三山島北部海域ZK3210鉆孔事故處理工藝

田志超，宋世杰，劉振新，付相友，于孟亮

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

三山島北部海域ZK3210鉆孔事故處理工藝

田志超，宋世杰，劉振新，付相友，于孟亮

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

本文結合事故鉆孔施工實例，簡略介紹了鉆探施工繩索取心鋼絲繩脫落事故的處理過程，鉆孔造斜楔的施工工藝、鉆進方法及注意事項。通過偏斜鉆進，在保證鉆孔質量的同時，處理復雜事故，達到鉆孔地質目的，獲得所需地質資料。

繩索取心；造斜；鉆孔事故；偏斜鉆進

1 項目概況

三山島北部海域金礦勘查項目是國內最大的海上金礦勘探項目，山東省第三地質礦產勘查院承擔了勘查鉆探施工任務。從2012年2月至2014年10月，歷時近三年，施工期間，共投入鉆機50余臺，完成鉆探工作量12萬多米。礦區(qū)位于萊州市北約26 km三山島北部海域，西南毗鄰三山島金礦，行政區(qū)劃隸屬萊州市三山島工業(yè)園區(qū)管轄，交通便利(如圖1)。該區(qū)域地層構造復雜破碎、蝕變嚴重，施工難度大。

圖1 地理位置

2 地質概況

礦區(qū)大地構造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區(qū)，西靠沂沭斷裂帶，南接膠北地體之膠萊拗陷，北鄰龍口斷陷盆地和渤海拗陷，東接牟平-即墨構造混雜帶。區(qū)內構造、巖漿活動強烈，以發(fā)育脆性斷裂為特征。

礦區(qū)位于向萊州灣突出的小半島—三山島，三面環(huán)海，東面是陸地。除臨海的3個相連的小山丘上見有二長花崗巖出露外，其余均被第四系覆蓋。第四系自上而下為中粗砂、沙淤泥以及粉質黏土，厚度60～80 m。第四系之下為二長花崗巖和片麻狀細粒黑云角閃英云閃長巖等，巖石可鉆性一般為7～9級，研磨性強。三山島～倉上及三山島～三元2條規(guī)模較大斷裂，呈北東和北西走向，貫穿整個礦區(qū)。斷裂蝕變破碎帶是鉆探過程中最容易遇到的復雜地層，該區(qū)域寬度80～120 m不等，以灰色段層泥為標志的主斷裂面位于蝕變帶的中心部位，靠主斷裂面為蝕變較強的黃鐵絹英巖質碎裂巖，向兩側逐漸減弱。礦體一般賦存在主斷裂面下盤的黃鐵絹英巖質碎裂巖和黃鐵絹英巖質碎裂巖化花崗巖中。

3 鉆孔概況

ZK3210號鉆孔為海上施工鉆孔，設計深度1800 m，鉆孔傾角90°。結合設計要求與前期施工所積累經驗，在保證質量與滿足海域施工條件的前提下，鉆孔結構確定為一開采用?127 mm跟管鉆進開孔至30 m，其中施工平臺面至海底深度為11 m；二開用?110 mm硬質合金普通單管鉆具鉆進至125 m，下入?108 mm套管；三開采用?95 mm繩索取心鉆具鉆進至445 m，下入?89 mm套管；四開用?75 mm繩索取心鉆具鉆進至終孔。設備結合ZK3210號鉆孔的設計深度要求與設備能力，選用黃海機械廠生產的XY-6B型鉆機進行施工，配備150 kW柴油發(fā)動機、A型鉆塔(13 m)和BW160泥漿泵，鉆桿為普通材質的繩索取心鉆桿，鉆頭為國產的合金鉆頭和金剛石鉆頭。

在沖洗液的選擇方面，一開鉆進第四系中粗砂、沙淤泥以及粉質黏土層時，采用低固相泥漿沖洗液；在其他一般坍塌和掉塊的孔段，采用PHP無固相沖洗液；在坍塌和掉塊嚴重的孔段，采用聚乙烯醇熬制成膠配合PHP無固相沖洗液。

低固相泥漿配方：清水+膨潤土+純堿+降失水劑Na-CMC。性能參數(shù)：密度1.02～1.04 g/cm3，漏斗黏度33 s，濾失量9～10 mL/30 min，pH值9～10。

PHP無固相沖洗液配方：清水+PHP+皂化油。性能參數(shù)：表觀黏度6.3 mPas，動切力0.25 Pa，濾失量為全漏失。

4 事故概況與分析處理

4.1 第一階段

圖2 自制打撈鉤

ZK3210鉆孔在2012年11月2日施工過程中，孔深1663.60 m，取心，投入內管后開始鉆進，不進尺，取心，在打撈內管時提拉不動，在多次提拉過程中，取心鋼絲繩被拉斷。開始提鉆，提出鉆桿和鉆具后發(fā)現(xiàn)鉆頭內徑磨大，致使內管、打撈器與大部分取心鋼絲繩落入孔內。分析孔內情況，決定使用鉆桿下部焊接打撈鉤(如圖2)撈取孔內鋼絲繩。由于對孔內取心鋼絲繩在孔內的準確位置不清楚，無法確定鉆桿的下入深度，在上下竄動過程中，感覺有卡頓，開始提鉆，把鉆桿提出孔內后發(fā)現(xiàn)，不但取心鋼絲繩沒鉤取上來，還將打撈鉤斷在孔底。

4.2 第二階段

出現(xiàn)上述情況，孔內情況復雜，決定下入單管鉆具掃動撈取打撈鉤與少部分鋼絲繩，繼續(xù)下打撈鉤，結合上次經驗，控制下入深度，經過反復數(shù)次，共撈取上來1200 m取心鋼絲繩(如圖3)。分析剩余鋼絲繩約50 m，打撈鉤撈取不起作用，決定下入普通取心下鉆掃剩余鋼絲繩，在距孔底90 m處遇阻，在緩慢掃動過程中，泵壓接近10 MPa，經分析為孔內巖粉等雜物過多，決定使用孔底無泵鉆具撈取孔底巖粉等異物，后因操作不當，使用無泵進行常規(guī)鉆進，卡鉆，串掃結合強力提拔出孔底，提出后發(fā)現(xiàn)鉆頭與彈卡總成都燒在孔底。

圖3 打撈鉤撈取上來的取心鋼絲繩

4.3 第三階段

此時孔內情況更加復雜，經分析決定先使用水泥封孔再透孔，后透孔，掃出燒鉆殘留部分。再次掃孔內鋼絲繩，不進尺，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭自絲扣以下部位沒有了。分析孔內情況認為上次燒鉆為多重原因，再次掃孔效果不大，決定下造斜楔偏繞事故段。

4.4 第四階段

此階段采用下入造斜楔偏繞事故段的方法。造斜楔是一種利用楔面迫使鉆頭改變鉆進方向，形成新的鉆孔軌跡的鉆探工具，具有結構簡單、操作方便的優(yōu)點。結合ZK3210鉆孔的實際情況，針對巖石的軟硬程度、鉆孔深度、施工難度和經濟性等因素，采用自制簡易空心造斜楔(如圖4)。

圖4 簡易空心造斜楔

現(xiàn)場采用的簡易空心造斜楔用繩索取心鉆桿制作，沿鉆桿一端圓周三分之一處開始切割，角度控制在1°左右，將切割下來的鉆桿翻轉過來焊接，切除楔面多余部分，除去焊疤打磨拋光，完成制作。造斜楔外徑應與鉆孔直徑相比略小2～3 mm。如果外徑比鉆孔直徑小得過多，造斜楔下入孔內后與孔壁間隙過大，造斜楔會傾斜，楔面倒向一邊，鉆頭難以進入，應該在楔面的側面電焊增大此邊外徑，人為將造斜楔楔面倒向孔壁一邊，有利于鉆頭的進入；造斜楔斜面一定要等于或大于偏斜的鉆頭、擴孔器直徑，造斜楔斜面小于鉆頭、擴孔器直徑，鉆頭在孔內很難進入楔面，即使強壓進入后，鉆頭也會磨造斜楔邊緣，摩擦阻力較大，造斜楔易隨著鉆具轉動或上下串動；造斜楔楔面一定要打磨光滑，利于鉆頭的進入。若造斜楔外徑比鉆孔直徑較小，可將造斜楔楔面往外敲開成喇叭口，需要控制好幅度，不能太大；對于空心造斜楔楔面部分可往外壓彎一點(如圖5)，使下入孔內的楔面頂部緊貼孔壁，但注意整個造斜楔彎曲幅度不能太大，以免在下造斜楔時，將造斜楔滯留孔中間，出現(xiàn)更大的問題。

圖5 楔面預壓彎

ZK3210鉆孔造斜楔采用鋼筋焊接到鉆桿上進行連接(如圖6)。

圖6 焊接造斜楔

造斜楔投放就位時，首先通孔循環(huán)鉆孔，防止可能有巖粉沉積使造斜楔下不到位，同時可避免孔壁有探頭石將造斜楔滯留孔中。下造斜楔一定要慢而穩(wěn)，計算好機上余尺，如果遇阻必須慢慢將造斜楔提出孔外，不能拉斷連接鋼筋，否則造斜楔會滯留孔中。造斜楔快要下放到孔底時，要用減壓法慢慢往下放，導桿不走后再慢慢增加力量，不要將鉆桿一次放下，否則易壓彎造斜楔楔面，鉆頭難于進入，連接鋼筋斷裂后再適當往上一點，減壓法輕壓一下，不能將鉆桿全部壓在斜面上，更不能用鉆機加壓，以免卡死。下入錐形鉆頭，減壓法輕壓一下，輕輕轉動擰斷焊接部位，提出鉆桿，準備水泥封孔，固定造斜楔。向孔內注入適量的水泥砂漿(可加入少量早凝劑)，候凝24小時以上，重新下入鉆具進行掃孔，掃孔深度由偏斜位置加上造斜楔有效長度計算，清除多余的混凝土孔段，從而形成自然水泥柱孔底，ZK3210初始偏斜段從孔深1663.00 m開始至1666.52 m止，進尺3.52 m，取出薄片半圓狀巖心1.90 m。最后通過3個回次鉆至1668.50 m，進尺5.50 m，偏斜鉆具超出偏斜器底部，取出完整巖心，初始偏斜成功，整個初始偏斜段采用4個回次完成，巖心采取率平均達70%以上。此時事故處理完畢，開始正常鉆進工作。

5 結語

鉆孔事故的發(fā)生分為客觀因素(地層條件等)和主觀因素(人為因素)，縱觀ZK3210鉆孔的整個施工過程，我們不難發(fā)現(xiàn)人為因素是發(fā)生事故的主因。結合整個處理工程，筆者有幾個心得體會：

(1)繩索取心鋼絲繩脫落孔內事故極為常見，鋼絲繩更換不及時，檢查不細致，操作不謹慎就有可能發(fā)生。雖然對鉆探施工來說是一種小事故或疊加事故，但往往是產生孔內其他事故前兆。事故發(fā)生后如果處理方法不正確，盲目處理，會帶來很大的麻煩。盡量采取撈取辦法，多次多方法撈取，多次撈取不成功再用平推的辦法。磨消鋼絲繩進度太慢，而且危險性很大。

(2)應采取有效措施，預防繩索取心鋼絲繩脫落孔內事故的發(fā)生。選用鋼絲繩時盡量選用防折破勁的優(yōu)質鋼絲繩，做到經常檢查、定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。鋼絲繩的斷點多數(shù)在使用最頻繁段，通常孔深中點的長度范圍內是鋼絲繩折斷最危險的階段，要著重檢查?？變雀杏X異常時，要仔細分析事故原因和一切可能性，切不可盲目處理。確需下?lián)泼瑫r，預先一定要檢查撈矛與解卡器的解脫靈敏性、鋼絲繩完好程度，確定撈矛與解卡器的節(jié)點是最薄弱的斷點，嚴防鋼絲繩斷落孔內。

(3)造斜楔在處理深孔復雜事故中，具有成本低廉、操作方便、效果顯著等優(yōu)點，對于造斜楔的使用，對細節(jié)的把握十分關鍵，要充分考慮完善各個施工環(huán)節(jié)，優(yōu)質高效處理深孔事故。

(4)孔內事故應重在預防，為了強化孔內事故的預防，要加強機班長的職業(yè)素質、責任心、技術水平、實際操作經驗，挑選文化水平較高、積極上進、工作中不怕苦的年輕技術工人充實到一線，并對機臺施工人員進行崗位技術培訓和施工經驗交流。同時，鉆探技術管理人員要深入基層，及時指導，且對礦區(qū)資料進行詳細研究，對可能出現(xiàn)的問題提前預防，對孔內出現(xiàn)的問題及時做出正確判斷，采取正確的有效措施，確保施工順利進行。

[1] 地質巖心鉆探規(guī)程:DZ/T 0227-2010[S].

[2] 宋世杰, 陳師遜, 楊芳. 三山島海上金礦勘查工程 ZK3410孔坍塌原因與處理[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2014(2):26-28.

[3] 劉治, 王智峰, 宋寶杰,等. 簡易偏心楔在鉆探施工中的應用[J]. 探礦工程:巖土鉆掘工程, 2016, 43(12):49-53.

[4] 耿印, 于保國, 于志堅,等. 淺談深孔繩索取芯工藝中鋼絲繩脫落孔內的事故處理與預防[J]. 西部探礦工程, 2013, 25(11):92-94.

[5] 楊清泉, 李威, 陶曉杰. 三山島海底金礦地質特征及礦床成因探討[J]. 黃金科學技術, 2010, 18(3):5-8.

[6] 劉殿浩, 張丕建, 丁正江,等. 三山島北部海域金礦勘查工作思路與實踐[J]. 山東國土資源, 2015(2):1-6.

2017-05-10

田志超(1988-)，男，助理工程師，勘查技術與工程專業(yè)，從事巖心鉆探技術應用與生產工作，山東省機場路271號，E-mail：sdsdtzc@163.com。

P634.8

A

1009-282X(2017)04-0029-04