特大涌水孔繩索取心鉆探施工工藝

宋繼偉

(貴州省地礦局115地質(zhì)大隊(duì),貴州清鎮(zhèn) 551400)

特大涌水孔繩索取心鉆探施工工藝

宋繼偉

(貴州省地礦局115地質(zhì)大隊(duì),貴州清鎮(zhèn) 551400)

針對(duì)貴州省甕安縣老虎洞磷礦勘查工作中的部分特大涌水孔,認(rèn)真研究采用鉆孔上部孔段泄水、加重泥漿、“56 mm繩索取心鉆具、改裝S75繩索取心內(nèi)管總成等多種鉆探措施相結(jié)合,形成了適用于特大型涌水孔的小口徑繩索取心施工工藝。

涌水孔;繩索取心鉆具;加重泥漿;鉆具改裝

1 概述

我隊(duì)正在施工的貴州省甕安縣老虎洞磷礦區(qū)勘查項(xiàng)目,礦區(qū)內(nèi)地下水豐富,部分區(qū)段為承壓水,鉆孔為涌水孔,鉆孔涌水量一般在35～55 t/h,最大涌水量72.4 t/h。鉆孔涌水給小口徑繩索取心鉆探帶來以下困難和影響。

(1)地面工作環(huán)境惡劣,鉆工每天淋泡在水中,這種情形在秋、冬季顯得尤為突出;

(2)涌水量大時(shí)巖心內(nèi)管無法下入孔內(nèi)預(yù)定位置;

(3)涌水沖蝕破碎段孔壁,鉆孔嚴(yán)重超徑,鉆桿斷落事故高發(fā);

(4)巖粉無法排出,停鉆時(shí)易發(fā)生埋鉆事故。

針對(duì)這種情形,積極采取多種措施,經(jīng)過2個(gè)鉆孔實(shí)踐,總結(jié)了行之有效的施工工藝,后經(jīng)5個(gè)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)使用證明,這些方法效果良好,能保證鉆孔順利鉆進(jìn),保證巖心采取率。本文以該礦區(qū)較早發(fā)生涌水的ZK805孔施工過程為例介紹該施工工藝。

2 ZK805孔地層概況

0～4.7 m,碎石粘土;4.7～124 m,厚層粉晶灰?guī)r,節(jié)理、裂隙、溶孔發(fā)育;124～368 m,薄層鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)砂巖,除188～191 m和232～236 m為破碎帶外,其余巖心完整呈柱狀;368～650 m,厚層含藻泥至粉晶白云巖,巖心破碎,多成碎塊,其中535～545 m為破碎帶;650～671 m,厚層硅質(zhì)巖,節(jié)理、晶洞發(fā)育,巖心破碎,呈碎塊狀;671～718 m,厚層硅化粉晶白云巖,節(jié)理、裂隙、晶洞發(fā)育,巖心破碎,多呈碎塊狀;718～770 m,薄至中厚層沙屑狀白云質(zhì)磷塊巖,部分礦心破碎,呈碎塊狀。

該孔地層情況屬中等復(fù)雜程度以上。該孔自孔深389.67 m處開始涌水,更增加了鉆探施工的難度。

3 鉆進(jìn)及處理過程

3.1 施工環(huán)境問題

該孔施工時(shí)間為2009年11月至2010年1月,正為西南地區(qū)嚴(yán)寒季節(jié),為解決鉆工施工環(huán)境問題,主要采取了2方面措施:

(1)初時(shí)涌水量較小時(shí),購置防水勞保棉衣;

(2)后期涌水量較大時(shí),經(jīng)仔細(xì)分析初期鉆孔資料及巖心情況,發(fā)現(xiàn)該孔7～16 m、27～37 m段裂隙及溶蝕孔洞尤為發(fā)育,起先該段使用“89 mm技術(shù)套管進(jìn)行封隔護(hù)壁,現(xiàn)決定起出套管,對(duì)這兩段鉆孔位置所對(duì)應(yīng)的套管鉆花眼后重新下入,以期起到鉆孔上部孔內(nèi)自動(dòng)泄水的功能?；ü芟氯牒笮Ч浅Ｃ黠@,孔口出水初時(shí)全部終止,后期也僅有極少量水涌出孔口。

3.2 解決水壓力問題

3.2.1 第一階段

初涌量為9.2 t/h,此時(shí)鉆具尚能下入孔內(nèi),涌水較大時(shí),采用“50 mm鉆桿1根加重跟管將巖心管送入孔底。

3.2.2 第二階段

涌水量增至20.2 t/h,使用加重泥漿,配方為:1 m3水+50 kg粘土+10～20 kg PAM+30～50 kg CMC+20～30 kg KP共聚物+250 kg重晶石粉。

泥漿性能:密度為1.5 g/cm3;粘度為35～45 s;失水量為7 mL/30 min;pH值為7.5。同時(shí)仍用“50 mm鉆桿1根跟管送入內(nèi)管總成。

3.2.3 第三階段

涌水量迅猛增至34 t/h,流速約為3.3 m/s,且呈連續(xù)上升趨勢(shì),此時(shí)仍采用上述加重泥漿配方,僅粘土粉加量增至100 kg/m3,同時(shí)采用“50 mm鉆桿2根加重送管。后涌水量繼續(xù)增大,不能再繼續(xù)添加“50 mm鉆桿,此時(shí)加工一根“56 mm圓鋼(長6 m,質(zhì)量84 kg)加重送管。

3.2.4 第四階段

涌水量增至50 t/h,此時(shí),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析,如繼續(xù)使用加重泥漿,大壓力泵入,加重泥漿完全順地層裂隙漏失,消耗之嚴(yán)重、成本之高得不償失,但同時(shí)此時(shí)若不使用加重泥漿,即使使用圓鋼也無法將內(nèi)管總成送入孔底。此時(shí)不再使用泥漿,改用清水,也不再使用繩索取心,改用普通單管鉆具鉆進(jìn)。

普通單管鉆具鉆進(jìn)很有效地解決了涌水壓力問題,但是出現(xiàn)新的問題:普通單管鉆具在部分巖石較完整孔段能有效采取巖心,但在350 m以深層位巖石均比較破碎,根本無法保證巖心采取率。

經(jīng)研究決定,采用“56 mm繩索取心鉆具完成剩余孔段鉆探任務(wù)?！?6 mm繩索取心鉆具生產(chǎn)已多年,對(duì)于部分非煤固體礦產(chǎn)勘查,在地層特性滿足取樣要求允許的情況下,可以使用“56 mm繩索取心鉆具鉆進(jìn)終孔。老虎洞磷礦區(qū)為已經(jīng)勘查和開采了幾十年的老礦區(qū),地質(zhì)資料非常豐富詳盡,巖層、礦層控制性和準(zhǔn)確性非常高,使用“56 mm繩索取心鉆具終孔完全能夠達(dá)到地質(zhì)要求。

現(xiàn)場(chǎng)使用“56 mm繩索取心鉆具效果極為明顯,有效地降低了水壓力對(duì)于鉆具投放的影響,又消除了普通單管鉆具巖心采取率不足的問題。

3.3 施工中其他問題

涌水孔除水壓力對(duì)鉆進(jìn)造成影響之外,還為鉆進(jìn)施工帶來了其它很多困難。

3.3.1 斷鉆桿事故

該鉆孔有3個(gè)破碎帶,其余大部分孔段巖石非常破碎,涌水過大限制該孔不能使用常規(guī)泥漿處理,使用加重泥漿成本又太高,套管也無法正常下入,因此孔壁得不到有效保護(hù),加之反復(fù)處理各種問題時(shí)間過長,操作過多,孔壁受到強(qiáng)烈擾動(dòng),在涌水沖刷和掏蝕下,形成很多嚴(yán)重超徑孔段,斷鉆桿事故率非常高,發(fā)展到后來每個(gè)班次都至少發(fā)生一次斷鉆事故,鉆進(jìn)無法持續(xù)進(jìn)行。

解決這個(gè)問題方法也是使用“56 mm繩索取心鉆具。直接把“71 mm繩索取心鉆桿在孔內(nèi)充當(dāng)套管用,解決了無法下入套管的問題,同時(shí)能很大程度上封隔涌水,“56 mm繩索取心鉆具在“71 mm繩索取心鉆桿內(nèi)鉆進(jìn),安全性非常高,效果良好。

3.3.2 埋鉆事故

起初,據(jù)直觀經(jīng)驗(yàn)判斷,涌水孔孔內(nèi)應(yīng)該是非常干凈的,但恰恰在涌水孔內(nèi)發(fā)生了埋鉆事故。經(jīng)仔細(xì)分析,發(fā)生這種問題的主要原因是該孔占最大比例的白云巖地層本身就易產(chǎn)生極多的巖粉,正常鉆進(jìn)時(shí),泵壓與巖層水壓力的完全平衡是很難維持的,現(xiàn)場(chǎng)只能采用大于地層水壓力的泵壓,這樣巖粉很直接的被壓入巖層裂隙中,停鉆取心時(shí),巖粉又被地層水壓回孔內(nèi),幾百米的巖粉累積,極易發(fā)生埋鉆事故。

解決這個(gè)問題的方法:每鉆進(jìn)一段深度,便起一次大鉆停鉆等待一段時(shí)間,讓巖粉自裂隙排出自然沉淀,然后下鉆“干捉”巖粉。經(jīng)觀察,“干捉”出的巖粉非常多,而且沉淀得非常緊密,不仔細(xì)看外觀上和完整的巖心沒有差別,這樣的巖粉如果埋鉆后果非常嚴(yán)重。

3.3.3 對(duì)抗水壓力的其它方法

ZK805孔使用“56 mm繩索取心鉆具是逼不得已的做法,對(duì)于不成熟礦區(qū)不能確保達(dá)到地質(zhì)取樣要求,同時(shí)在600 m以深的鉆孔使用“56 mm繩索取心鉆具風(fēng)險(xiǎn)還是非常高的。

因此我們?cè)趲r層相對(duì)較完整的ZK311孔還是在S75繩索取心內(nèi)管總成上做文章。主要措施包括在內(nèi)管上段鉆花眼泄壓,同時(shí)取出繩索取心到位報(bào)信機(jī)構(gòu)的閥體。因?yàn)樵谟克變?nèi)不開泵送內(nèi)管總成至孔底的情況下,繩索取心的到位報(bào)信機(jī)構(gòu)是完全沒用的,取出閥體后,內(nèi)管總成在孔內(nèi)下降狀態(tài)時(shí)涌水可以自由通過內(nèi)管總成,同時(shí)取出這個(gè)閥體對(duì)于正常鉆進(jìn)沒有任何影響。以上2個(gè)措施極大降低了內(nèi)管總成在孔內(nèi)下降的涌水推力,實(shí)踐證明這個(gè)方法非常成功。

上述方法在后期施工的ZK311、ZK406、ZK510、ZK606、ZK705等鉆孔根據(jù)不同情況綜合使用,效果非常好,能確保在大型涌水孔中實(shí)現(xiàn)高效率繩索取心鉆進(jìn)。

4 結(jié)語

(1)使用加重泥漿是目前解決涌水孔問題、保證涌水孔孔壁完整、鉆進(jìn)能順利實(shí)施的比較成熟的技術(shù),但其弊端是成本太高;

(2)其他的方法,如果在不計(jì)較涌水對(duì)施工環(huán)境和鉆孔孔壁損傷的情況下,涌水孔鉆進(jìn)主要就是解決繩索鉆具內(nèi)管總成順利下入孔底的問題。

[1] 李軍勤,張耀選.涌水地層鉆進(jìn)工藝[J].西部探礦工程,2002, (3).

[2] 張成亞.煤田涌水孔施工實(shí)踐[J].探礦工程,1992,(5).

[3] 楊曉奇.地質(zhì)勘探金剛石巖心鉆探中淺孔主體口徑探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(11).

[4] 武漢地質(zhì)學(xué)院,等.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1980.

[5] 張鴻雁,等.流體力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

Drilling Technology of Wire-line Coring for Super Large Water Gushing Hole

SONG Ji-wei(115 Geological Team,Bureau of Geology andMineral Exploration and Development of Guizhou Province,Qingzhen Guizhou 551400,China)

Aiming at some super large water gushing holes in the exploration at Laohudong phosphate mine in Weng’an County of Guizhou Province,the top hole section of water releasing,weighted mud,“56mm wire-line coring tool,S75 wire-line coring inner pipe assembly refitting and some drillingmethodswere combined to form a complete set of s mall di-ameter wire-line coring construction technology for super large gushingwater.

water gushing hole;wire-line coring tool;weighted mud;drilling tool refitting

P634

A

1672-7428(2010)12-0017-02

2010-06-02

宋繼偉(1982-),男(漢族),河北滄州人,貴州省地礦局115地質(zhì)大隊(duì)項(xiàng)目經(jīng)理、助理工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事鉆探機(jī)具、鉆探工藝研究工作,貴州省清鎮(zhèn)市,songjiwei8759@163.com。