化學(xué)泥漿及繩索取芯技術(shù)在深孔鉆探中的應(yīng)用

梁秋生

(明達(dá)海洋工程有限公司 北京 100077)

孔深范圍在1000m至3000m的巖心鉆探在工程上被稱為深孔施工，由于在深孔鉆探施工中經(jīng)常會發(fā)生孔壁坍塌、掉塊、裂隙、漏水、縮徑和超徑等現(xiàn)象，因此對施工技術(shù)有著較高的要求，既要保證設(shè)備能力、還要符合鉆進(jìn)施工的需求。深部地層對鉆探機(jī)具及裝備以及轉(zhuǎn)進(jìn)工藝等方面提出了更高的要求[1]，合理的施工技術(shù)以及應(yīng)對施工事故的措施對于鉆探施工至關(guān)重要[2-5]。

1 地層結(jié)構(gòu)

開陽磷礦地處貴州中部開陽縣西側(cè)約12km，北起溫泉鎮(zhèn)，南至用沙壩，南北長約20km，以產(chǎn)量大、品位高(P2O5 33.32%)而聞名全國，是全國特大型的富磷礦床。主要集中在洋水背斜東、西兩翼深部延伸區(qū)，大部分為深孔和超深孔鉆探，遇到的地層也很復(fù)雜，施工難度成倍增加[7]。針對此類問題，在鉆探施工實(shí)踐中，應(yīng)分步驟有計劃的實(shí)施。

2 鉆探工藝選擇

根據(jù)開陽磷礦地質(zhì)特點(diǎn)以及地層孔段情況，鉆孔的設(shè)計可以采用三級鉆孔結(jié)構(gòu)并預(yù)留一級。以Φ150mm開孔，穿過覆蓋層4m下入Φ146mm套管，然后采用Φ95mm穿透上部破碎地層，下入75mm套管，之后以Φ55mm繩索取心鉆進(jìn)，當(dāng)遇到復(fù)雜地層普通方法無法處理，可擴(kuò)備用孔徑100mm，下入75mm套管，最后換回55mm鉆具裸眼鉆進(jìn)至1340m。因此配套主要鉆具：Φ95、Φ75及Φ55繩索鉆具。

由于轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)其導(dǎo)向和定向性能相對較差，轉(zhuǎn)盤扭矩大，影響了轉(zhuǎn)速的提高，不適合鉆探深孔，因此選擇連云港天明機(jī)械廠XY2000型立軸鉆機(jī)。

鉆探工藝：化學(xué)泥漿護(hù)壁—變徑跟管—金剛石鉆進(jìn)—繩索取芯。

3 鉆探施工過程遇到的難點(diǎn)及其解決方法

在鉆探施工過程中主要遇到了鉆孔漏水、縮頸、塌孔、鉆具孔內(nèi)磨損、變徑跟管的有效回收、泥漿配比試驗(yàn)及如何有效進(jìn)行鉆進(jìn)過程控制等幾個難點(diǎn)[7-8]，主要發(fā)生在第一層和第五層，針對以上問題，技術(shù)組找到了一套可行的方法，在本次鉆探施工實(shí)踐中得到較好應(yīng)用。

3.1 漏漿

節(jié)理發(fā)育，透水性強(qiáng)，鉆探施工過程中嚴(yán)重漏漿。采用一般的堵漏護(hù)壁材料效果很差，且成本較高，可靠性差。

采取的措施：頂水鉆進(jìn)，加入少量聚丙烯酰胺潤滑鉆具，攜帶巖粉直接由巖石節(jié)理裂隙排走。這種方法成本低，鉆機(jī)效率也高，但是有一個很大的隱患：給水水泵損壞或壓力不足，容易燒鉆。解決此方法：在鉆機(jī)給水管進(jìn)口處增加一個水流實(shí)時觀測流量器，對進(jìn)入孔內(nèi)的水量進(jìn)行檢測，確保鉆具安全。

3.2 塌孔

頁巖夾粉砂巖層巖性以灰綠色頁巖為主夾細(xì)砂巖薄層。巖性完整，脆性大，巖體受地應(yīng)力影響，巖體內(nèi)聚存較大應(yīng)力，當(dāng)巖體出現(xiàn)自由面后，因應(yīng)力釋放，自由面會產(chǎn)生崩塌。典型特征是：取出巖芯后存放20～30天，巖芯成為餅狀巖芯。

黑色炭質(zhì)頁巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，微層理發(fā)育，進(jìn)水后易膨脹塌孔。

處理方法：針對地層特征及塌孔、縮頸機(jī)理，研究配制了專用的化學(xué)泥漿，護(hù)壁效果良好，保證了鉆孔施工的順利實(shí)施?；瘜W(xué)泥漿的配制及使用方法見后面章節(jié)敘述。

3.3 磨損

隨著鉆孔的深入，鉆桿整體柔性增加，鉆桿接頭處如有微小變形，鉆桿在高速旋轉(zhuǎn)中極易磨損護(hù)壁套管，造成鉆桿和套管的雙重磨損，形成的隱患是：鉆桿斷裂及套管磨斷或變薄，在回收套管時極易丟管。

解決方法：先將高效潤滑劑作乳化處理，在鉆進(jìn)施工過程中于孔口順鉆桿外壁慢速加入。

3.4 變徑跟管回收困難

鉆孔經(jīng)過3次變徑，跟管3層套管，直接采用繩索鉆桿作為跟管套管。在套管(繩索鉆桿)回收過程中，有時回收困難，經(jīng)過分析，造成套管回收困難的因素主要有：①套管外壁對孔壁的摩擦力，②孔口掉石塊造成的卡管，③鉆孔巖粉的回流沉淀等。

解決問題①的方法：成孔金剛石鉆頭外徑加大1～2mm，擴(kuò)大成孔直徑，加大套管與孔壁間隙。套管外側(cè)全面積涂抹黃油，且黃油表層撒滿聚丙烯酰胺，保持套管與孔壁的潤滑接觸。

解決問題②③的方法：進(jìn)口套管反壓橡膠密封膠皮，保證孔返出泥漿全部流入泥漿池，不回流至孔內(nèi)。

3.5 鉆孔偏斜

由于鉆孔較深，預(yù)防鉆孔發(fā)生偏斜也是一項(xiàng)重要的技術(shù)工作，主要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采取以下措施[9]：

①鉆機(jī)安裝要水平、牢固，地基要平整、堅(jiān)實(shí)，方位角及傾角要在現(xiàn)場業(yè)主地質(zhì)人員確認(rèn)的情況下符合設(shè)計要求，開孔鉆進(jìn)時，要經(jīng)常檢查天車中軸線與孔口中心線是否一致。

②開孔孔段鉆進(jìn)，機(jī)上鉆桿不宜過長，應(yīng)盡量減少鉆具的擺動對鉆孔孔口的影響。

③隨鉆進(jìn)深度的增加，應(yīng)加大巖芯管(內(nèi)管)的長度，一般可以增加到6～12m。

④鉆進(jìn)過程遇破碎層、松散層時，杜絕使用過大鉆壓和轉(zhuǎn)速，對鉆進(jìn)速度要控制在一定范圍內(nèi)，必要時要減壓鉆進(jìn)，防止鉆具走偏。

⑤注意鉆進(jìn)過程中換層，無論地層由軟變硬還是由硬變軟，無論是由完整變破碎還是由破碎變完整，均按要求減壓、減速鉆進(jìn)，一旦換層，要把鉆頭適當(dāng)提起一定高度，反復(fù)鉆掃，通過上部孔徑的導(dǎo)正，使鉆頭在新的巖層界面時，保持鉆孔不因地層變化發(fā)生偏斜。

⑥現(xiàn)場加強(qiáng)技術(shù)管理工作，對遇到的問題要及時進(jìn)行分析研究，對鉆進(jìn)過程中每隔一定距離進(jìn)行測斜，以便及時掌握鉆孔孔斜變化情況，及時應(yīng)對處理。

3.6 井內(nèi)事故

①加強(qiáng)責(zé)任心，努力鉆研并掌握鉆探技術(shù)，樹立精益求精的工作態(tài)度，避免事故的發(fā)生。

②經(jīng)常進(jìn)行鉆探技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，防止同類事故重復(fù)發(fā)生。

③要實(shí)行崗位責(zé)任制，各行其事，加強(qiáng)對機(jī)械和鉆具檢查，保證鉆機(jī)、水泵、柴油機(jī)等工作正常，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，對下井鉆具、提引器具要嚴(yán)格檢查，不合格者，絕不將就使用。

④對地層狀況要了解清楚，什么層位采用何種工藝參數(shù)，用哪種類型和配方的泥漿，要做到心中有數(shù)，提前做好準(zhǔn)備，防止盲目操作。

⑤隨時觀察鉆機(jī)、水泵、柴油機(jī)的各種儀表指針的變化情況，從而判斷井內(nèi)情況，正確調(diào)整鉆壓、泵量、轉(zhuǎn)數(shù)等工藝參數(shù)，防止燒鉆、糊鉆等井內(nèi)事故發(fā)生。

⑥降管時，鉆桿提引器要擰緊，降下速度要適當(dāng)控制，遇到換徑處，井內(nèi)掉塊、探頭石、溶洞、脫落巖芯和有縮徑現(xiàn)象的孔段，降下速度要慢，井口夾持器等工作要靈活可靠，防止跑管事故發(fā)生。

⑦降離井底0.5m左右要開始泵送泥漿，待泥漿到達(dá)井底，井口返水再開車，緩慢掃下，如井內(nèi)為干孔或局部返水，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷泥漿到達(dá)井底才能開車。

⑧發(fā)現(xiàn)井內(nèi)阻力突然加大，升上突然遇阻要妥善處理，不得強(qiáng)行開車或猛提鉆具，防止將鉆具“擰死”。

⑨處理事故并做好記錄，做到心中有數(shù)，要將事故井深、事故頭位置、事故頭形態(tài)、每次的處理方法、所用鉆具名稱、規(guī)格、處理效果等要詳細(xì)記錄清楚，不得以“處理井故”幾個字而代之。

⑩發(fā)生井故后，要及時報告機(jī)長和項(xiàng)目經(jīng)理，共同研究分步處理方案，個人不得隨意改變方案，如情況變化，則需重新研究方案，防止方法不當(dāng)造成事故加事故。

4 小結(jié)

① 開陽磷礦地區(qū)的深孔鉆探采用“化學(xué)泥漿護(hù)壁—變徑跟管—金剛石鉆進(jìn)—繩索取芯”的鉆探施工工藝，能極大提高鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量，該孔施工情況表明，深孔臺月效率為776m，并達(dá)到了優(yōu)質(zhì)孔的目標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

② 直接采用金剛石繩索鉆孔作為變徑跟管套管，可保證護(hù)壁套管的剛度和垂直度，在安裝過程中做好外表潤滑處理及防埋防卡措施后，回收方便且回收率高，降低施工成本。

③ 采用特別配制的化學(xué)泥漿護(hù)壁，可以有效預(yù)防頁巖應(yīng)力釋放產(chǎn)生的縮頸及黑色炭質(zhì)頁巖遇水崩解產(chǎn)生的塌孔。

④ 泥漿護(hù)壁技術(shù)、孔斜控制技術(shù)及預(yù)防井內(nèi)事故技術(shù)等多手段配合鉆進(jìn)，加上鉆機(jī)機(jī)長、機(jī)手施工操作的責(zé)任心，能夠快捷、高質(zhì)量完成鉆孔作業(yè)。