張曉梅， 孫智杰

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030032； 2.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

1 工程概況及地質(zhì)要求

1.1 工程概況

“山西省鄉(xiāng)寧縣十里鋪一帶地?zé)豳Y源可行性預(yù)查”屬山西省2014年度地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目。項(xiàng)目實(shí)施的主要目的是：通過(guò)在山西省鄉(xiāng)寧縣十里鋪一帶實(shí)施地?zé)豳Y源勘查及地?zé)豳Y源預(yù)查深孔施工，基本查明預(yù)查區(qū)域熱礦水形成條件，進(jìn)行地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)分析，為發(fā)展鄉(xiāng)寧縣的地方經(jīng)濟(jì)，改善生活環(huán)境質(zhì)量，提高人民生活水平，改善鄉(xiāng)寧縣的投資環(huán)境創(chuàng)造良好的條件。

地?zé)犷A(yù)查鉆孔是按探采結(jié)合井設(shè)計(jì)的，在分段完成取心、巖屑錄井、物理測(cè)井等之后，下管固井，依次成井。設(shè)計(jì)的鉆孔結(jié)構(gòu)要素為：0～150 m，松散覆蓋層，孔徑394 mm，下?377 mm雙面埋弧焊螺旋井管并固井；150～730 m，三疊系、二疊系煤系地層，孔徑311 mm，下?273 mm石油套管并固井；730～1595 m，二疊系、石炭系煤系地層，孔徑241 mm，下?178 mm石油套管；1595～2000 m，奧陶系、寒武系地層，孔徑152 mm，裸眼。鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

地質(zhì)時(shí)代層底深度/m取心要求鉆 孔 結(jié) 構(gòu)Q2+Q3150T1+P2sh+P2s730P1+C1475Q2f1595Q2s+Q2x+O12000不取心間斷判層取心全段連續(xù)取心

圖1鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
Fig.1Drilling structure design

1.2 施工簡(jiǎn)況

該項(xiàng)目于2016年12月初開(kāi)始實(shí)施，2018年12月底項(xiàng)目完結(jié)。鉆探施工于2017年5月14日開(kāi)鉆，2018年4月12日終孔，總歷時(shí)約11個(gè)月。鉆探施工期間，復(fù)雜垮塌孔段堵漏、護(hù)孔、固壁累計(jì)約4個(gè)月；封閉孔段驗(yàn)孔、換漿、下管、水泥注漿、候凝累計(jì)約45 d；分孔段物理測(cè)井累計(jì)約15 d；其他停待累計(jì)約30 d；正常鉆進(jìn)累計(jì)約120 d；累計(jì)提鉆取心鉆進(jìn)123個(gè)回次，取心進(jìn)尺694 m；其中，深孔段1362～2008 m，連續(xù)提鉆取心112個(gè)回次，取心進(jìn)尺646 m。施工期間未發(fā)生惡性孔內(nèi)事故及人身安全、設(shè)備事故。

清孔洗井及抽水試驗(yàn)準(zhǔn)備工作于2018年4月13日-5月9日期間進(jìn)行，先后完成了深井潛油電泵“QYDB149-30/1000”的委托定制、現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及前期試抽水。5月10日-6月10日，按項(xiàng)目水文地質(zhì)設(shè)計(jì)方案要求，進(jìn)行了完整的抽水試驗(yàn)工作，圓滿結(jié)束了項(xiàng)目的野外工程施工部分。隨后轉(zhuǎn)入室內(nèi)，完成資料整編、項(xiàng)目驗(yàn)收及成果匯交。

1.3 地質(zhì)要求

1.3.1 地質(zhì)取心

松散巖層至石炭系本溪組地層孔段，進(jìn)行分層斷續(xù)取心(滿足鉆孔編錄和化學(xué)分析要求)，并按設(shè)計(jì)要求取出工程力學(xué)巖心樣；對(duì)無(wú)巖心鉆進(jìn)孔段，做好巖屑錄井工作。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)具體要求錄井巖屑樣品的撈取間距為2～5 m；奧陶系及下伏寒武系層位，要求全段不間斷取心，完整基巖采取率≮70%，破碎帶基巖采取率≮40%[1-2]。

1.3.2 地質(zhì)編錄

對(duì)巖屑和巖心要仔細(xì)觀測(cè)記錄其成分、不同成分巖屑所占比例及其隨鉆進(jìn)深度的變化，以判定地層的巖石名稱及變層的深度。

1.3.3 孔斜測(cè)量

應(yīng)保持垂直鉆進(jìn)，相應(yīng)深度的孔斜控制為：300 m內(nèi)≯1°，1000 m內(nèi)≯3°，2000 m內(nèi)≯7°。

1.3.4 孔深誤差

孔深誤差≯1/1000。

1.3.5 測(cè)井及抽水試驗(yàn)

測(cè)井前停鉆時(shí)間≮24 h，保證數(shù)據(jù)具有代表性、可靠性。測(cè)井項(xiàng)目包括：視電阻率、電化學(xué)、放射性、井溫、井徑、井斜、密度等；鉆至每段巖組頂?shù)装寮敖K孔時(shí)，均要進(jìn)行測(cè)溫。

洗井后進(jìn)行24 h以上的穩(wěn)定水位觀測(cè)，然后進(jìn)行抽水(降壓)試驗(yàn)。要求降低3次水位的穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)[3]。

2 主要設(shè)備及配套機(jī)具

2.1 主要鉆探設(shè)備

TSJ3000/445A型水源鉆機(jī)，單繩提升能力135 kN，4擋變速加無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)，配置功率180 kW；31 m高K型井架及2.5 m高鉆井平臺(tái)，額定載荷1350 kN； F-500型往復(fù)式泥漿泵，排量1980 L/min，額定泵壓9.5 MPa，配置功率400 kW。

2.2 鉆桿與鉆鋌

?89 mm石油鉆桿，接頭外徑127 mm；?178、159 mm鉆鋌各6根，鉆鋌內(nèi)徑70 mm。

2.3 主要取心鉆具

(1)?194 mm石油系列單動(dòng)雙管鉆具，用于?311 mm及?241 mm口徑，二疊系砂巖、頁(yè)巖、煤層及頂、底等層段的間斷判層提鉆取心。

(2) ?152 mm石油系列單動(dòng)雙管取心鉆具用于奧陶系中統(tǒng)峰峰組中下部及上、下馬家溝組層段連續(xù)取心。

(3)鉆孔結(jié)構(gòu)變更后，專(zhuān)門(mén)研制的?131/79 mm單動(dòng)雙管加長(zhǎng)鉆具，用于奧陶系下統(tǒng)冶里組及寒武系層段連續(xù)提鉆取心[4]。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)變更及取心難題

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)變更

該孔在1320～1695 m孔段，存在三層較大的漏失垮塌段。鉆進(jìn)過(guò)程中，先是沖洗液消耗增大，后來(lái)完全不返漿，頂漏鉆進(jìn)至1695 m處，孔內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)掉塊、垮塌現(xiàn)象，造成4次卡鉆事故，安全施工很難保證。

對(duì)于上覆的三層較大的孔漏孔塌段，先后采用了靜壓注水泥漿、高壓注水泥漿、泥灰?guī)r段高壓旋噴注水泥漿等多種方法，注入水泥約100 t，耗時(shí)110余天，最終還是沒(méi)有徹底解決該孔段鉆孔漏失和孔壁垮塌難題，被迫下入?146 mm地質(zhì)套管350 m，接箍?jī)?nèi)徑134 mm。

鉆孔由原來(lái)的?152 mm終孔變更成小于134 mm口徑終孔，1695～2000 m孔段，無(wú)法再采用石油系列?152 mm單動(dòng)雙管取心鉆具?？紤]到?146 mm地質(zhì)套管接箍?jī)?nèi)徑和?89 mm石油鉆桿接頭外徑的限制，必須專(zhuān)門(mén)研制出鉆孔口徑133～128 mm、適合于長(zhǎng)回次(9～10 m)鉆進(jìn)的單動(dòng)雙管取心鉆具。鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與鉆孔竣工結(jié)構(gòu)，分別如圖1、圖2所示。

3.2 常規(guī)取心鉆具存在的難題

(1)對(duì)于深孔段采用大提鉆取心工藝，常規(guī)的地質(zhì)巖心鉆探單動(dòng)雙管取心鉆具有效長(zhǎng)度僅3 m左右，回次進(jìn)尺短，提鉆次數(shù)多，從而嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

地質(zhì)時(shí)代層底深度/m取心要求鉆 孔 結(jié) 構(gòu)Q1+Q2127未取撈粉T1+P2sh+P2s8485次P1+C11296次Q2f136029次Q2s+Q2x+O1169530次∈200853次

圖2鉆孔竣工結(jié)構(gòu)
Fig.2Completed structure of the borehole

(2)常規(guī)的地質(zhì)巖心鉆探單動(dòng)雙管取心鉆具內(nèi)、外管直徑一般采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配(?108/89或89/73 mm)，內(nèi)、外管之間環(huán)狀通水間隙較小，對(duì)泵量要求也較小(120 L/min左右)，這與施工現(xiàn)場(chǎng)配置的F-500型泥漿泵正常供液泵量(1980 L/min)嚴(yán)重不匹配。

(3)常規(guī)的地質(zhì)巖心鉆探單動(dòng)雙管取心鉆具所配套的雙管取心鉆頭一般采用：內(nèi)水槽→唇面水口→外水槽的水路設(shè)計(jì)，通水面積較小，同樣與施工現(xiàn)場(chǎng)的F-500型泥漿泵供液泵量嚴(yán)重不配套。

(4)現(xiàn)場(chǎng)配置的轉(zhuǎn)盤(pán)式水源鉆機(jī)與巖心鉆機(jī)相比，轉(zhuǎn)速非常低、孔內(nèi)鉆柱擺動(dòng)大，回轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，卷筒控制加壓，孔底壓力不均勻，影響著單動(dòng)雙管取心鉆具的取心效果。

4 取心技術(shù)難題與解決方案

針對(duì)上述問(wèn)題，我們與湖南某鉆具制造公司合作攻關(guān)，共同研制了?131/79 mm單動(dòng)雙管取心鉆具(如圖3所示)，專(zhuān)門(mén)用于該孔的深孔段取心鉆進(jìn)。

圖3?131/79mm單動(dòng)雙管取心鉆具
Fig.3?131/79mm swivel-type double-tube core drilling tool

4.1 鉆具結(jié)構(gòu)改進(jìn)與取心鉆柱組合力學(xué)特性

4.1.1 鉆具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

(1)鉆具的外管與內(nèi)管分別由3根長(zhǎng)3 m左右管材連接，使鉆具總體長(zhǎng)度加長(zhǎng)到10 m，把單回次最大有效進(jìn)尺長(zhǎng)度提高到9.5 m以上，與常規(guī)的取心鉆具回次進(jìn)尺長(zhǎng)度相比，提高了3倍以上。

(2)鉆具的內(nèi)、外管選用加厚非標(biāo)管材，外管?117.5 /103 mm，內(nèi)管?95.5/85.6 mm，既保證了環(huán)狀通水面積，又提高了整體的剛度與強(qiáng)度，基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)水井鉆機(jī)大扭矩、低轉(zhuǎn)數(shù)、大泵量的技術(shù)參數(shù)要求。

(3)在保留原配雙管取心水路設(shè)置的基礎(chǔ)上，在鉆頭底面唇部打通了8個(gè)?10 mm底噴水眼，加大了鉆頭有效通水面積， 使鉆進(jìn)過(guò)程中的水力壓降大幅度降低。

(4)外管連接采用?127 mm特型巖心管接箍或?130 mm金剛石擴(kuò)孔器兩種方式，根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)的效果選擇合理的連接組合。

(5)該鉆具配置的變徑接頭，可與?89 mm鉆桿柱或?121 mm鉆鋌柱+?89 mm鉆桿柱直接連接，形成不同的取心鉆柱組合，由使用者根據(jù)鉆具的連接剛度和回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性予以選擇。

(6)該鉆具配置的變徑接頭，長(zhǎng)度加長(zhǎng)、外徑加大，在鉆具總成兩頭形成兩個(gè)基本的“扶正”點(diǎn)，能基本保證鉆具的平穩(wěn)回轉(zhuǎn)[4-6]。

4.1.2 取心鉆柱組合

取心鉆柱組合包括：取心鉆具總成和與其連接的鉆鋌柱或鉆桿柱。其組合要素包括：取心鉆具總成外管的連接方式(金剛石擴(kuò)孔器或巖心管接箍)以及取心鉆具總成之上所連接的鉆柱類(lèi)型(鉆桿柱或鉆鋌柱)。

為便于分析敘述，將?131/79 mm取心鉆柱組合按不同聯(lián)接方式，分成A型、B型、C型、D型。各種鉆柱組合程序與優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析如表1所示。

表1 ?131/79 mm取心鉆柱組合及優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析Table 1 Brief analysis of ?131/79mm core drill string combination and its advantages & disadvantages

4.1.3 鉆柱組合力學(xué)特性分析

4.1.3.1 鉆柱剛度特性

B型和D型鉆柱組合較好，A型和C型鉆柱組合次之。對(duì)比分析如下：

B型和D型組合的共同特點(diǎn)為粗徑取心鉆具之上連接?121 mm鉆鋌柱，在孔底形成約29 m長(zhǎng)的粗徑塔式組合，剛度較好。其中B型又優(yōu)于D型，因?yàn)锽型組合中的10 m長(zhǎng)取心鉆具外管是由2只與?131 mm鉆頭直徑相匹配的PCD擴(kuò)孔器連接，而D型組合取心鉆具外管則是用巖心管接箍連接。

A型和C型組合的共同特點(diǎn)為粗徑取心鉆具之上連接?89 mm鉆桿柱，在孔底的粗徑鉆具長(zhǎng)度僅有10 m，鉆柱剛度次之。其中A型又優(yōu)于C型，因?yàn)锳型組合中的10 m長(zhǎng)取心鉆具外管是由2只與?131 mm鉆頭直徑相匹配的PCD擴(kuò)孔器連接，而C型組合取心鉆具外管則是用巖心管接箍連接，外徑127 mm[7]。

4.1.3.2 鉆進(jìn)加壓特性

B型和D型鉆柱組合較好，A型和C型鉆柱組合次之。對(duì)比分析如下：

B型和D型組合的共同特點(diǎn)為粗徑取心鉆具之上連接?121 mm鉆鋌柱，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭所需壓力主要來(lái)源于粗徑取心鉆具和鉆鋌柱，孔內(nèi)鉆柱中和點(diǎn)靠近孔底，鉆桿柱拐點(diǎn)少，鉆柱筆直狀態(tài)較好，鉆孔軌跡形成過(guò)程中不易偏斜。其中D型要優(yōu)于B型，原因是粗徑取心鉆具的外管連接方式不同。D型組合用接箍連接，直徑小，與孔壁間形成的支點(diǎn)少，作用于鉆頭上的壓力損耗少。而B(niǎo)型組合則相反，在滿足正常鉆進(jìn)壓力的條件下，所需提供的附加壓力較大，從而導(dǎo)致中和點(diǎn)大量上移，對(duì)鉆柱的回轉(zhuǎn)狀態(tài)及剛度特性產(chǎn)生不良影響。

A型和C型組合的共同特點(diǎn)為粗徑取心鉆具之上連接?89 mm鉆桿，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭所需壓力主要來(lái)源于粗徑取心鉆具和鉆桿柱，由于鉆桿單米質(zhì)量遠(yuǎn)小于鉆鋌單米質(zhì)量，因而孔內(nèi)鉆柱中和點(diǎn)遠(yuǎn)離孔底，鉆桿柱拐點(diǎn)多，鉆柱筆直狀態(tài)較差，鉆孔軌跡形成過(guò)程中易偏斜。其中C型組合優(yōu)于A型組合，原因分析與前兩類(lèi)組合相同。

4.1.3.3 回轉(zhuǎn)狀態(tài)特性

主要表現(xiàn)在粗徑取心鉆具外管連接方式上，鉆具與孔壁的支點(diǎn)數(shù)量，決定了鉆具回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。據(jù)此分析，A型和B型鉆柱組合較好，C型和D型鉆柱組合次之。對(duì)比分析如下：

A型和B型組合，取心鉆具外管均是用2只與鉆頭直徑相匹配的PCD擴(kuò)孔器連接，鉆具回轉(zhuǎn)時(shí)有4個(gè)支點(diǎn)導(dǎo)正，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。其中B型組合優(yōu)于A型組合，原因在于B型組合中，粗徑取心鉆具之上連接了鉆鋌柱，中和點(diǎn)相對(duì)低，有利于改善鉆具的回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

C型和D型組合，取心鉆具外管均是用2只巖心管接箍連接，直徑比擴(kuò)孔器小20 mm,鉆具回轉(zhuǎn)時(shí)僅有2個(gè)支點(diǎn)導(dǎo)正，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定性相對(duì)于擴(kuò)孔器連接較差。其中D型組合優(yōu)于C型組合，原因在于D型組合中，粗徑取心鉆具之上連接了鉆鋌柱，中和點(diǎn)相對(duì)低，有利于改善鉆具的回轉(zhuǎn)狀態(tài)[8]。

綜上分析，在用不同鉆柱組合分別進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)之后，最終選擇了D型鉆柱組合。

4.2 鉆具改進(jìn)與設(shè)備參數(shù)調(diào)整

4.2.1 鉆具與設(shè)備匹配狀況

如上所述，在鉆孔設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)被迫變更后，原來(lái)配置的?152 mm石油系列單動(dòng)雙管取心筒已無(wú)法使用，只能采用地質(zhì)巖心鉆探小口徑單動(dòng)雙管取心鉆具。而施工現(xiàn)場(chǎng)配置鉆探設(shè)備卻是3000 m轉(zhuǎn)盤(pán)式水源鉆機(jī)和石油系列F-500型泥漿泵，其加壓方式、轉(zhuǎn)速范圍、泥漿泵供液排量等，都與擬用取心鉆具鉆進(jìn)時(shí)的參數(shù)要求嚴(yán)重不匹配。

4.2.2 參數(shù)調(diào)整改進(jìn)思路

設(shè)備與鉆具相向調(diào)整改進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)趨于基本匹配。通過(guò)鉆機(jī)、泥漿泵所配動(dòng)力的無(wú)級(jí)調(diào)速特性，相對(duì)于常規(guī)的大口徑牙輪或復(fù)合片鉆進(jìn)而言，調(diào)高轉(zhuǎn)速、調(diào)小泵量；通過(guò)改進(jìn)鉆具的結(jié)構(gòu)，增大通水面積，改變PDC鉆頭的唇面形狀、復(fù)合片類(lèi)型，使鉆頭適合于大壓力、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)[7-9]。

4.2.3 參數(shù)調(diào)整改進(jìn)過(guò)程

該孔自孔深1320 m完全漏失后，一直采用頂漏鉆進(jìn)。無(wú)論是牙輪鉆具還是石油取心筒鉆具，泵壓顯示均為0。在下入?146 mm地質(zhì)套管(花管與實(shí)管組合)之前，還時(shí)常伴有含水層“倒吸水”現(xiàn)象。在下入新研制的試驗(yàn)鉆具之前，先下了一趟?131 mm無(wú)心鉆具，在清理孔底殘?jiān)螅瑩Q徑鉆進(jìn)約7 m，為試驗(yàn)鉆具創(chuàng)造了條件。

第一回次試驗(yàn)：下入A型鉆柱組合，鉆頭水路未改進(jìn)。鉆壓從20 kN逐漸加大到70 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min，全泵量1980 L/min，泵壓顯示8.5 MPa，進(jìn)尺約0.7 m，實(shí)鉆2 h之后不再進(jìn)尺。提鉆發(fā)現(xiàn)：鉆頭沒(méi)有與孔底接觸，擴(kuò)孔器、鉆桿接頭(?127 mm)明顯磨損，鉆頭內(nèi)水槽及唇面水口處有明顯的高速射流拉槽。初步分析：貌似的進(jìn)尺為鉆桿柱壓縮彎曲，所加的鉆壓被高速射流的反沖力和擴(kuò)孔器、鉆桿接頭孔壁阻力共同作用相抵消，造成了無(wú)法正常進(jìn)尺。改進(jìn)措施：增大鉆頭的有效通水面積，消除因高速射流而形成的反沖力。

第二回次試驗(yàn)：下入B型鉆柱組合，鉆頭設(shè)置了底噴水眼。鉆壓加到40 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min，全泵量1980 L/min，泵壓顯示1.5 MPa，進(jìn)尺9.88 m。提鉆后發(fā)現(xiàn)：鉆頭磨損正常，內(nèi)水槽及唇面水口出拉槽不明顯，擴(kuò)孔器、鉆桿接頭(?127 mm)磨損較輕。初步分析：高速射流反沖力已基本消除，擴(kuò)孔器、鉆桿接頭(?127 mm)對(duì)鉆壓的消耗大幅度降低。改進(jìn)措施：改變鉆具外管連接方式，用特制?127 mm巖心管接箍代替?130 mm金剛石擴(kuò)孔器，進(jìn)一步降低鉆壓消耗。

第三回次試驗(yàn)：下入C型鉆柱組合，鉆頭設(shè)置了底噴水眼。鉆壓加到40 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min，泵量500 L/min，泵壓顯示1.5 MPa，進(jìn)尺8.87 m。提鉆后發(fā)現(xiàn)：鉆頭磨損正常，內(nèi)水槽及唇面水口出拉槽不明顯，鉆桿接頭(?127 mm)磨損較輕，但數(shù)量較多。初步分析：高速射流反沖力已基本消除，鉆桿接頭(?127 mm)對(duì)鉆壓的消耗大幅度降低，參與加壓的鉆桿數(shù)量較多。改進(jìn)措施：在取心鉆具之上接入?121 mm鉆鋌柱(2根)，減少加壓鉆桿的數(shù)量，降低鉆壓消耗，改善孔底取心鉆柱組合回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

第四回次試驗(yàn)：下入D型鉆柱組合，鉆頭設(shè)置了底噴水眼。鉆壓加到50 kN，轉(zhuǎn)速96 r/min，為了節(jié)省用水，將泵量調(diào)整至全泵量的1/4到1/5(400～500 L/min)范圍，泵壓顯示0.5 MPa左右，進(jìn)尺4.58 m。提鉆后觀察：鉆頭磨損正常，鉆桿接頭(?127 mm)僅有2副且磨損較輕。初步分析：高速射流反沖力已基本消除，鉆桿接頭(?127 mm)對(duì)鉆壓的消耗大幅度降低，參與加壓的鉆桿數(shù)量很少。本回次進(jìn)尺4.58 m，時(shí)效1.2 m，巖心采取率95%，巖心完整無(wú)殘留。這種鉆具組合比較適合該孔段鉆進(jìn)。之后，選用D型取心鉆柱組合連續(xù)取心鉆進(jìn)至終孔。

4.3 鉆具水路改進(jìn)方案與實(shí)施

4.3.1 改進(jìn)目的

通過(guò)改進(jìn)鉆具水路，來(lái)適應(yīng)F-500型泥漿泵泵量過(guò)大的要求，減小液流在取心鉆具總成中的循環(huán)阻力，降低泥漿泵的動(dòng)力消耗。

4.3.2 改進(jìn)方案

從3個(gè)方面對(duì)取心鉆具總成進(jìn)行水路改進(jìn)。(1)鉆具的分水接頭增加水眼數(shù)量、擴(kuò)大水眼直徑；(2)根據(jù)所鉆巖層段的完整性，調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階的間隙；(3)對(duì)雙管鉆具所配套的雙管取心鉆頭水路進(jìn)行改進(jìn)；(4)外管連接方式由雙擴(kuò)孔器改為雙特制接箍增大鉆具外環(huán)通水面積[10]。

4.3.3 方案實(shí)施

鉆具水路改進(jìn)方案的實(shí)施伴隨著鉆進(jìn)試驗(yàn)過(guò)程，并非一步到位。先解決主要問(wèn)題，再處理次要矛盾，在使用該鉆具的前十多個(gè)回次里，基本上是邊試驗(yàn)邊改進(jìn)。

首先，對(duì)雙管鉆頭的水路進(jìn)行了增大處理，原來(lái)的主水路變成了副水路解決鉆具的憋泵問(wèn)題。但經(jīng)鉆進(jìn)試驗(yàn)觀察分析，發(fā)現(xiàn)降低泵壓消耗仍有潛力可挖。

其次，我們按照擬定的鉆具改進(jìn)方案，先后對(duì)鉆具的分水接頭和鉆具外管的連接方式進(jìn)行了具體實(shí)施。

其三，對(duì)卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階間隙的調(diào)整，貫穿于深孔段取心鉆進(jìn)全過(guò)程。其間隙調(diào)整的基本思路是在巖層比較完整、巖心進(jìn)入內(nèi)管順利的情況下，間隙取大值(10～12 mm)，盡量保持鉆具在大間隙工況下運(yùn)行，進(jìn)一步減小泵壓損失。

4.4 深孔段取心鉆進(jìn)其它改進(jìn)措施

在對(duì)比分析、實(shí)鉆試驗(yàn)、確定采用D型鉆柱組合后，為保證深孔段不間斷取心鉆進(jìn)的效率和質(zhì)量，還對(duì)鉆桿柱組合與鉆鋌柱選型方面，進(jìn)行了一些改進(jìn)[11-13]。

4.4.1 鉆桿柱調(diào)換

采用約400 m ?89 mm非標(biāo)石油鉆桿(接頭外徑?121 mm)代替?89 mm標(biāo)準(zhǔn)石油鉆桿(接頭外徑127 mm)，既增大了?131 mm孔段的外環(huán)通水面積，又有效減少了鉆桿接頭與孔壁間的鉆壓消耗，有利于提高鉆進(jìn)時(shí)效和降低循環(huán)泵壓損失。

4.4.2 鉆鋌柱選型

?121 mm圓柱面鉆鋌更換為?121 mm螺旋槽鉆鋌，在保持取心鉆具良好的加壓狀態(tài)下，又增大了?131 mm孔徑段的外環(huán)通水面積，有利于深孔段取心鉆進(jìn)。

5 實(shí)用效果

采用專(zhuān)門(mén)研制的?131/79 mm雙管取心鉆具在鄉(xiāng)寧地?zé)犷A(yù)查孔1695～2008 m深孔段連續(xù)取心鉆進(jìn)，取得了良好的效果。所獲取的巖心連續(xù)完整、標(biāo)志層清晰、過(guò)度層明顯，得到了許多礦產(chǎn)地質(zhì)及水文地質(zhì)專(zhuān)家的一致好評(píng)。填補(bǔ)了該區(qū)域寒武紀(jì)層位無(wú)巖心的空白，該段巖心還作為了山西省第三地質(zhì)工程勘察院新上崗礦產(chǎn)地質(zhì)及水文地質(zhì)技術(shù)人員的“教學(xué)示范樣本”[14]。?131/79 mm雙管取心鉆具鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，?131/79 mm雙管取心鉆具鉆進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。取心效果現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖4。

表2 ?131/79 mm雙管取心鉆具鉆頭鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Drilling data of ?131/79mm double-tube core drilling bit

表3 ?131/79 mm雙管取心鉆具鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Drilling data of ?131/79mm double-tube core drilling tool

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該孔深孔段采用?131/79 mm雙管取心鉆具取心鉆進(jìn)施工，從中獲得了一些認(rèn)識(shí)與體會(huì)，并提出一些建議。

圖4 取心效果現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Pictures of cores at coring site

(1)由于該孔的探采合一特性，在以滿足成井的條件下，當(dāng)水井設(shè)備參數(shù)與小口徑取心工藝要求的參數(shù)嚴(yán)重不匹配時(shí)，可通過(guò)調(diào)整設(shè)備參數(shù)與綜合改進(jìn)小口徑取心鉆具結(jié)構(gòu)予以解決。但從節(jié)省電能消耗和節(jié)省施工用水角度考慮，在深孔段、小口徑取心鉆進(jìn)時(shí)，建議采用巖心鉆探小型泥漿泵替代F-500型泥漿泵，以避免該型泥漿泵長(zhǎng)時(shí)間在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作，容易發(fā)生的泵組運(yùn)行故障[15]。

(2)不同的取心鉆柱組合對(duì)鉆進(jìn)效率、取心質(zhì)量和回次長(zhǎng)度的影響很大。應(yīng)以鉆柱力學(xué)原理為導(dǎo)向，逐步試驗(yàn)，在進(jìn)行實(shí)鉆效果對(duì)比之后來(lái)選定。對(duì)于類(lèi)似孔段、口徑、取心要求的項(xiàng)目，建議在鉆具所配雙管鉆頭的唇面復(fù)合片排布方式、組數(shù)、形狀選擇、內(nèi)外徑保強(qiáng)措施和鉆具之上的鉆鋌柱數(shù)量等方面，再開(kāi)展一些試驗(yàn)研究工作，以便獲得更好的鉆進(jìn)取心效果。

(3)由于種種原因，為達(dá)到加長(zhǎng)鉆具的目的，本次研制的?131/79 mm雙管取心鉆具內(nèi)、外管均采用了3根短管用接箍連接的方式，雖然取得了成功，但還存著一些問(wèn)題。對(duì)于這類(lèi)加長(zhǎng)取心鉆具，建議制造廠家研發(fā)采用整根管方案替代短管連接方案，使雙管取心鉆具更加成熟、可靠[16]。