鉆探施工論文:鉆探施工工藝研究
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本文作者：劉亞斌作者單位：青海省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院
(1)上巖組斑點(diǎn)狀碳質(zhì)絹云千枚巖、碳質(zhì)絹云千枚巖層理發(fā)育，巖石傾角大，硬度低，其構(gòu)造破碎帶巖石酥松破碎，且有長度不均的黑色泥質(zhì)巖段。在這種巖體中形成鉆孔后，巖體原始的力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞，若鉆孔傾角大，受重力作用，以及泥漿沖刷、提下鉆的抽吸作用，鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)坍塌掉塊、縮徑現(xiàn)象，成孔困難，巖心堵塞現(xiàn)象十分嚴(yán)重，取心難度大、采取率低。(2)下巖組白云石大理巖和條帶狀白云石大理巖硅化嚴(yán)重，巖石堅(jiān)硬完整致密，研磨性低，可鉆性級別高，鉆效低。
鉆探工程要求
全孔巖心采取率不低于95%;終孔直徑不小于96mm(HQ);鉆孔設(shè)計(jì)頂角30～40°，每30m及終孔測斜一次。頂角每百米允許誤差為3°，方位角每百米允許誤差為5°。
主要施工工藝
1鉆探設(shè)備
使用寶長年公司生產(chǎn)的LF70全液壓動力頭鉆機(jī)，配備額定壓力7.0Mpa的全液壓泥漿泵。LF70鉆機(jī)使用96mm(HQ)口徑，施工時理論鉆進(jìn)能力為542m，鉆機(jī)可鉆進(jìn)頂角范圍0～45°內(nèi)的任意鉆孔，非常適合礦區(qū)大角度鉆孔的鉆探施工。為了彌補(bǔ)鉆機(jī)處理事故強(qiáng)力起拔能力低的弱點(diǎn)，現(xiàn)場配備了液壓千斤頂，起拔能力75t。
2孔身結(jié)構(gòu)
全孔繩索取心鉆進(jìn)。使用122mm(PQ)口徑開孔，下108mm套管隔住第四系，以96mm口徑終孔。下套管過程中，在108mm套管入巖部分的外壁上涂抹黃油，并密封好孔口，為便于終孔后起拔套管。
3鉆進(jìn)參數(shù)選擇
鉆壓:孕鑲金剛石繩索取心鉆頭壓力的確定，按照單位壓力40～80kg/cm2計(jì)算。寶長年LF70鉆機(jī)孔底壓力的確定需要讀到鉆壓表上的兩個數(shù)值。開始鉆進(jìn)時，將油缸慢速給進(jìn)控制閥至于鉆進(jìn)位置，鉆具緩慢回轉(zhuǎn)向孔底接近但未接觸孔底時(懸吊狀態(tài))，鉆壓表顯示的值為孔內(nèi)鉆具總重量與油缸下行給進(jìn)力之和。當(dāng)鉆頭完全接觸孔底時，由于存在地層反作用力，鉆壓表顯示的數(shù)值會減小為另一個值，這兩個數(shù)值的差值稱為失壓值，失壓值乘以油缸有效面積(45cm2)即為孔底鉆壓。一般來說，在一定范圍內(nèi)鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的，但與此同時，單位進(jìn)尺金剛石的耗量也隨鉆壓的增大而增大［1］。過大的鉆壓會使金剛石耗量急劇增大，導(dǎo)致鉆頭使用壽命降低，影響繩索取心工藝優(yōu)勢的發(fā)揮。轉(zhuǎn)速:金剛石鉆進(jìn)是以高切削頻率表面疲勞破碎和小體積量體積破碎為主要碎巖機(jī)理，所以轉(zhuǎn)速是金剛石鉆進(jìn)工藝中保證鉆進(jìn)效率的重要因素。對于轉(zhuǎn)速的確定，按普通金剛石鉆頭鉆進(jìn)的圓周速度(孕鑲鉆頭1.5～3.0m/s)計(jì)算轉(zhuǎn)速。根據(jù)地層情況，巖石完整時，可適當(dāng)開較高的轉(zhuǎn)速，當(dāng)?shù)貙訌?fù)雜時，要將轉(zhuǎn)速控制在一定的范圍內(nèi)。泵量:繩索取心鉆進(jìn)時鉆柱與孔壁之間的環(huán)空間隙小，沖洗液上返流速快，加之孕鑲金剛石鉆頭所切削出的巖屑粒徑極小，所以一般而言，泵量的大小只要保證鉆頭冷卻、能夠排出巖屑即可，過大的泵量除了會抵消一定的鉆壓以外，還極易沖垮松散破碎地層，導(dǎo)致巖心缺失，不利于鉆進(jìn)。鉆進(jìn)參數(shù)的具體選擇可參見表1。
4沖洗液的配制及維護(hù)
根據(jù)鉆孔在不同孔段巖層變化及孔壁的完整程度，及時、靈活、有效地選用和調(diào)配使用不同類型和性能的沖洗液，并適時做好沖洗液的凈化、監(jiān)控及維護(hù)管理工作，是保證順利鉆進(jìn)的首要條件［2］。開孔鉆進(jìn)第四系覆蓋層時，沖洗液配方為1m3水+2%磺化瀝青(DLSAS)+2‰PAM。通過現(xiàn)場使用發(fā)現(xiàn)，DLSAS在覆蓋層巖心表面形成一層薄而韌的泥皮，巖心自內(nèi)管取出時幾乎為一個整體，證明DLSAS具有極佳的防塌護(hù)壁護(hù)心效果。鉆進(jìn)完整地層時，使用無固相沖洗液，配方為1m3水+1‰～2‰PAM。使用無固相沖洗液時，常由于巖屑沉淀不佳而導(dǎo)致沉淀箱中的沖洗液變成巖粉漿，從而導(dǎo)致泵壓高、孔內(nèi)巖粉無法排出，甚至發(fā)生燒鉆事故，影響正常鉆進(jìn)。現(xiàn)場解決這個問題的方法除了合理布置地面循環(huán)系統(tǒng)外，還應(yīng)要求班組勤換沖洗液，勤加清理沉淀箱以保證正常鉆進(jìn)。鉆進(jìn)酥松破碎、膠結(jié)性差、縮徑等遇水不穩(wěn)定地層時，對沖洗液的要求更高。要保證沖洗液失水量低、一定的粘度、良好的抑制性和剪切稀釋性。現(xiàn)場使用腐植酸鉀(KHm)－磺化瀝青(DLSAS)－高效植物膠復(fù)合低固相泥漿作為復(fù)雜地層沖洗液，配方為4%鈉土+1‰HV－CMC+4‰KHm+1%DLSAS+2‰植物膠。在配置時，按照先無機(jī)、后有機(jī)的順序加入，并保證有充足的攪拌時間。該配方在鉆進(jìn)酥松破碎的碳質(zhì)絹云千枚巖時取得了理想的應(yīng)用效果。此外，鉆進(jìn)時，將轉(zhuǎn)速控制在400r∕min之內(nèi)，將有效消除鉆桿內(nèi)固相顆粒掛壁結(jié)垢問題。設(shè)置沖洗液循環(huán)系統(tǒng)時，要保證循環(huán)槽的長度、坡度及檔板數(shù)量。防止沖洗液在循環(huán)槽中流速過高、沖洗液所攜帶的巖粉無法通過降速與結(jié)構(gòu)破壞作用而順利的凈化沉除［3］。
5鉆孔漏失治理
在勘探區(qū)上下兩巖組的鉆進(jìn)過程中，均出現(xiàn)了不同程度的漏失情況，我們以“預(yù)防為主，隨鉆堵漏”作為解決鉆孔漏失的主導(dǎo)思想，以801堵漏劑作為主要堵漏材料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，提前判斷漏失層位，在沖洗液中加入一定量的801隨鉆堵漏劑預(yù)防漏失。當(dāng)出現(xiàn)鉆孔漏失時，視漏失量的大小，加入1%～4%的801隨鉆堵漏劑，1%的磺化瀝青粉，并增加PAM的含量，配置成高粘漿液隨鉆堵漏。在勘探區(qū)使用該方法進(jìn)行鉆孔漏失的治理，實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性俱佳。
6鉆頭的使用
根據(jù)在礦區(qū)地層巖石硬度、研磨性及完整度，并結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，基本以8#Q系列繩索取心半合管底噴鉆頭作為主打鉆頭。在厚度較大、完整、硅化嚴(yán)重的白云質(zhì)大理巖及白云質(zhì)條帶狀大理巖時，則選用胎體硬度較低的10#鉆頭，底唇面均為尖齒環(huán)形。使用新金剛石鉆頭時要進(jìn)行初磨，一般先輕壓(正常鉆壓的1/3以內(nèi))、慢轉(zhuǎn)(200r/min左右)5～10min，再采用正常鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。在每個回次鉆進(jìn)開始時，也要對鉆頭進(jìn)行磨銳。
7測斜與巖心定向技術(shù)
使用單點(diǎn)照相測斜儀，儀器羅盤技術(shù)參數(shù):斜孔方位角0～360°，傾角0～90°，直孔方位角0～360°，傾角0～90°。該儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、測量精確度高等特點(diǎn)。為便于測斜，在測斜儀外保護(hù)管上焊接了可以直接與打撈器鋼絲繩接頭連接的母扣，有效減少了測斜輔助時間。為了適合在斜孔內(nèi)測量，在測斜儀外保護(hù)管上部加工了扶正器，使測斜儀可以探出鉆頭并懸吊在鉆頭內(nèi)臺階處進(jìn)行測量，保證了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。2011年，使用HQ\HQ3ActⅡ型隨鉆巖心定向儀，共完成鉆孔60個，在其中57個鉆孔共3848個回次進(jìn)行了巖心定向，有3472個回次定向操作成功，巖心定向成功率達(dá)到了90%。該儀器是設(shè)計(jì)與HQ\HQ3繩索取心鉆具配合在斜孔中使用的巖心定向儀器，當(dāng)HQ3口徑鉆進(jìn)時可以通過連接在內(nèi)管總成上的ACT測量儀器(定向工作儀)進(jìn)行巖心定向測量工作，回次鉆進(jìn)結(jié)束后將內(nèi)管打撈起來，使用地表控制儀器與ACT測量儀器對接，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比后可確定出巖心管內(nèi)巖心在孔內(nèi)原始狀態(tài)下重力低邊的位置，從而完成對巖心實(shí)際空間產(chǎn)狀的測量。每套儀器可配備兩套HQ3內(nèi)管總成使用，除增加一定的操作輔助時間外，對鉆進(jìn)深度和純進(jìn)尺速度沒有任何影響。
8上巖組酥松破碎、斷層泥巖段施工工藝
使用HQ3半合管+底噴鉆頭鉆進(jìn)工藝。在使用時，內(nèi)管與鉆頭臺階的距離要小于普通繩索取心內(nèi)管與鉆頭臺階的距離，在1mm以內(nèi)，保證足夠的沖洗液由鉆頭底面噴嘴流出，不會沖刷巖心導(dǎo)致巖心缺失;在取心率低的地層采用短回次(0.5～1.0m)、低參數(shù)鉆進(jìn)(鉆壓≯10kN，轉(zhuǎn)速≯400r∕min，泵量≯70L∕min)，以保證采取率;發(fā)生巖心堵塞要立即打撈內(nèi)管，保證巖心不磨損、不燒鉆;起下鉆速度要均勻，不可猛起猛放，下鉆時，應(yīng)先下外管，再下內(nèi)管，以防止抽吸壓力過大從而增加孔壁失穩(wěn)的可能性，保證孔壁穩(wěn)定;使用腐植酸鉀(KHm)－磺化瀝青(DLSAS)–高效植物膠、復(fù)合低固相泥漿為沖洗液，并保證沖洗液的性能，嚴(yán)禁與PAM無固相沖洗液在裸眼狀態(tài)下頻繁更替使用;及時回灌沖洗液，保證液柱壓力能夠平衡孔壁應(yīng)力;
9下巖組硬巖層施工工藝
使用胎體硬度相對較軟的10#鉆頭鉆進(jìn)。適當(dāng)加大鉆壓強(qiáng)迫鉆頭進(jìn)尺，迫使胎體磨損金剛石出露，待正常后立即恢復(fù)原來鉆壓，但要注意過度加壓會導(dǎo)致鉆孔彎曲度增加;磨料選用機(jī)場周圍挑選的未風(fēng)化的石英巖，碎至6～7cm3，一般一次投入10～15粒，保證孔底壓力12kN左右，低轉(zhuǎn)速、小泵量，10～20轉(zhuǎn)后將鉆頭提離孔底，反復(fù)8～10次后再正常給水鉆進(jìn)［4］。孔底磨鉆頭法效果明顯，但鉆頭磨損很快，使用需慎重，且輔助時間長、成本高，投入時應(yīng)將磨料逐一投入，不可一次性全部投入，以免在鉆桿內(nèi)架橋。
結(jié)語
(1)在青龍灘勘探區(qū)的鉆探施工中，通過加強(qiáng)鉆探技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)，采用有效、合理的技術(shù)措施，相繼解決了硬巖鉆進(jìn)、鉆孔坍塌、松散破碎層取心等技術(shù)難題，有效降低了孔內(nèi)事故率，保障了鉆探施工生產(chǎn)。(2)成功應(yīng)用了巖心定向技術(shù)，拓寬了施工技術(shù)范圍，增強(qiáng)了施工隊(duì)伍的技術(shù)能力及市場競爭力。今后將重點(diǎn)解決繩鉆巖心堵塞問題，以求進(jìn)一步提高鉆進(jìn)效率。
