田志超，宋世杰，劉振新，付相友，于孟亮

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

三山島北部海域ZK3210鉆孔事故處理工藝

田志超，宋世杰，劉振新，付相友，于孟亮

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004)

本文結(jié)合事故鉆孔施工實例，簡略介紹了鉆探施工繩索取心鋼絲繩脫落事故的處理過程，鉆孔造斜楔的施工工藝、鉆進(jìn)方法及注意事項。通過偏斜鉆進(jìn)，在保證鉆孔質(zhì)量的同時，處理復(fù)雜事故，達(dá)到鉆孔地質(zhì)目的，獲得所需地質(zhì)資料。

繩索取心；造斜；鉆孔事故；偏斜鉆進(jìn)

1 項目概況

三山島北部海域金礦勘查項目是國內(nèi)最大的海上金礦勘探項目，山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院承擔(dān)了勘查鉆探施工任務(wù)。從2012年2月至2014年10月，歷時近三年，施工期間，共投入鉆機(jī)50余臺，完成鉆探工作量12萬多米。礦區(qū)位于萊州市北約26 km三山島北部海域，西南毗鄰三山島金礦，行政區(qū)劃隸屬萊州市三山島工業(yè)園區(qū)管轄，交通便利(如圖1)。該區(qū)域地層構(gòu)造復(fù)雜破碎、蝕變嚴(yán)重，施工難度大。

圖1 地理位置

2 地質(zhì)概況

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北地臺南緣膠北地體之膠北隆起區(qū)，西靠沂沭斷裂帶，南接膠北地體之膠萊拗陷，北鄰龍口斷陷盆地和渤海拗陷，東接牟平-即墨構(gòu)造混雜帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造、巖漿活動強(qiáng)烈，以發(fā)育脆性斷裂為特征。

礦區(qū)位于向萊州灣突出的小半島—三山島，三面環(huán)海，東面是陸地。除臨海的3個相連的小山丘上見有二長花崗巖出露外，其余均被第四系覆蓋。第四系自上而下為中粗砂、沙淤泥以及粉質(zhì)黏土，厚度60～80 m。第四系之下為二長花崗巖和片麻狀細(xì)粒黑云角閃英云閃長巖等，巖石可鉆性一般為7～9級，研磨性強(qiáng)。三山島～倉上及三山島～三元2條規(guī)模較大斷裂，呈北東和北西走向，貫穿整個礦區(qū)。斷裂蝕變破碎帶是鉆探過程中最容易遇到的復(fù)雜地層，該區(qū)域?qū)挾?0～120 m不等，以灰色段層泥為標(biāo)志的主斷裂面位于蝕變帶的中心部位，靠主斷裂面為蝕變較強(qiáng)的黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖，向兩側(cè)逐漸減弱。礦體一般賦存在主斷裂面下盤的黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖和黃鐵絹英巖質(zhì)碎裂巖化花崗巖中。

3 鉆孔概況

ZK3210號鉆孔為海上施工鉆孔，設(shè)計深度1800 m，鉆孔傾角90°。結(jié)合設(shè)計要求與前期施工所積累經(jīng)驗，在保證質(zhì)量與滿足海域施工條件的前提下，鉆孔結(jié)構(gòu)確定為一開采用?127 mm跟管鉆進(jìn)開孔至30 m，其中施工平臺面至海底深度為11 m；二開用?110 mm硬質(zhì)合金普通單管鉆具鉆進(jìn)至125 m，下入?108 mm套管；三開采用?95 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)至445 m，下入?89 mm套管；四開用?75 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)至終孔。設(shè)備結(jié)合ZK3210號鉆孔的設(shè)計深度要求與設(shè)備能力，選用黃海機(jī)械廠生產(chǎn)的XY-6B型鉆機(jī)進(jìn)行施工，配備150 kW柴油發(fā)動機(jī)、A型鉆塔(13 m)和BW160泥漿泵，鉆桿為普通材質(zhì)的繩索取心鉆桿，鉆頭為國產(chǎn)的合金鉆頭和金剛石鉆頭。

在沖洗液的選擇方面，一開鉆進(jìn)第四系中粗砂、沙淤泥以及粉質(zhì)黏土層時，采用低固相泥漿沖洗液；在其他一般坍塌和掉塊的孔段，采用PHP無固相沖洗液；在坍塌和掉塊嚴(yán)重的孔段，采用聚乙烯醇熬制成膠配合PHP無固相沖洗液。

低固相泥漿配方：清水+膨潤土+純堿+降失水劑Na-CMC。性能參數(shù)：密度1.02～1.04 g/cm3，漏斗黏度33 s，濾失量9～10 mL/30 min，pH值9～10。

PHP無固相沖洗液配方：清水+PHP+皂化油。性能參數(shù)：表觀黏度6.3 mPas，動切力0.25 Pa，濾失量為全漏失。

4 事故概況與分析處理

4.1 第一階段

圖2 自制打撈鉤

ZK3210鉆孔在2012年11月2日施工過程中，孔深1663.60 m，取心，投入內(nèi)管后開始鉆進(jìn)，不進(jìn)尺，取心，在打撈內(nèi)管時提拉不動，在多次提拉過程中，取心鋼絲繩被拉斷。開始提鉆，提出鉆桿和鉆具后發(fā)現(xiàn)鉆頭內(nèi)徑磨大，致使內(nèi)管、打撈器與大部分取心鋼絲繩落入孔內(nèi)。分析孔內(nèi)情況，決定使用鉆桿下部焊接打撈鉤(如圖2)撈取孔內(nèi)鋼絲繩。由于對孔內(nèi)取心鋼絲繩在孔內(nèi)的準(zhǔn)確位置不清楚，無法確定鉆桿的下入深度，在上下竄動過程中，感覺有卡頓，開始提鉆，把鉆桿提出孔內(nèi)后發(fā)現(xiàn)，不但取心鋼絲繩沒鉤取上來，還將打撈鉤斷在孔底。

4.2 第二階段

出現(xiàn)上述情況，孔內(nèi)情況復(fù)雜，決定下入單管鉆具掃動撈取打撈鉤與少部分鋼絲繩，繼續(xù)下打撈鉤，結(jié)合上次經(jīng)驗，控制下入深度，經(jīng)過反復(fù)數(shù)次，共撈取上來1200 m取心鋼絲繩(如圖3)。分析剩余鋼絲繩約50 m，打撈鉤撈取不起作用，決定下入普通取心下鉆掃剩余鋼絲繩，在距孔底90 m處遇阻，在緩慢掃動過程中，泵壓接近10 MPa，經(jīng)分析為孔內(nèi)巖粉等雜物過多，決定使用孔底無泵鉆具撈取孔底巖粉等異物，后因操作不當(dāng)，使用無泵進(jìn)行常規(guī)鉆進(jìn)，卡鉆，串掃結(jié)合強(qiáng)力提拔出孔底，提出后發(fā)現(xiàn)鉆頭與彈卡總成都燒在孔底。

圖3 打撈鉤撈取上來的取心鋼絲繩

4.3 第三階段

此時孔內(nèi)情況更加復(fù)雜，經(jīng)分析決定先使用水泥封孔再透孔，后透孔，掃出燒鉆殘留部分。再次掃孔內(nèi)鋼絲繩，不進(jìn)尺，提鉆后發(fā)現(xiàn)鉆頭自絲扣以下部位沒有了。分析孔內(nèi)情況認(rèn)為上次燒鉆為多重原因，再次掃孔效果不大，決定下造斜楔偏繞事故段。

4.4 第四階段

此階段采用下入造斜楔偏繞事故段的方法。造斜楔是一種利用楔面迫使鉆頭改變鉆進(jìn)方向，形成新的鉆孔軌跡的鉆探工具，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點。結(jié)合ZK3210鉆孔的實際情況，針對巖石的軟硬程度、鉆孔深度、施工難度和經(jīng)濟(jì)性等因素，采用自制簡易空心造斜楔(如圖4)。

圖4 簡易空心造斜楔

現(xiàn)場采用的簡易空心造斜楔用繩索取心鉆桿制作，沿鉆桿一端圓周三分之一處開始切割，角度控制在1°左右，將切割下來的鉆桿翻轉(zhuǎn)過來焊接，切除楔面多余部分，除去焊疤打磨拋光，完成制作。造斜楔外徑應(yīng)與鉆孔直徑相比略小2～3 mm。如果外徑比鉆孔直徑小得過多，造斜楔下入孔內(nèi)后與孔壁間隙過大，造斜楔會傾斜，楔面倒向一邊，鉆頭難以進(jìn)入，應(yīng)該在楔面的側(cè)面電焊增大此邊外徑，人為將造斜楔楔面倒向孔壁一邊，有利于鉆頭的進(jìn)入；造斜楔斜面一定要等于或大于偏斜的鉆頭、擴(kuò)孔器直徑，造斜楔斜面小于鉆頭、擴(kuò)孔器直徑，鉆頭在孔內(nèi)很難進(jìn)入楔面，即使強(qiáng)壓進(jìn)入后，鉆頭也會磨造斜楔邊緣，摩擦阻力較大，造斜楔易隨著鉆具轉(zhuǎn)動或上下串動；造斜楔楔面一定要打磨光滑，利于鉆頭的進(jìn)入。若造斜楔外徑比鉆孔直徑較小，可將造斜楔楔面往外敲開成喇叭口，需要控制好幅度，不能太大；對于空心造斜楔楔面部分可往外壓彎一點(如圖5)，使下入孔內(nèi)的楔面頂部緊貼孔壁，但注意整個造斜楔彎曲幅度不能太大，以免在下造斜楔時，將造斜楔滯留孔中間，出現(xiàn)更大的問題。

圖5 楔面預(yù)壓彎

ZK3210鉆孔造斜楔采用鋼筋焊接到鉆桿上進(jìn)行連接(如圖6)。

圖6 焊接造斜楔

造斜楔投放就位時，首先通孔循環(huán)鉆孔，防止可能有巖粉沉積使造斜楔下不到位，同時可避免孔壁有探頭石將造斜楔滯留孔中。下造斜楔一定要慢而穩(wěn)，計算好機(jī)上余尺，如果遇阻必須慢慢將造斜楔提出孔外，不能拉斷連接鋼筋，否則造斜楔會滯留孔中。造斜楔快要下放到孔底時，要用減壓法慢慢往下放，導(dǎo)桿不走后再慢慢增加力量，不要將鉆桿一次放下，否則易壓彎造斜楔楔面，鉆頭難于進(jìn)入，連接鋼筋斷裂后再適當(dāng)往上一點，減壓法輕壓一下，不能將鉆桿全部壓在斜面上，更不能用鉆機(jī)加壓，以免卡死。下入錐形鉆頭，減壓法輕壓一下，輕輕轉(zhuǎn)動擰斷焊接部位，提出鉆桿，準(zhǔn)備水泥封孔，固定造斜楔。向孔內(nèi)注入適量的水泥砂漿(可加入少量早凝劑)，候凝24小時以上，重新下入鉆具進(jìn)行掃孔，掃孔深度由偏斜位置加上造斜楔有效長度計算，清除多余的混凝土孔段，從而形成自然水泥柱孔底，ZK3210初始偏斜段從孔深1663.00 m開始至1666.52 m止，進(jìn)尺3.52 m，取出薄片半圓狀巖心1.90 m。最后通過3個回次鉆至1668.50 m，進(jìn)尺5.50 m，偏斜鉆具超出偏斜器底部，取出完整巖心，初始偏斜成功，整個初始偏斜段采用4個回次完成，巖心采取率平均達(dá)70%以上。此時事故處理完畢，開始正常鉆進(jìn)工作。

5 結(jié)語

鉆孔事故的發(fā)生分為客觀因素(地層條件等)和主觀因素(人為因素)，縱觀ZK3210鉆孔的整個施工過程，我們不難發(fā)現(xiàn)人為因素是發(fā)生事故的主因。結(jié)合整個處理工程，筆者有幾個心得體會：

(1)繩索取心鋼絲繩脫落孔內(nèi)事故極為常見，鋼絲繩更換不及時，檢查不細(xì)致，操作不謹(jǐn)慎就有可能發(fā)生。雖然對鉆探施工來說是一種小事故或疊加事故，但往往是產(chǎn)生孔內(nèi)其他事故前兆。事故發(fā)生后如果處理方法不正確，盲目處理，會帶來很大的麻煩。盡量采取撈取辦法，多次多方法撈取，多次撈取不成功再用平推的辦法。磨消鋼絲繩進(jìn)度太慢，而且危險性很大。

(2)應(yīng)采取有效措施，預(yù)防繩索取心鋼絲繩脫落孔內(nèi)事故的發(fā)生。選用鋼絲繩時盡量選用防折破勁的優(yōu)質(zhì)鋼絲繩，做到經(jīng)常檢查、定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時更換。鋼絲繩的斷點多數(shù)在使用最頻繁段，通?？咨钪悬c的長度范圍內(nèi)是鋼絲繩折斷最危險的階段，要著重檢查?？變?nèi)感覺異常時，要仔細(xì)分析事故原因和一切可能性，切不可盲目處理。確需下?lián)泼瑫r，預(yù)先一定要檢查撈矛與解卡器的解脫靈敏性、鋼絲繩完好程度，確定撈矛與解卡器的節(jié)點是最薄弱的斷點，嚴(yán)防鋼絲繩斷落孔內(nèi)。

(3)造斜楔在處理深孔復(fù)雜事故中，具有成本低廉、操作方便、效果顯著等優(yōu)點，對于造斜楔的使用，對細(xì)節(jié)的把握十分關(guān)鍵，要充分考慮完善各個施工環(huán)節(jié)，優(yōu)質(zhì)高效處理深孔事故。

(4)孔內(nèi)事故應(yīng)重在預(yù)防，為了強(qiáng)化孔內(nèi)事故的預(yù)防，要加強(qiáng)機(jī)班長的職業(yè)素質(zhì)、責(zé)任心、技術(shù)水平、實際操作經(jīng)驗，挑選文化水平較高、積極上進(jìn)、工作中不怕苦的年輕技術(shù)工人充實到一線，并對機(jī)臺施工人員進(jìn)行崗位技術(shù)培訓(xùn)和施工經(jīng)驗交流。同時，鉆探技術(shù)管理人員要深入基層，及時指導(dǎo)，且對礦區(qū)資料進(jìn)行詳細(xì)研究，對可能出現(xiàn)的問題提前預(yù)防，對孔內(nèi)出現(xiàn)的問題及時做出正確判斷，采取正確的有效措施，確保施工順利進(jìn)行。

[1] 地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程:DZ/T 0227-2010[S].

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2017-05-10

田志超(1988-)，男，助理工程師，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事巖心鉆探技術(shù)應(yīng)用與生產(chǎn)工作，山東省機(jī)場路271號，E-mail：sdsdtzc@163.com。

P634.8

A

1009-282X(2017)04-0029-04