羅治奇

(核工業(yè)天津工程勘察院,天津 301800)

中放廢液處置場強(qiáng)自然造斜地層鉆進(jìn)的防斜糾斜

羅治奇

(核工業(yè)天津工程勘察院,天津 301800)

核廢液的永久性處置是一個世界性難題,其技術(shù)和安全可靠性要求極高,因此,對處置場的勘察和鉆探技術(shù)質(zhì)量要求極嚴(yán)。我國某壓裂場是強(qiáng)自然造斜地層,其場地勘察和監(jiān)測井的鉆探施工孔斜是關(guān)鍵難題。在處置場的勘察和γ監(jiān)測井的鉆探施工中,通過采取相應(yīng)的防斜糾斜工藝和技術(shù)方法,取得了良好的防斜糾斜措施,達(dá)到了勘察和監(jiān)測井設(shè)計要求的各項質(zhì)量指標(biāo),保證了勘察和鉆探施工質(zhì)量。

核廢液處置場;造斜地層;防斜;糾斜;螺桿鉆

0 前言

放射性廢液的永久性處置對環(huán)境和安全要求極高,否則將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我國某中放廢液處置場采用水力壓裂水泥固化法處置中放廢液,即將中放廢液壓入一個穩(wěn)定的、與周圍水力隔絕的地質(zhì)體中永久存放,使之與生物圈隔絕。因此,對處置場的選址要求極高,對勘察和鉆探施工的技術(shù)、質(zhì)量也要求極嚴(yán)。

1 場地勘察和監(jiān)測井鉆井對孔斜的要求

在處置場老井場地和新井場地2個壓裂場地的水文地質(zhì)勘察和γ監(jiān)測井的鉆探施工和水文地質(zhì)實驗、物探測井中,除要求查明場地的地質(zhì)狀況和水文地質(zhì)條件外,對其它各項質(zhì)量指標(biāo)要求極高極嚴(yán)。在此強(qiáng)自然造斜地層中要求孔斜<1°/100 m,以使各勘察井和γ監(jiān)測井所處的空間位置離注射井相對準(zhǔn)確,能準(zhǔn)確測定圈出漿液注射后中放廢液漿片的分布范圍和深度,起到準(zhǔn)確的監(jiān)測作用,從而保證壓裂處置廢液的安全。

2 場區(qū)地層與自然造斜情況

處置場場地地層主要為志留系馬溪統(tǒng)(S1)、泥盆中統(tǒng)(D2)及第四系(Q)地層,巖層主要為泥質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖、粉沙質(zhì)泥巖;場區(qū)地層走向為北東—南西向,巖層傾角40°～60°。

由于頁巖和泥巖的各向異性差異極大,加之地層產(chǎn)狀較陡,使得場地地層自然造斜十分嚴(yán)重,地層的走向、傾角直接影響鉆孔的頂角和方位的變化,尤其以巖層傾角在40°～60°造斜最為嚴(yán)重,是勘察和鉆探施工對質(zhì)量指標(biāo)影響最突出的技術(shù)難題。原在該老場區(qū)勘察施工的單位,施工鉆孔的平均孔斜15.98 m/100 m,最大孔斜達(dá)28.5 m/100 m,孔斜嚴(yán)重程度由此可見一斑。因此,在該場地的勘察和鉆探施工中,要突出解決的是孔斜問題。

3 預(yù)防孔斜的工藝技術(shù)措施

根據(jù)對前人在該場地初期鉆探施工資料的分析和我們的初步鉆探施工進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)場區(qū)鉆孔均朝120°～150°方位偏斜,其偏斜方位有規(guī)律可尋。根據(jù)場地地層的自然造斜規(guī)律,采用相應(yīng)的工藝技術(shù)方法預(yù)防,收到了較好的防斜效果。

3.1 根據(jù)地層造斜規(guī)律,反方位安裝鉆機(jī),預(yù)留提前量

根據(jù)場地鉆孔均朝向120°～150°方位跑斜的規(guī)律,在修建機(jī)場和安裝鉆機(jī)時盡可能將機(jī)場和鉆機(jī)走向方位調(diào)到(120°～150°)±90°,鉆機(jī)立軸朝向310°～330°之間,將鉆機(jī)立軸鉆桿頂角調(diào)到50′～1°,使鉆孔開孔向地層自然造斜反方位鉆進(jìn),輔之以合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),使鉆孔在一定深度內(nèi)難以回到垂直和轉(zhuǎn)向自然造斜方位跑斜,確保開孔階段朝反向鉆進(jìn)。

3.2 把好開孔、換徑關(guān)

開孔時采用輕壓慢轉(zhuǎn),鉆進(jìn)5 m后測斜,保證頂角在50′～1°、方位角在310°～330°之間,否則要修正鉆孔。鉆進(jìn)孔深到2 m后換用較長粗徑鉆具,保證其較好的導(dǎo)向性。見完整基巖下好套管后,換徑時帶導(dǎo)正器,采用高轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn),防止粗徑孔段孔壁間隙大、鉆桿彎曲而導(dǎo)致孔斜。小徑基孔鉆進(jìn)10 m后方可取掉導(dǎo)正器,進(jìn)行正常鉆進(jìn)。基孔鉆至設(shè)計孔深后擴(kuò)孔至設(shè)計孔徑。

3.3 合理選用鉆具和鉆進(jìn)方法

選用“75 mm小口徑金剛石繩索取心鉆具進(jìn)行小徑基孔鉆進(jìn)。因為“75 mm繩索取心鉆具剛性好,鉆桿不易彎曲,鉆桿與孔壁的環(huán)狀間隙小,可減小鉆孔孔斜。此外,使用繩索取心鉆具還可提高鉆進(jìn)效率和巖心采取率,巖心的質(zhì)量好,能準(zhǔn)確反映出地層的真實情況。

3.4 選用適宜的鉆進(jìn)參數(shù),控制鉆進(jìn)效率

觀察發(fā)現(xiàn),在此場地鉆進(jìn)時,只要鉆進(jìn)壓力較大,進(jìn)尺速度過快,其孔斜就明顯增大很快,甚至難以控制孔斜。如ZK10-11孔40～90 m孔段,孔深40 m時頂角45′,方位角85°,當(dāng)時機(jī)臺未控制鉆壓和進(jìn)尺速度,每臺班鉆進(jìn)8～10 m,到孔深95 m時,頂角增至2.2°,方位角轉(zhuǎn)到135°,只好進(jìn)行糾斜。因此,在小徑基孔鉆進(jìn)中合理選用鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù),適當(dāng)控制進(jìn)尺速度十分重要。正常情況下應(yīng)采用高轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn),鉆進(jìn)參數(shù)為:轉(zhuǎn)速600～1000 r/ min,鉆壓8～10 kN,水量60～70 L/min,進(jìn)尺速度控制在不超過1 m/h,當(dāng)鉆孔彎曲有明顯增加趨勢時,減小鉆壓并控制進(jìn)尺時效在0.8 m以內(nèi),使孔斜逐漸減小直到符合要求,方可恢復(fù)正常參數(shù)鉆進(jìn)。

通過采用適宜的鉆進(jìn)工藝,收到了較好的防斜效果。

在老井場地ZK6-2孔,孔深260 m時,鉆孔頂角0.9°,280 m時頂角1.2°,當(dāng)時未控制鉆壓和進(jìn)尺速度,鉆至孔深300 m時頂角增至1.7°、方位角135°,孔斜已超出設(shè)計要求。因280～300 m孔段孔斜增加趨勢明顯增大,方位角也轉(zhuǎn)到135°自然造斜最強(qiáng)方位,開始采用控制鉆壓和進(jìn)尺速度的技術(shù)措施,采用減壓鉆進(jìn),控制小時進(jìn)尺速度在0.5～0.6 m,轉(zhuǎn)速765 r/min,鉆壓5～6 kN,鉆至孔深320 m,頂角減小到1.4°,用此鉆進(jìn)參數(shù)繼續(xù)鉆進(jìn)到孔深340 m,頂角減小到1.1°,方位角未變,然后恢復(fù)用正常參數(shù)鉆進(jìn),順利鉆到502.63 m設(shè)計孔深終孔,達(dá)到設(shè)計要求。ZK6-6孔亦通過采用此方法把孔斜控制在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

在新井場地ZK10-5孔,鉆機(jī)安裝方位為30° (因機(jī)場受地形條件限制,鉆塔底座已不能再調(diào)整方位了),立軸方位朝向300°,頂角提前量調(diào)到1°開孔,由于鉆進(jìn)參數(shù)合理,每小時進(jìn)尺控制在0.8 m內(nèi),鉆到孔深160 m時頂角仍為1°,方位角298°,孔深197 m時,頂角仍保持1°,方位角280°,230 m時頂角0.8°,方位角280°,直到孔深300 m時,頂角才回到0.2°,孔深338 m時,方位角已轉(zhuǎn)到110°,頂角0.5°,此時采用進(jìn)一步減小鉆壓和減慢進(jìn)尺速度,到380 m孔深,頂角0.7°,方位角135°,到500 m孔深,頂角1.8°,方位角137°,控制進(jìn)尺速度直到550 m孔深后,其孔斜已完全有把握不超過1°/100 m的設(shè)計要求,方適當(dāng)增大鉆壓,提高進(jìn)尺效率,鉆到設(shè)計孔深600 m時,頂角4.5°。

上述幾孔通過采用工藝和技術(shù)措施防斜,完全達(dá)到設(shè)計要求。

3.5 加強(qiáng)測斜工作,指導(dǎo)鉆探施工

鉆進(jìn)過程中要加強(qiáng)指導(dǎo)性測斜工作,隨時監(jiān)測鉆孔軌跡的變化,正常情況下每25 m測斜一次,當(dāng)孔斜變化增大時,每10 m測斜一次,為指導(dǎo)鉆進(jìn)參數(shù)的選用提供依據(jù),指導(dǎo)鉆探施工。

通過采用適宜的工藝技術(shù),選用適宜的鉆進(jìn)參數(shù),使防斜取得了好的效果,使在此兩場地施工的70%以上的鉆孔孔斜均得到了有效控制,達(dá)到了設(shè)計要求,其孔斜情況見表1。

4 糾斜器具和工藝技術(shù)方法

當(dāng)采用預(yù)防工藝技術(shù)措施未能控制鉆孔的彎曲度,發(fā)生孔斜超過設(shè)計要求時,采用糾斜方法來保證鉆孔孔斜達(dá)到設(shè)計要求。

4.1 水泵和糾斜器具的選用

糾斜選用LG75型螺桿鉆糾斜器具,HSZ-54型孔內(nèi)定向儀。水泵的選用既要滿足正常鉆進(jìn)的需要,又能滿足螺桿鉆糾斜對其水量和壓力的要求,以免機(jī)臺多配用水泵,一般在500 m以內(nèi)孔深段糾斜選用BW250/50、BW200/80型水泵可滿足要求。

表1 孔斜控制情況

4.2 螺桿鉆工作原理

用水泵提供高壓水做動力,通過鉆桿和彎外管接頭(接頭管內(nèi)含定向裝置),將高壓水送至鉆頭上部的螺桿鉆泵體內(nèi),高壓水能驅(qū)動螺桿鉆泵體內(nèi)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)將高壓水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動螺桿鉆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,通過變徑接頭與鉆頭連接并回轉(zhuǎn),使鉆頭定向破碎和克取巖石,使鉆孔朝預(yù)定方位彎曲鉆進(jìn),從而達(dá)到糾斜(參見圖1)。

圖1 鉆具糾斜工作示意圖

4.3 糾斜步驟

糾斜時,在地表先實驗好螺桿鉆運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常,定向儀是否準(zhǔn)確,然后將螺桿鉆與鉆桿連接好(各絲扣部位要密封好)下到離孔底10 cm處,再把定向儀接頭通過鉆桿內(nèi)下放到螺桿鉆上部的定向接頭管內(nèi)進(jìn)行定向,定好向后將孔內(nèi)鉆桿與立軸鉆桿連接好,連接時注意孔內(nèi)鉆桿不能轉(zhuǎn)動,把立軸由導(dǎo)管專用卡夾固定,保證鉆具在糾斜鉆進(jìn)過程中因螺桿鉆的反扭矩力作用不能轉(zhuǎn)動而只能上下移動,使之不偏離定好的糾斜方位。

4.4 糾斜工藝技術(shù)

糾斜定位時,將糾斜方位定在鉆孔偏斜的反方位上,如鉆孔偏斜方位135°,糾斜則定位為135°+ 180°=315°。

為避免糾斜彎曲過大過急,形成“狗腿”,造成以后鉆進(jìn)該處斷鉆桿,一般選用2°～2.5°的彎接頭,控制其造斜強(qiáng)度在0.35°/m以內(nèi)。

各項準(zhǔn)備工作做好后,即可進(jìn)行糾斜鉆進(jìn),開泵送水待螺桿鉆運(yùn)轉(zhuǎn)正常后,將鉆具緩慢落到孔底,進(jìn)行糾斜鉆進(jìn)。糾斜鉆進(jìn)參數(shù)一般選用:鉆壓8～10 kN,泵量180～220 L/min,泵壓4～5 MPa。

一個糾斜段的糾斜工作完成后,采用低轉(zhuǎn)速、小鉆壓鉆進(jìn)1～2個臺班,使糾斜段、尤其是拐點磨得平滑一些,并使鉆孔朝糾斜后的方位延伸一段距離,然后恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

ZK10-11孔因機(jī)場受地形條件限制,鉆機(jī)安裝方位角75°,頂角1°,鉆進(jìn)到孔深110 m時,方位角已轉(zhuǎn)到150°,頂角2.4°,開始進(jìn)行糾斜,使鉆孔頂角回落變小,該孔共進(jìn)行了6段次糾斜,終孔600 m處頂角4.4°,使孔斜達(dá)到設(shè)計要求,保證了鉆孔質(zhì)量。兩場地鉆孔糾斜效果見表2。

5 孔斜質(zhì)量效果

通過采取上述防斜、糾斜工藝技術(shù)方法,在老、新壓裂場地強(qiáng)自然造斜地層的勘察和γ監(jiān)測井的鉆探施工中,取得了良好的防斜糾斜效果,全部鉆孔孔斜均達(dá)到和小于設(shè)計要求,遠(yuǎn)小于其它單位在此場地施工的孔斜,也遠(yuǎn)小于美國同類地層處置場的鉆探孔斜率(見表3),保證了鉆孔空間位置的精度和對漿片分布區(qū)間測定的需要,滿足了設(shè)計要求,達(dá)到國際先進(jìn)水平。

6 結(jié)語

在強(qiáng)自然造斜地層鉆進(jìn),采用適宜的鉆探工藝和防斜、糾斜技術(shù)方法,可減小和防止鉆孔發(fā)生較大偏斜,使孔斜達(dá)到設(shè)計要求,保證鉆探質(zhì)量,特別是通過采取預(yù)防措施,防止孔斜超差,減少了糾斜時間,提高了施工效率,也降低了施工費(fèi)用,提高了經(jīng)濟(jì)效益。但不同地區(qū)地層產(chǎn)狀、巖性不同,其孔斜規(guī)律也不一樣,應(yīng)根據(jù)不同地層條件和偏斜規(guī)律,采用相適宜的預(yù)防措施和工藝技術(shù)方法,才能取得好的效果。

表2 糾斜成果表

表3 防斜糾斜成果

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Deviation Prevention and Correction for Intermed iateLevelWasteL iquidD isposal Field in Strong Natural Whips-tocking Stratum Drilling/LUO Zhi-qi

(Tianjin Engineering Surveying Institute of Nuclear Industray,Tianjin 301800, China)

Because of very high requirements on the technique and safety,the permanent disposalof nuclearwaste liquid is a worldwide difficulty,and investigation on disposal field and drilling technology is strictly demanded.The paper introduced a fracturing field in China,which is in strong naturalwhipstocking stratum;the field investigation and hole deviation inmo2 nitoringwell drilling are important difficulties.Relative technologies of deviation prevention and correction were adopted for drilling construction in investigation of 2 disposal fields andγmonitoringwellwith good effect.

nuclearwaste liquid proposal field;whipstocking stratum;deviation prevention;deviation correction;screw drill

P634.7

A

1672-7428(2010)12-0009-04

2010-06-07;

2010-10-13

羅治奇(1951-),男(漢族),湖南人,核工業(yè)天津工程勘察院高級工程師,探礦工程專業(yè),從事地質(zhì)勘察與巖土鉆掘工作,天津市寶坻區(qū)36號信箱,lzq1953@126.com。