張秋冬，王興民，張新春，邢向渠，申云飛，王俊杰，魏 慶

(1.河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450053;2.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

0 前言

云南騰沖火山－地?zé)幔瓨?gòu)造帶科學(xué)鉆探預(yù)導(dǎo)孔鉆探施工，是2008年啟動(dòng)的國家科技專項(xiàng)“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”——專項(xiàng)五“大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探實(shí)驗(yàn)”的子課題之一。云南騰沖縣境內(nèi)分布著新生代火山68座，溫泉139處，也是西南著名的地震活動(dòng)區(qū)，集大型走滑構(gòu)造、巖漿活動(dòng)、地?zé)岷痛笮陀猩饘俪傻V作用于一體，是實(shí)施科學(xué)鉆探工程的首選地區(qū)之一。本項(xiàng)目擬通過一口2000 m科學(xué)鉆探預(yù)導(dǎo)孔施工，服務(wù)于以下科學(xué)研究工作:為高熱異常區(qū)進(jìn)行鉆探工作提供各種地質(zhì)地球物理參數(shù);論證該區(qū)進(jìn)行深孔科學(xué)鉆探的必要性和可能性;研究該區(qū)新生代火山作用和構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系，大型走滑構(gòu)造與巖漿活動(dòng)和成礦作用背景，為礦產(chǎn)資源開發(fā)和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù);為騰沖開展科學(xué)深鉆做可行性技術(shù)準(zhǔn)備。而復(fù)雜火山地層孔段取心鉆探施工，是本科學(xué)鉆探孔施工的重要環(huán)節(jié)。

1 地層及技術(shù)要求

1.1 鉆遇地層

工作區(qū)內(nèi)出露的地層主要為元古界高黎貢山群構(gòu)造巖層、古生界二疊系、中生界三疊系碳酸鹽巖石地層、新生界新近系和第四系堆積物，其它的地層缺失。該預(yù)導(dǎo)孔位于騰沖火山國家公園之內(nèi)，緊鄰大空山、小空山，受多期火山噴發(fā)的影響，鉆遇地層上部以可鉆性較好的氣孔狀玄武巖、安山巖為主，中部為可鉆性一般的泥沙巖、大理巖等，下部為可鉆性較差的花崗巖地層。地層呈現(xiàn)渣、灰、空、砂交替出現(xiàn)情況，與地表深部采坑出露地層吻合(見圖1)。所謂“渣”實(shí)際上是氣孔狀玄武巖，由于氣孔過于發(fā)育，呈現(xiàn)煤渣狀，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極低，空隙四通八達(dá)，鉆井液、壓縮空氣均全孔漏失。而所謂“灰”實(shí)際上是尚未成巖的火山灰，吹口氣即能煙消云散。而所謂“空”則是沒有任何充填物的空洞。“砂”其實(shí)就是從粉砂、細(xì)砂到粗砂的流沙層，沒有任何膠結(jié)，鉆具提離鉆孔，流砂立即充填鉆孔。

圖1 采坑及鉆孔地層顯示

1.2 技術(shù)要求

(1)鉆孔深度:2000 m或達(dá)到目的層花崗巖;

(2)鉆孔傾角:90°(直孔);

(3)終孔直徑:≮152 mm;

(4)取心要求:全孔連續(xù)取心，巖心直徑≥60 mm，巖心采取率≥85%;

(5)孔斜要求:鉆孔偏斜≯1.5°/100 m，終孔孔斜≤15°，最大“狗腿”度≯2°/30 m。

2 火山復(fù)雜地層鉆探施工難點(diǎn)及對(duì)策

鉆孔所在區(qū)域204 m以淺以多期火山噴發(fā)地層為主，地層裂隙發(fā)育，空洞、無膠結(jié)火山灰頻繁出現(xiàn)，地層呈現(xiàn)為全漏失特點(diǎn)，雨季雖然大雨不停，但地面基本沒有積水，全部漏失。

2.1 鉆探施工難點(diǎn)

(1)鉆遇地層復(fù)雜，掉塊、塌孔、漏漿嚴(yán)重，不能建立正常的泥漿循環(huán)，巖屑無法被攜帶至地面。

(2)施工區(qū)嚴(yán)重缺水，人畜飲水都非常困難，生產(chǎn)用水不能保證，必須到幾十千米之外買水。

2.2 針對(duì)鉆探施工難點(diǎn)采取的對(duì)策

(1)針對(duì)缺水、漏漿的地層特點(diǎn)，采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)鉆進(jìn)。如果使用泥漿頂漏鉆進(jìn)，必須大量用水，以及泥漿材料的大量使用，將導(dǎo)致鉆探成本高的弊端。空氣鉆進(jìn)采用跟取粉管的跟管技術(shù)，地層掉塊及大顆粒物質(zhì)直接裝入取粉管帶出孔外，避免卡鉆事故的發(fā)生，較小顆粒巖屑隨著空壓機(jī)的強(qiáng)大氣流，充填入地層孔隙或直接吹出孔外。

(3)該鉆孔150 m以深見水。入水后，繼續(xù)空氣鉆進(jìn)至合適孔段下套管固井(本孔二開244.5 mm套管下深204 m)，三開換成泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)。

3 空氣鉆進(jìn)主要設(shè)備及工具

204 m以淺孔段空氣鉆進(jìn)，使用的主要設(shè)備及工具如下。

(1)鉆機(jī):選用石家莊煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的GZ－3000型水源鉆機(jī)，89 mm鉆桿鉆進(jìn)深度為3000 m;

(2)空壓機(jī):現(xiàn)場(chǎng)使用的為一臺(tái)英格索蘭RHP825E空壓機(jī)，容積流量23.5 m3/min，排氣壓力2.07 MPa;

(3)取心筒:石油川6－3單動(dòng)雙管取心筒;

(5)潛孔錘:擴(kuò)孔時(shí)使用嘉興生產(chǎn)的JWD－350型潛孔錘，錘頭400 mm;

(6)取心鉆頭:主要為武漢萬邦激光金剛石工具有限公司生產(chǎn)的熱壓金剛石普通取心鉆頭和金剛石底噴式取心鉆頭。

4 空氣取心鉆進(jìn)

4.1 鉆具組合

4.2 鉆進(jìn)工藝

火山巖地層硬度較大，主要用川6－3石油單動(dòng)雙管鉆具和熱壓金剛石鉆頭空氣回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)。

川6－3單動(dòng)雙管鉆具是石油系統(tǒng)較普遍使用的一種可靠的取心鉆具，設(shè)計(jì)卡簧錐度大，卡心可靠、外管管壁較厚、使用安全，但鉆頭唇面較厚，影響機(jī)械鉆速。采用這種鉆具在2種不同硬度巖石的鉆進(jìn)情況見表1。

表1 152 mm金剛石取心鉆頭在不同硬度火山巖的鉆進(jìn)情況

表1 152 mm金剛石取心鉆頭在不同硬度火山巖的鉆進(jìn)情況

鉆進(jìn)孔段/m純鉆時(shí)/h機(jī)械鉆速/(m·h－1)轉(zhuǎn)速/(r·min－1)鉆壓/kN風(fēng)量/(m3·h－1) 備 注4.63～28.67 28 0.85 72 10 23.3 22 m以淺為氣孔玄武巖28.67～34.28 15 0.37 43 20 23.3致密安山巖

采用表1鉆進(jìn)參數(shù)，在較完整的玄武巖地層中取出的巖心表面光滑，巖心采取率也較高。最長(zhǎng)巖心1.1 m，鉆頭冷卻正常。用該型號(hào)鉆具取出的巖心見圖2。

圖2 玄武巖巖心

5 空氣擴(kuò)孔鉆進(jìn)

5.1 鉆具組合

遇水前和遇水后背壓不大情況下，為了提高擴(kuò)孔效率，采用潛孔錘擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)。這種方式的鉆具組合是:400 mm錘頭+潛孔錘+377 mm取粉管+89 mm鉆桿。遇水后，背壓較大，潛孔錘擴(kuò)孔效率降低后，使用組合式牙輪鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)。這種方式的鉆具組合是:400 mm組合式牙輪鉆頭+377 mm取粉管+159 mm鉆鋌+121 mm鉆鋌+89 mm鉆桿。2種方式均在鉆具下部加大直徑的取粉管，一是保證鉆孔垂直度，二是解決由于孔徑較大的返渣問題，避免造成埋鉆事故。2種鉆具組合形式見圖3。

圖3 擴(kuò)孔鉆具組合形式

5.2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

潛孔錘擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓不超過10 kN，轉(zhuǎn)速23 r/min。400 mm潛孔錘擴(kuò)孔情況見表2。隨著鉆孔內(nèi)水位的加深，背壓的增加，擴(kuò)孔效率降低。同時(shí)由于所配置的空壓機(jī)能力較小，潛孔錘擴(kuò)孔效率沒有很好的發(fā)揮。

表2 潛孔錘擴(kuò)孔情況

鉆壓過大和過小都會(huì)影響潛孔錘鉆進(jìn)的正常工作。過大則會(huì)引起鉆頭的過早磨損，球齒掉落，回轉(zhuǎn)困難;過小將影響沖擊功的有效傳遞。如回轉(zhuǎn)速度低，不僅會(huì)產(chǎn)生重復(fù)破碎，影響效率的提高，而且鉆頭球齒也易發(fā)生鑿入碎巖坑穴中，造成回轉(zhuǎn)困難和鉆頭的損壞。如果回轉(zhuǎn)速度過高，則不僅會(huì)使沖擊碎巖的作用減弱，而且會(huì)造成鉆頭的強(qiáng)烈磨損，使沖擊碎巖轉(zhuǎn)化為切削碎巖，造成效率低、鉆頭磨損嚴(yán)重。

組合式牙輪鉆頭擴(kuò)孔，鉆壓30～40 kN，轉(zhuǎn)速72 r/min。由于牙輪鉆進(jìn)的特殊性，需要較大的鉆壓，將取粉管和鉆鋌組合起來。這樣的鉆具組合較笨重，為了倒巖屑方便，下托盤設(shè)置雙托盤裝置，倒粉時(shí)將最下一個(gè)托盤卸開，巖粉從第一個(gè)托盤預(yù)留的出渣孔漏出(見圖4)。由于地層較硬，大口徑組合式牙輪鉆頭鉆探效率不高，鉆壓30～40 kN，轉(zhuǎn)速72 r/min，平均機(jī)械鉆速0.4 m/h?？諝庋h(huán)介質(zhì)對(duì)牙輪的潤(rùn)滑效果不好，經(jīng)常出現(xiàn)牙輪掌內(nèi)進(jìn)巖粉不轉(zhuǎn)圈，憋車等現(xiàn)象。

圖4 雙托盤裝置

為了保證孔底干凈，不造成埋鉆等事故，2種擴(kuò)孔鉆進(jìn)方法都控制回次進(jìn)尺，一般不超過5 m。當(dāng)巖粉過多，超過取粉管的容積時(shí)，孔內(nèi)多余的巖粉容易造成埋鉆事故。

6 空氣鉆進(jìn)取粉管技術(shù)

利用空氣的氣流進(jìn)行洗孔排除巖屑屬于氣力輸送問題。巖屑在空氣流介質(zhì)中，因本身的粒度、密度和形狀的不同而具有不同的自由懸浮速度。球體自由沉降時(shí)，球體既不上升，也不下降，呈擺動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)流體的速度稱為該物體的自由懸浮速度，因此，鉆孔環(huán)狀空間內(nèi)上返風(fēng)速必須大于巖屑的懸浮速度。壓風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量按下式計(jì)算:

式中:Q——空風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量，m3/min;V——上返風(fēng)速，一般取15～25 m/s;D——鉆孔實(shí)際直徑，m;d——鉆桿外徑，m;K1——孔深修正系數(shù)，一般孔深在100～200 m時(shí)，K1=1.05～1.1，孔深在500 m時(shí)，K1=1.25～1.3;K2——孔內(nèi)有涌水時(shí)的風(fēng)量增加系數(shù)，與涌水量有關(guān)，中小涌水量時(shí)，K2=1.5。

根據(jù)上述公式計(jì)算，當(dāng)供風(fēng)量為23.5 m3/min且能夠滿足上返風(fēng)速15 m/s時(shí)，200 m以淺孔段，取粉管外徑≥358 mm，即在這種取粉管與孔壁形成的環(huán)隙中，上返風(fēng)速能夠達(dá)到潛孔錘正常鉆進(jìn)的理論風(fēng)速。故在設(shè)計(jì)的400 mm孔段中安裝377 mm取粉管，保證了孔底巖屑能夠正常的返到取粉管之上，一部分裝入取粉管，由取粉管帶出孔外，一部分吹出孔外或者裂隙，保證孔底清潔。

7 鉆具防倒吸裝置設(shè)計(jì)

空氣取心鉆進(jìn)及擴(kuò)孔時(shí)，當(dāng)進(jìn)入地下水位較深時(shí)(雨季水位基本在65 m)，鉆進(jìn)回次終了停風(fēng)后，回氣倒吸現(xiàn)象常常造成孔內(nèi)巖屑堵塞雙管環(huán)隙及擴(kuò)孔時(shí)潛孔錘內(nèi)腔。嚴(yán)重時(shí)由于倒吸巖屑較多，卡死雙管鉆具，造成報(bào)廢，見圖5。為了減輕這種倒吸造成的麻煩，在取心鉆具上接頭或者潛孔錘上接頭加裝自制的單向閥進(jìn)行控制，有效地減輕了巖屑倒吸堵塞鉆具的情況。但即使加上單向閥，由于考慮單向閥的密封精度，在回次終了停風(fēng)時(shí)，也要堅(jiān)持緩慢放氣，防止快速放氣造成劇烈倒吸，影響鉆具的正常使用和孔內(nèi)安全。

圖5 巖屑倒吸現(xiàn)象

8 注意事項(xiàng)

(1)空氣取心鉆進(jìn)，特別是鉆孔較深，巖屑不能全部、及時(shí)的排出孔外，為了防止埋鉆等安全事故的發(fā)生，應(yīng)合理控制回次進(jìn)尺，減少孔內(nèi)巖屑?xì)埩簟?/p>

(2)由于空氣對(duì)地層及巖心的劇烈沖蝕作用，為了提高在該類地層中的巖心采取率，選擇使用底噴式取心鉆頭。

(3)大口徑鉆進(jìn)中，由于鉆具與孔壁環(huán)狀間隙較大，巖屑上返困難，必須采取取粉管跟管鉆進(jìn)工藝，及時(shí)將巖屑收集、攜帶出來，預(yù)防埋鉆。

(4)取粉管要盡量長(zhǎng)，保證鉆孔的垂直度。同時(shí)，取粉管不能簡(jiǎn)單地焊接在鉆具上，需要以絲扣方式連接，預(yù)防由于焊接的原因，造成材料局部變化，從而造成斷鉆具等事故的發(fā)生。

9 結(jié)語

通過空氣鉆進(jìn)工藝在騰沖火山－地?zé)幔瓨?gòu)造帶科學(xué)鉆探工程復(fù)雜火山地層的成功應(yīng)用，得出如下幾點(diǎn)體會(huì):

(1)多期噴發(fā)火山地層施工，由于地層的復(fù)雜性及不可預(yù)見性，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要為深部鉆探預(yù)留足夠多的套管程序;

(2)空氣鉆進(jìn)是大漏失火山復(fù)雜地層鉆探的首選鉆進(jìn)技術(shù)，與泥漿鉆進(jìn)工藝相比，不需要堵漏、水泥封孔等措施，施工簡(jiǎn)單、成本較低;

(3)取粉管跟管鉆進(jìn)中，要反復(fù)提鉆總結(jié)取粉管裝滿巖屑的最佳進(jìn)尺長(zhǎng)度，防止埋鉆事故的發(fā)生。

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