深孔繩索取芯鉆探施工體會(huì)

易 榮

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364021)

深孔繩索取芯鉆探施工體會(huì)

易 榮

(福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖 364021)

介紹了在深孔繩索取芯鉆探的設(shè)備選擇、鉆孔結(jié)構(gòu)、沖洗液性能要求、事故預(yù)防及處理方法。結(jié)合兩個(gè)典型的深孔，對(duì)鉆探工藝進(jìn)行了分析，總結(jié)了繩索取芯鉆探工藝深孔施工的成功經(jīng)驗(yàn)。

深孔，繩索取芯，鉆探工藝，鉆機(jī)

0 引言

鉆探技術(shù)是礦產(chǎn)勘查的重要和不可缺少的技術(shù)方法之一，是能夠直接從地下巖層獲取實(shí)物樣品的唯一手段。深孔繩索取芯作為比較先進(jìn)的鉆探技術(shù)在實(shí)際施工中有許多技術(shù)問題需要有科學(xué)的解決方案，這對(duì)降低鉆探成本、保證孔內(nèi)安全、提高鉆探質(zhì)量和鉆進(jìn)效率意義重大。

1 深孔繩索取芯需要考慮的關(guān)鍵問題

1)鉆探設(shè)備及配套選擇問題；

2)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題；

3)復(fù)雜地層的安全鉆進(jìn)取芯問題；

4)孔內(nèi)事故的預(yù)防和處理問題。

2 解決深孔繩索取芯鉆探技術(shù)問題的建議

2.1 鉆機(jī)及鉆探設(shè)備配套的選擇

2.1.1 鉆機(jī)的選擇

鉆機(jī)作為“鉆探四大件之一”的重要設(shè)備，其設(shè)備能力除了滿足正常鉆進(jìn)外，還必須具有處理孔內(nèi)復(fù)雜情況的能力，所以鉆機(jī)選擇時(shí)必須滿足“大馬拉小車”的理念。在選擇鉆機(jī)時(shí)考慮到繩索取芯鉆進(jìn)“高轉(zhuǎn)速、低鉆壓”的特點(diǎn)，優(yōu)先選擇立軸鉆機(jī)和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。部分巖芯鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 部分巖芯鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1.2 鉆探設(shè)備配套選擇

1)泥漿泵：繩索取芯一般鉆孔口徑較小，同時(shí)繩索取芯鉆桿與孔壁間隙也較小，所有泥漿泵一般選用流量穩(wěn)定“高泵壓，小流量”的BW-250和BW-300/16的往復(fù)泵。

2)鉆頭：繩索取芯的鉆進(jìn)效率高的一個(gè)因素就是不提鉆取芯，所以優(yōu)先選擇“高壽命”鉆頭，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)地層情況，考慮水口數(shù)量、底唇形狀、金剛石濃度、鉆頭胎體類型等多種因素選擇鉆頭。

3)鉆塔：在滿足提升鉆具要求的前提下，優(yōu)先選用四角鉆塔。四角鉆塔外部可以掛塔布，使鉆探施工不受天氣影響，改善工人的作業(yè)環(huán)境。

4)其他：為了提高鉆探效率，配套設(shè)備還可選擇擰卸鉆桿用懸吊式液壓動(dòng)力鉗；泥漿制備和凈化設(shè)備；繩索取芯液動(dòng)潛孔錘等配套設(shè)備。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鉆探施工前必須做出詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)，這是保證工程順利完工的基本前提。工程設(shè)計(jì)中第一個(gè)關(guān)鍵問題就是按照鉆探工藝的基本要求和鉆孔地層情況確定鉆孔結(jié)構(gòu)。目前大部分繩索取芯的終孔口徑為75 mm，而煤層氣、頁(yè)巖氣參數(shù)孔則要求以95 mm作為終孔口徑。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自下而上設(shè)計(jì)各級(jí)口徑，對(duì)于復(fù)雜地層需要留1級(jí)～2級(jí)備用口徑。新標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔規(guī)格及主要管材尺寸見表2。

2.3 沖洗液性能要求

深孔鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定性相當(dāng)重要，套管護(hù)壁雖然是最有效、最牢固、最永久的護(hù)壁方法，但在深孔應(yīng)用時(shí)，下長(zhǎng)距離套管難度大，套管不易回收，影響施工周期，所以深孔施工優(yōu)先選擇優(yōu)質(zhì)沖洗液護(hù)壁，保證孔內(nèi)安全，縮短成孔周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)雜地層深孔繩索取芯的沖洗液既要滿足深孔護(hù)壁需要，又要滿足繩索取芯的工藝要求。

1)低固相含量。較穩(wěn)定地層優(yōu)先選用無固相沖洗液，對(duì)于復(fù)雜地層沖洗液固相含量最好控制3%～8%，同時(shí)嚴(yán)格控制無用固相含量。無用固相會(huì)嚴(yán)重影響繩索取芯的鉆進(jìn)效率，無用固相含量過高還會(huì)在鉆桿內(nèi)壁結(jié)構(gòu)影響回次結(jié)束后巖芯管的打撈，現(xiàn)場(chǎng)最好配備泥漿凈化設(shè)備及時(shí)除去無用固相，維護(hù)沖洗液性能穩(wěn)定。

2)具有較強(qiáng)的抑制性，避免水敏性地層水化膨脹或水化分散，造成鉆孔縮徑或嚴(yán)重超徑，同時(shí)增加沖洗液固相含量影響沖洗液性能穩(wěn)定。

3)合適的密度。根據(jù)地層情況調(diào)整沖洗液密度平衡地層壓力，維持孔壁穩(wěn)定。

4)具有優(yōu)良的流變性能。能夠很好地?cái)y帶和懸浮巖屑，保證孔底干凈，提高鉆進(jìn)效率。

5)潤(rùn)滑性好。良好的潤(rùn)滑性可以有效減小機(jī)具磨損，降低鉆具回轉(zhuǎn)的扭矩提高轉(zhuǎn)速。

2.4 事故預(yù)防與處理

2.4.1 事故預(yù)防措施

1)在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要為事故處理留有余地。

2)每次下鉆前，認(rèn)真檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)損壞和過度磨損鉆具要及時(shí)更換，同時(shí)做好鉆探設(shè)備的各項(xiàng)維護(hù)工作。

3)根據(jù)鉆取的巖芯情況，及時(shí)選擇適應(yīng)地層的沖洗液類型，并做好沖洗液的日常維護(hù)工作。

4)司鉆人員要時(shí)刻注意各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)迅速把鉆具提離孔底檢查。

5)現(xiàn)場(chǎng)配備各類事故處理鉆具和設(shè)備。保證事故發(fā)生后能得到及時(shí)處理。

2.4.2 事故處理

1)首先要了解孔內(nèi)情況和事故前各項(xiàng)參數(shù)變化。弄清楚事故原因，事故類型，事故頭位置。

2)針對(duì)了解的孔內(nèi)情況，選擇相適應(yīng)的事故處理手段，制定事故處理方案。

3)選擇操作熟練的班長(zhǎng)進(jìn)行事故處理，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和機(jī)長(zhǎng)必須到場(chǎng)指揮。處理事故方法由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，最無法處理事故頭可采取水泥封孔后側(cè)鉆繼續(xù)下部地層施工。

3 深孔鉆進(jìn)實(shí)例

3.1 參與施工的兩個(gè)比較典型的繩索取芯深孔概況

3.1.1 SY06孔

陜西省陜北石炭二疊紀(jì)煤田佳縣普查區(qū)SY06號(hào)鉆孔，是我隊(duì)承接的一個(gè)煤層瓦斯取樣孔，作為一個(gè)全孔取芯的基準(zhǔn)孔，其設(shè)計(jì)孔深2 300 m，最后終孔孔深2 311.05 m，鉆孔于2014年5月13日開孔，8月23日鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，2014年8月29日完成驗(yàn)收，封孔，順利終孔，合計(jì)施工108 d，整孔取芯率97%，終孔孔斜0.89°，井底溫度72 ℃，主采煤層都達(dá)到取芯要求，總回次815次，平均回次進(jìn)尺2.84 m，平均臺(tái)月效率641.94 m，平均小時(shí)進(jìn)尺4.13 m。

SY06號(hào)鉆孔只下入了2級(jí)套管，主要是為了下部地層處理孔內(nèi)事故留余地，SY06孔鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。該孔的上部地層較穩(wěn)定，所以穿過覆蓋層后63.44 m～1 890.11 m都采用無故相沖洗液，所用材料為PHP、潤(rùn)滑劑和包被劑，部分漏失孔段加入隨鉆堵漏劑和改性瀝青，粘度保持在22 s左右；下部地層與煤系地層1 890.11 m～2 311.05 m采用優(yōu)質(zhì)低固相沖洗液，其配方為：1 m3水+(50 kg～70 kg)鈉土+(3 kg～5 kg)GLA+10 kg～15 kg NH4-HPAN，主要性能為：比重1.05～1.07,蘇式漏斗粘度27 s～40 s，失水量5 mL/30 min～8 mL/30 min,泥皮厚度0.5 mm～1 mm，pH值9。

3.1.2 DY-1孔

DY-1孔2014年10月1日開孔，2016年4月9日終孔，終孔深度為1 860.83 m，臺(tái)月效率106.94 m/月，純鉆進(jìn)時(shí)間僅占9.16%。終孔口徑為98 mm，鉆孔頂角6.3°，方位角273°，終孔層位為集寧群右手堡組片麻巖，地質(zhì)設(shè)計(jì)要求該孔為全孔取芯，鉆孔巖芯采取率達(dá)96%，礦體采取率為84%，經(jīng)驗(yàn)收各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)完全滿足。

DY-1孔在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做了很大的改進(jìn)，其中包括：1)跨級(jí)下套管，DY-1孔孔內(nèi)情況復(fù)雜，下同級(jí)套管很可能發(fā)生套管事故，采用跨級(jí)下套管保證了孔內(nèi)安全；2)采用了新標(biāo)準(zhǔn)的φ114 mm套管作為最后一級(jí)套管，并以尾管的形式下到預(yù)定位置，減少深孔的套管重疊，降低成本；3)第一級(jí)和第二級(jí)套管下到位后用專業(yè)固井車進(jìn)行了固井作業(yè)，防止在鉆進(jìn)過程中發(fā)生上部套管脫落事故。DY-1鉆孔結(jié)構(gòu)見圖2。

DY-1孔地層復(fù)雜，在施工過程中發(fā)生了一起比較嚴(yán)重的孔內(nèi)事故，在孔深1 281.43 m出現(xiàn)HQIS鉆具斷脫事故。處理措施：采用φ127 mm套管先套取2小根鉆桿，然后再用公錐反，逐步處理事故鉆具，但是最后孔內(nèi)殘余1小根鉆桿+1套內(nèi)外管時(shí)無法找到事故頭，考慮到鉆孔的實(shí)際情況，將事故頭上部150 m用水泥漿封閉(30包水泥，水灰比0.5)，水泥漿凝固后在透孔時(shí)順利從1 160.96處逐步掃出新眼，實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆繞過事故頭，成功處理該起孔內(nèi)事故。

3.2 深孔施工體會(huì)

1)2個(gè)深孔均使用的是XY-8C立軸鉆機(jī)，立軸鉆機(jī)機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，易于檢修維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用較方便。目前國(guó)內(nèi)推廣使用的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)使用過程中因?qū)K索取芯工藝適應(yīng)性強(qiáng)，操作方便等優(yōu)點(diǎn)被廣大用戶所接受，但是全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)因?yàn)閭鬟f效率低，液壓元件精密度要求高，液壓系統(tǒng)故障的診斷比較困難等原因也給它的推廣使用帶來一定困難。

2)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用最新鉆孔口徑規(guī)格，該套口徑具有與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)接軌，且口徑級(jí)差合理、環(huán)狀間隙大、利于深孔鉆進(jìn)等特點(diǎn)對(duì)于深孔繩索取芯來說非常適用。

3)深孔繩索取芯沖洗液性能十分重要。根據(jù)地層情況和采用的鉆進(jìn)工藝合理選擇的沖洗液類型能有效提高鉆進(jìn)效率，同時(shí)還應(yīng)注重沖洗液的日常維護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)配備泥漿凈化系統(tǒng)。

4)適當(dāng)增加鉆頭外徑。適當(dāng)增加鉆頭外徑，可以有效地降低泥漿泵負(fù)荷，同時(shí)減少?zèng)_洗液對(duì)孔壁沖刷，減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。

4 結(jié)語

繩索取芯鉆進(jìn)工藝在深孔施工中減少了提下鉆次數(shù)的輔助工作時(shí)間，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆進(jìn)效率；在鉆孔質(zhì)量方面，鉆桿和孔壁間隙小，鉆孔不易彎曲，鉆孔垂直度高，巖芯堵塞即可撈取，增加巖芯采取率，在深孔施工中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于復(fù)雜地層施工，必須充分考慮鉆孔結(jié)構(gòu)、設(shè)備能力、沖洗液性能，發(fā)揮繩索取芯在深孔鉆進(jìn)中的優(yōu)勢(shì)。

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Experience of wire-line core drilling in deep hole

Yi Rong

(The121GeologicalBrigadeofFujianProvince,Longyan364021,China)

The paper introduces the drilling technique of wire-line core drilling in deep hole, including drilling rig, hole structure, drilling fluid and down-hole trouble, the paper also analyzed the drilling technique and summarized experience of wire-line core driling in deep hole combined with 2 typical hole.

deep hole, wire-line core drilling, drilling technique, drilling rig

1009-6825(2017)20-0094-03

2017-04-25

易 榮(1986- )，男，助理工程師

P634

A