)鉆孔段灌注水泥漿，用水泥材料“架橋”建造人工孔底。該工藝技術(shù)為連續(xù)造斜，造斜孔段的彎曲強(qiáng)度可控，對后續(xù)同徑繩索取心鉆進(jìn)影響不大，但局限于巖層可鉆性7級左右，至于8～9級硬巖，側(cè)鉆成功的可能性較小。偏心楔側(cè)鉆法用金屬材料“架橋”建造人工孔底，其硬度和強(qiáng)度比水泥大得多。該工藝技術(shù)為單點(diǎn)造斜，雖然在9級以上的硬巖中側(cè)鉆有過成功的先例，但是由于偏心楔的楔頂角偏大，偏孔后修孔難度大，用于繩索取心鉆孔常因“狗腿彎”問題導(dǎo)致鉆桿柱頻繁折斷，而且留有事故隱患。一般認(rèn)為偏心楔不適宜在小口徑繩索取心鉆孔中側(cè)鉆。本次側(cè)鉆選用實(shí)心圓鋼制作可取式偏心楔的楔體，既控制了楔頂角偏大的不利因素，又提高了楔身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，解決了ZK901孔在堅(jiān)硬巖中側(cè)鉆處理燒鉆事故的關(guān)鍵技術(shù)難題。

(2)改進(jìn)后的偏心楔與傳統(tǒng)偏心楔的側(cè)鉆方法比較，具有偏孔速度快、可取出斜面巖心、無專程擴(kuò)孔工序、不留事故隱患、不影響后續(xù)繩索取心鉆進(jìn)、偏心楔可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

需要指出，該側(cè)鉆方法主要有以下2個缺點(diǎn)。

①未能實(shí)現(xiàn)同徑分支鉆孔。某些礦種在詳查或勘探階段，為了滿足巖礦心采樣要求還不允許鉆孔穿礦口徑＜75 mm。這就縮小了該側(cè)鉆方法的應(yīng)用范圍。

據(jù)測斜數(shù)據(jù)作圖計算，分支孔與原孔軸線夾角為1.08°

圖6為造斜鉆進(jìn)的斜面巖心。在室內(nèi)測定巖心塊斜面夾角為1.10°，與作圖計算結(jié)果誤差0.02°。

(2)嘗試側(cè)鉆法處理該起燒鉆事故，從降下偏心楔開始至偏出原孔轉(zhuǎn)入正常繩索取心鉆進(jìn)，共花費(fèi)作業(yè)時間39.5 h。分支孔鉆進(jìn)51回次，累計進(jìn)尺103.95 m，終孔驗(yàn)收深度650.45 m。偏孔后繩索取心打撈成功率100%，整個鉆進(jìn)過程未發(fā)生斷桿事故。

②需具備2套口徑的繩索取心鉆桿、鉆具及其附屬工器具。

(3)當(dāng)前我國地質(zhì)找礦千米以上鉆孔所占比重越來越大，深孔側(cè)鉆面對的問題更復(fù)雜，技術(shù)難度也更大。側(cè)鉆法必須跟進(jìn)鉆探主導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展不斷完善與創(chuàng)新，才能提高鉆探技術(shù)的整體發(fā)展水平。否則重大孔內(nèi)事故，也就成了深孔鉆進(jìn)的致命要害，束縛深部地質(zhì)找礦的一道瓶頸。

［1］ 王達(dá)，何遠(yuǎn)信，等．地質(zhì)鉆探手冊［M］．湖南長沙:中南大學(xué)出版社，2014．

［2］ 樊臘生，張偉，吳金生，等．汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－4孔定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(9):101 －108，113．

［3］ 朱恒銀，蔡正水，王強(qiáng)，等．贛州科學(xué)鉆探NLSD－1孔施工技術(shù)研究與實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):1 －7．

［4］ 劉志強(qiáng)，童軍兵，謝宏軍，等．黑龍江金廠礦區(qū)定向分支孔施工實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(1):17 －20．

［5］ 羅曉斌，羅凱．偏心楔鉆進(jìn)技術(shù)的改進(jìn)與應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):23 －25，31．

［6］ 首照兵，盧文華，李躍成，等．71 mm同徑開口式導(dǎo)斜楔偏斜(繞障)施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(10):36－39．

［7］ 李光華．螺桿鉆側(cè)鉆分支繞障技術(shù)處理繩索取心鉆孔事故［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(11):32 －34．

［8］ 張文英，張廷茂，吳德軍，等．側(cè)鉆技術(shù)在鉆孔事故處理中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(6):10 －12．

［9］ 黃平．大村礦段鉆孔下偏心楔補(bǔ)采煤心施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(3):26 －28，32．

［10］ 張家軍，潘峰．煤田深孔補(bǔ)采煤心施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(5):34 －35，52．