張國(guó)財(cái)

(吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春　130061)

漠河煤系地層取心鉆探施工技術(shù)

張國(guó)財(cái)

(吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春130061)

摘要：本文分析了影響取心鉆探施工效果的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序設(shè)計(jì)、取心鉆進(jìn)工藝方法、鉆桿柱、沖洗液等，以及施工中采取的措施。

關(guān)鍵詞:取心；煤層；套管；鉆桿柱；沖洗液

1施工簡(jiǎn)介

根據(jù)之前的漠河地質(zhì)資料了解到，工程位于漠河盆地大地構(gòu)造上處于褶皺弧與褶皺帶交匯處，盆地結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基底斷裂，殼斷裂，巖石圈斷裂發(fā)育，地層空間關(guān)系復(fù)雜。施工地層主要以泥巖、砂巖、砂礫巖和碎屑巖層等為主，屬于煤系地層，導(dǎo)致鉆探孔施工難度加大。鉆探孔是以找煤為目的地質(zhì)鉆孔，孔深1500～1800m。

漠河地區(qū)煤系地層復(fù)雜，實(shí)施深孔取心鉆探施工需要解決好以下幾個(gè)問(wèn)題：①鉆孔結(jié)構(gòu)、套管程序和鉆具級(jí)配問(wèn)題；②取心鉆進(jìn)方法的選用；③合理選擇鉆桿和液動(dòng)錘等配套機(jī)具，縮短施工期以利于孔壁穩(wěn)定；④采用的沖洗液必須具有抑制泥巖膨脹和穩(wěn)定砂礫層的作用，并配備除砂器。

2主要施工機(jī)具

在漠河地區(qū)煤系地層實(shí)施取心鉆探施工中，主要采用了：①XY-6B型立軸式巖心鉆機(jī)；②BW-250型高壓泥漿泵；③ 深孔用繩索取心鉆桿及鉆具；④ 繩索取心液動(dòng)錘；⑤ 除砂器；⑥SQ114繩索取心動(dòng)力鉗等設(shè)備機(jī)具。其中，整體熱處理的倒勾扣型深孔高強(qiáng)度繩索鉆桿、高效率的繩索取心液動(dòng)錘、確保起下鉆效率的繩索鉆桿動(dòng)力鉗、保證沖洗液質(zhì)量的小型除砂器等專(zhuān)用器具均為在該地區(qū)實(shí)施煤系地層深孔取心鉆探而專(zhuān)門(mén)配置的。

3鉆孔結(jié)構(gòu)及管具級(jí)配

施工中的鉆孔結(jié)構(gòu)、套管程序和鉆具級(jí)配問(wèn)題直接關(guān)系著鉆進(jìn)施工能否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)、施工效率和成本，是鉆探施工中的基本工藝環(huán)節(jié)。開(kāi)孔?108mm、終孔?59mm的孔身結(jié)構(gòu)適合于1500m以內(nèi)的常規(guī)金屬礦鉆孔設(shè)計(jì)，而對(duì)于煤系地層的深孔或特深孔來(lái)說(shuō)，存在著以下問(wèn)題：

(1)鉆孔環(huán)狀間隙小，循環(huán)阻力大，泵壓高；

(2)環(huán)狀間隙小導(dǎo)致壓力波動(dòng)大，孔壁穩(wěn)定性變差和鉆孔漏失的可能性增加；

(3)煤系地層間隙小阻力大，鉆桿強(qiáng)度不足；

(4)套管環(huán)狀間隙小，復(fù)雜地層下套管困難。

在漠河實(shí)施取心鉆孔過(guò)程中，圍繞著鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆套管程序，遵循的原則和采取的措施主要有：

(1)加大各種間隙，包括套管環(huán)空間隙和鉆桿環(huán)空間隙，這涉及鉆具級(jí)配問(wèn)題。確定鉆具級(jí)配遵循的原則是：鉆頭與套管之間的間隙應(yīng)保證鉆具在套管內(nèi)順利下人孔內(nèi)；套管環(huán)空間隙應(yīng)考慮在較復(fù)雜的地層條件下下套管和固井的可能性；

(2)鉆桿環(huán)空間隙應(yīng)有利于降低深鉆施工時(shí)鉆孔與鉆桿環(huán)空的壓降。根據(jù)此原則和施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)三個(gè)間隙的建議取值范圍是：上一級(jí)套管與下一級(jí)鉆頭的間隙≥1.5mm；套管環(huán)空間隙≥3mm；鉆桿環(huán)空間隙≥3.5mm；繩索取心內(nèi)管通過(guò)接頭間隙≥1.5mm。通過(guò)加大接頭壁厚來(lái)提高鉆桿柱的強(qiáng)度。

(3)本地區(qū)采用的鉆孔結(jié)構(gòu)(圖1)：① 開(kāi)孔為?130mm，終孔?77.5mm的三級(jí)結(jié)構(gòu)，增大口徑；②將?76mm鉆頭的口徑擴(kuò)大到?77.5mm，增大環(huán)空，防止泵壓過(guò)高使沖洗液強(qiáng)行壓入部分軟弱泥層，破壞孔壁穩(wěn)定造成孔壁坍塌；③儲(chǔ)備一級(jí)小口徑?59mm作為安全儲(chǔ)備。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

4取心鉆進(jìn)方法

長(zhǎng)期以來(lái)，本單位與其他兄弟單位在漠河及附近地區(qū)實(shí)施深孔取心鉆探的常用工藝方法有：① 提鉆取心方法；② 液動(dòng)錘/提鉆取心方法；③ 繩索取心方法；④ 液動(dòng)錘/繩索取方法；⑤ 不提鉆換鉆頭方法。在長(zhǎng)期工程施工中，根據(jù)積累的鉆探經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)這些方法進(jìn)行了一些技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析(見(jiàn)表1，圖2)，結(jié)論如下：

就巖心鉆探的實(shí)際效果來(lái)說(shuō)，深孔不適用于提鉆取心；液動(dòng)錘鉆進(jìn)方法在增加機(jī)械鉆速方面效果比較顯著，是一種高效和經(jīng)濟(jì)的鉆進(jìn)方法；對(duì)于深孔取心鉆進(jìn)，應(yīng)優(yōu)先考慮液動(dòng)錘/繩索取心方法。本工程進(jìn)行提鉆取心鉆進(jìn)時(shí)，還采用液動(dòng)錘來(lái)加大回次鉆進(jìn)長(zhǎng)度，可彌補(bǔ)提鉆次數(shù)多、輔助時(shí)間長(zhǎng)的不足。液動(dòng)錘是本地區(qū)巖心鉆探優(yōu)先選擇的鉆進(jìn)方法。

表1　不同取心鉆進(jìn)方法硬巖鉆進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)

圖5　不同方法的鉆進(jìn)施工時(shí)間比較

5深孔繩索鉆桿

繩索取心鉆桿柱是地質(zhì)深鉆施工最關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，對(duì)施工效果、安全性和經(jīng)濟(jì)性有顯著的影響。隨著鉆孔深度的加深，鉆具斷裂事故時(shí)有發(fā)生，因此，對(duì)鉆桿柱強(qiáng)度、質(zhì)量要求也越來(lái)越高。針對(duì)本工程的地質(zhì)鉆孔實(shí)際情況，特需解決取心鉆桿的強(qiáng)度、連接等技術(shù)難題，采取的措施有：

(1)采用強(qiáng)度高、韌性好的合金管材；

(2)加大鉆桿接頭厚度，優(yōu)化鉆桿螺紋連接，對(duì)稱(chēng)梯形螺紋和負(fù)角度梯形螺紋，鉆桿的抗拉強(qiáng)度和密封性顯著提高；

(3)對(duì)管體進(jìn)行熱處理，使其機(jī)械性能得到改善；

(4)采用組合式鉆桿柱(上部強(qiáng)度較高、重量較大的鉆桿柱+下部強(qiáng)度較低、重量較小的鉆桿柱)，以減輕鉆桿柱的總重量；

(5)改善鉆桿柱的擰卸，采用SQ114/8型液壓鉆桿鉗進(jìn)行快速機(jī)械化擰卸，準(zhǔn)確把握預(yù)擰緊扭矩與卸扣扭矩，不僅提高了施工效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還對(duì)繩索取心鉆桿起到了很好的保護(hù)作用。

6沖洗液

作為 “循環(huán)血液”的鉆孔沖洗液，在煤系深孔施工中尤其重要，我們采取措施有：

(1)采用長(zhǎng)春工程學(xué)院研制的PA、PB沖洗液、腐植酸鉀和氯化鉀配合使用。PA、PB沖洗液由6種化學(xué)物混合而成，其中起主要作用的是聚乙烯醇和兩種交聯(lián)劑。這種沖洗液的特點(diǎn)是形成鏈接的聚乙烯醇迅速吸附在固體表面形成薄而致密的膜，對(duì)破碎帶地層和松散砂礫層的護(hù)壁效果很好；而腐植酸鉀和氯化鉀對(duì)泥巖層的水化膨脹有良好的抑制作用。

(2)沖洗液配方為(在1m3沖洗液中各種材料的用量按kg計(jì))：PA∶PB∶腐植酸鉀∶氯化鉀=0.8∶0.2∶2∶2。

(3)沖洗液的性能指標(biāo)為：漏斗黏度20～22s；比重1.02～1.04；濾失量小于15mL/30min。

(4)下入?89mm套管之后如果地層較完整較硬而且無(wú)軟弱松散層時(shí)上述化學(xué)材料用量可減少20%～50%。

(5)鉆進(jìn)過(guò)程中采用小型除砂器不斷的清除沖洗液中的泥砂，確保沖洗液護(hù)壁性能的同時(shí)節(jié)省泥漿材料。

7鉆進(jìn)工藝措施

(1)采用?130mm硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)20～30m，徹底穿過(guò)松散覆蓋層之后，投泥球下入?127mm套管；用?96mm魚(yú)脊環(huán)槽式聚晶金剛石鉆頭加繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)到可鉆性大于Ⅳ級(jí)的完整砂巖后下入?89mm套管，套管深度在100～400m范圍內(nèi)選擇，套管底部和孔壁之間用水泥和黏土各半混合的球擠壓封閉；之后，采用?77.5mm孕鑲金剛石鉆頭和繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)到終孔。孕鑲金剛石鉆頭應(yīng)選擇粗粒、中等胎體硬度，即：金剛石粒度46目；胎體硬度HRC30～40。

(2)在選擇鉆進(jìn)參數(shù)時(shí)要充分發(fā)揮液動(dòng)錘鉆進(jìn)的優(yōu)越性，采用中等鉆壓和低轉(zhuǎn)速，即：鉆頭壓力10kN左右；轉(zhuǎn)速不超過(guò)400r/min；泵量52～90L/min。液動(dòng)錘鉆進(jìn)不僅能減輕巖心堵塞從而提高巖心采取率、增加回次進(jìn)尺長(zhǎng)度和鉆進(jìn)效率，而且能夠大幅度減少鉆孔彎曲，可以確保鉆孔彎曲度控制在一定范圍之內(nèi)。

(3)為防止孔內(nèi)事故的措施有：① 回次終了提出主動(dòng)鉆桿之后方能停泵，以免過(guò)早停泵在提出主動(dòng)鉆桿過(guò)程中產(chǎn)生抽吸作用造成孔壁坍塌；② 提鉆和取心提內(nèi)管總成的過(guò)程中必須堅(jiān)持往孔內(nèi)回灌沖洗液；③ 切忌在蹩泵的情況下來(lái)回掃孔，造成沖洗液強(qiáng)行擠進(jìn)軟弱地層中破壞孔壁穩(wěn)定；④ 取心操作：先停車(chē)，之后晃車(chē)，邊晃車(chē)邊用立軸上頂，最后停車(chē)用立軸將鉆具緩慢下放到孔底以檢查取心效果，避免回次終了只用立軸上頂而致使取內(nèi)管總成過(guò)程中卡簧底部漏出的巖心掉落在鉆桿內(nèi)，內(nèi)管總成下不到位造成提大鉆；⑤ 細(xì)心觀察巖心，遇松散、軟弱等不穩(wěn)定地層及時(shí)采取措施，提高沖洗液的防塌性能以保證孔內(nèi)安全。

8結(jié)語(yǔ)

在漠河地區(qū)煤系地層實(shí)施深孔取心鉆探難度大、成本高，影響施工效果的主要因素有鉆孔結(jié)構(gòu)和套管程序設(shè)計(jì)、取心鉆進(jìn)工藝方法、深孔取心鉆桿柱和復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)等。在工程實(shí)踐中，通過(guò)以上幾個(gè)方面積累施工經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)、工藝方法及具體的施工措施，選擇優(yōu)質(zhì)的深孔配套裝置，為在漠河地區(qū)獲得更優(yōu)質(zhì)的深孔取心鉆探施工效果奠定良好的基礎(chǔ)。

收稿日期：2016-02-12

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)財(cái)(1974-)，男，吉林長(zhǎng)春人，吉林省地礦勘察設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師，主要從事基礎(chǔ)工程、探礦工程、地質(zhì)災(zāi)害治理技術(shù)管理工作，吉林省長(zhǎng)春市南昌路120號(hào)329室，Tel：18643363108，E-mail：646879048@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào):P634.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0037-03