側(cè)鉆技術(shù)在鉆孔事故處理中的應(yīng)用

張文英,張廷茂,吳德軍,張 宜

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 610081;2.四川省地礦局四○三地質(zhì)隊(duì),四川峨眉山 614200;3.吉林省四平地質(zhì)工程勘察院,吉林四平 136001;4.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì),四川成都 610017)

側(cè)鉆技術(shù)在鉆孔事故處理中的應(yīng)用

張文英1,張廷茂2,吳德軍3,張 宜4

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 610081;2.四川省地礦局四○三地質(zhì)隊(duì),四川峨眉山 614200;3.吉林省四平地質(zhì)工程勘察院,吉林四平 136001;4.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì),四川成都 610017)

介紹了用連續(xù)造斜器在水泥人工孔底側(cè)鉆繞過孔內(nèi)事故鉆具的原理,并通過多個(gè)工程實(shí)例闡述了側(cè)鉆技術(shù)的要點(diǎn),總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)對類似工程有參考意義。

孔內(nèi)事故;連續(xù)造斜器;側(cè)鉆

鉆探生產(chǎn)過程中,孔內(nèi)事故時(shí)有發(fā)生,若是鉆孔較淺或事故不太復(fù)雜,用傳統(tǒng)方法比較容易處理,一旦鉆孔較深或事故比較復(fù)雜時(shí),用傳統(tǒng)方法處理就很困難,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,稍有不慎就會(huì)使事故進(jìn)一步復(fù)雜化。因孔內(nèi)事故無法處理導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢的現(xiàn)象屢見不鮮,不但延緩了工程進(jìn)度也造成了經(jīng)濟(jì)損失。筆者根據(jù)以往工作實(shí)踐并結(jié)合實(shí)例,介紹側(cè)鉆技術(shù)繞過孔內(nèi)事故鉆具的應(yīng)用,供同行參考。

1 側(cè)鉆技術(shù)原理

所謂側(cè)鉆,是在事故孔段灌注水泥建造人工孔底,然后用專業(yè)工具 (如中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所研制的 LZ型連續(xù)造斜器)在水泥孔底上造斜偏出新孔轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn),達(dá)到繞過事故鉆具的目的。

如圖 1所示,LZ型連續(xù)造斜器在孔底工作時(shí),造斜鉆頭在連續(xù)切削孔底的同時(shí)也在側(cè)向連續(xù)切削(銑削)孔壁,造斜器運(yùn)動(dòng)方向不斷偏離原軸線,造斜器運(yùn)動(dòng)軌跡是一條弧線,具有如下關(guān)系:

式 中 :Δα——頂角瞬時(shí)增量 ;V1——孔底切削速度,m/s;V2——側(cè)向切削速度,m/s。

圖 1 切削速度比示意圖

側(cè)向切削速度 V2對孔底切削速度 V1的比值越大,鉆孔頂角增量Δ α越大,造斜器造斜強(qiáng)度也越高。這一點(diǎn)對水泥孔底側(cè)鉆十分重要。因?yàn)樗嗫椎子捕榷鄶?shù)情況下低于孔壁巖石硬度,如果鉆頭切削孔底速度很快,而側(cè)向切削孔壁速度很慢,將出現(xiàn)鉆頭在孔壁打滑現(xiàn)象而導(dǎo)致側(cè)鉆失敗,故在水泥孔底側(cè)鉆時(shí)必須要提高造斜器的造斜強(qiáng)度,也就是提高 V2/V1。提高 V2/V1有以下途徑:一是選用側(cè)刃鋒利造斜鉆頭,硬度 6級以上地層用天然表鑲鉆頭,6級以下地層用復(fù)合片鉆頭;二是選用合適的鉆進(jìn)規(guī)程:(1)鉆壓要大,對于 LZ-73、LZ-89造斜器側(cè)鉆鉆壓為 30～33 kN,鉆壓越大,鉆頭上側(cè)向切削力越大,造斜強(qiáng)度也越高;(2)轉(zhuǎn)速要低,鉆機(jī)轉(zhuǎn)速 <100 r/min,低轉(zhuǎn)速的目的是限制切削孔底的速度,而給鉆頭更多的切削孔壁的機(jī)會(huì)。

2 側(cè)鉆技術(shù)要點(diǎn)

2.1 建造水泥孔底

側(cè)鉆成功的先決條件是在事故鉆具上部建造具有足夠強(qiáng)度的水泥孔底,盡可能降低與孔壁巖石的硬度差,以滿足側(cè)鉆要求,因此要注意以下幾點(diǎn):

(1)孔內(nèi)灌注水泥前應(yīng)清洗鉆孔,把孔內(nèi)泥漿或高聚物處理劑排出孔外,否則會(huì)影響水泥凝固強(qiáng)度。

(2)往孔內(nèi)灌注水泥有 2種方法:①泵送法,將水灰比 0.4～0.5的純水泥漿用泥漿泵壓送到孔內(nèi)預(yù)定位置,若泵壓較高可以低速開車并緩慢提升鉆具;②孔口灌注法,在繩索取心鉆孔中,可以用較稠的水泥砂漿通過繩索取心鉆桿從孔口直接灌入孔內(nèi),效果會(huì)更好。

(3)為縮短水泥凝固時(shí)間,可加速凝劑,無水氯化鈣 3%～5%,三乙醇胺 0.1%。(4)水泥灌注高度應(yīng)在事故頭以上 15～20 m。(5)水泥灌注 72 h后掃孔,取出完整水泥心即可側(cè)鉆。

2.2 壓漿替水量計(jì)算

灌注完畢,必須用清水將鉆桿柱內(nèi)的水泥漿壓送到預(yù)定位置,清水壓送量即灰漿替水量要準(zhǔn)確計(jì)算,否則水泥漿被稀釋將影響水泥凝結(jié)強(qiáng)度,不少單位注漿失敗的主要原因之一就是壓漿替水量計(jì)算不正確,造成浪費(fèi),也影響工期。

壓漿替水量計(jì)算方法有 2種:靜壓平衡法和排量充填法。前者要考慮孔內(nèi)靜水位變化,實(shí)踐中不易掌握。后者只考慮鉆桿柱內(nèi)外水泥漿高度一致,現(xiàn)場便于操作。根據(jù)多年側(cè)鉆經(jīng)驗(yàn),推薦以下計(jì)算公式:

式中:Q——壓漿替水量,L;Q1——鉆桿柱內(nèi)容積,L,“50 m鉆桿為 1.2 L/m,“71 mm繩索鉆桿約 2.9 L/m,“89 mm繩索鉆桿約 4.9 L/m;Q2——地面管路容積,L,一般 60～70 L;Q3——灌注水泥漿體積,L。

式中 0.5Q3的含義是水泥漿的一半注入鉆孔中,另一半仍留在鉆桿內(nèi),此時(shí)鉆桿內(nèi)外水泥漿液面高度基本一致,在鉆桿提升過程中能保證水泥漿不被稀釋,達(dá)到預(yù)期的注漿效果。

2.3 操作注意事項(xiàng)

(1)根據(jù)巖石硬度選用不同造斜鉆頭,鉆頭側(cè)刃要鋒利,較硬地層選用天然表鑲鉆頭,中硬以下地層選用復(fù)合片鉆頭或自制硬質(zhì)合金鉆頭。

(2)為防止側(cè)鉆出的新孔與事故孔段交叉,造斜器在孔內(nèi)安裝方向應(yīng)與老孔錯(cuò)開。

(3)機(jī)上余尺盡量加高,只要有進(jìn)尺就繼續(xù)鉆進(jìn),直到不進(jìn)尺為止。

(4)造斜器的工作原理是鉆頭側(cè)向切削孔壁,鉆進(jìn)參數(shù)要求大壓力 (28～33 kN)、低轉(zhuǎn)速 (<100 r/min),以增大鉆頭側(cè)向切削力并提高側(cè)向切削速度與軸向進(jìn)尺速度的比值。

(5)側(cè)鉆完畢用總成 1.0 m短鉆具進(jìn)行取心鉆進(jìn) 2個(gè)回次,取出完整巖心后轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)。

(6)側(cè)鉆完畢轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)的初始階段,應(yīng)當(dāng)?shù)娃D(zhuǎn)速鉆進(jìn)一段時(shí)間再把轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高,在繩索取心鉆孔中更應(yīng)如此。

3 側(cè)鉆繞過事故鉆具實(shí)例

3.1 四川惠東黃坪鐵礦區(qū)

2009年 1～2月,四川省地礦局 403隊(duì)在惠東黃坪鐵礦區(qū)施工 ZK405孔,由于地層復(fù)雜,在孔深180、280 m處發(fā)生 2次卡鉆事故,均用 LZ-73型造斜器側(cè)鉆繞過事故鉆具 (見圖 2)。

圖 2 惠東黃坪鐵礦區(qū) ZK405孔側(cè)鉆示意圖

3.2 汶川地震科鉆 1號(hào)孔 (WFSD-1)

四川汶川“5.12”特大地震發(fā)生后,為研究地震斷裂帶和地震機(jī)理并捕捉余震信息,國家迅速組織實(shí)施了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目。項(xiàng)目 1號(hào)孔(WFSD-1)設(shè)計(jì)孔深 1200 m,由四川省地礦局 403地質(zhì)隊(duì)承擔(dān)施工任務(wù)。從孔深 585 m開始進(jìn)入主斷裂帶,主斷裂帶為黑色斷層泥,厚約 30多米,斷層泥主要特點(diǎn)是地應(yīng)力很強(qiáng)并且遇水膨脹,鉆孔形成后迅速縮徑,容易造成孔內(nèi)事故。2009年 3月 25日在孔深 625.8 m處,由于鉆孔縮徑發(fā)生夾鉆事故,在處理過程中事故進(jìn)一步復(fù)雜化,2根 “89 mm取心鉆具 (總長 5.53 m)和 1個(gè) “89 mm套管公錐留在孔內(nèi),無法取出也無法消滅,若不采取有效措施,將影響科鉆工程進(jìn)度。經(jīng)科鉆中心專家研究,決定采用側(cè)鉆繞障方法處理。2009年 4月 1日用 LZ-89型造斜器從孔深 580.07 m處側(cè)鉆出新孔轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn) (見圖 3)。

圖 3 WFSD-1孔側(cè)鉆示意圖

3.3 吉林通化煤礦區(qū)

2009年吉林省地礦局四平基礎(chǔ)工程公司在通化煤礦區(qū)施工 ZK9-02孔,設(shè)計(jì)孔深 1000 m。2009年 10月在孔深 619.6m處發(fā)生燒鉆事故,處理過程中 “60 mm鉆桿被扭斷,斷頭劈裂,事故鉆具 20多米,并且孔內(nèi)留下不少碎鐵皮,后用水泥封閉事故孔段。2010年 5月用 LZ-89造斜器配復(fù)合片鉆頭在水泥孔底側(cè)鉆,自 531～534.06 m側(cè)鉆進(jìn)尺 3.06 m,成功偏出新孔轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn),至 6月 3日順利終孔 (見圖 4)。

3.4 四川會(huì)理拉拉銅礦區(qū)

2010年,四川省地礦局 403地質(zhì)隊(duì)在四川會(huì)理拉拉銅礦區(qū)施工 ZK104孔,設(shè)計(jì)孔深 1300 m,由于地層破碎采用 “89 mm套管護(hù)壁,2010年 6月出現(xiàn)套管事故,上部套管被反出,下部套管留在孔內(nèi),事故頭孔深 660 m,因事故套管較長,無法取出,也很難消滅,后采用 LZ-89造斜器進(jìn)行側(cè)鉆,從孔深590 m處偏出新孔,繞過了事故套管 (見圖 5)。

圖 5 會(huì)理拉拉銅礦 ZK104孔 側(cè)鉆示意圖

圖 4 通化煤礦 ZK9-02孔側(cè)鉆示意圖

3.5 其他礦區(qū)

2010年 7月,廣西核工業(yè) 310隊(duì)在湖南耒陽煤礦區(qū)施工 ZK911孔,設(shè)計(jì)孔深 1000 m,在孔深 913 m處發(fā)生卡鉆事故,“71 mm繩索取心事故鉆具無法取出,后在孔內(nèi)建造水泥孔底,從 790 m處偏出新孔,成功繞過事故段。

2010年 10月,安徽省地礦局 311隊(duì)在懷寧多金屬礦區(qū)施工 ZK011孔,在孔深 784 m處發(fā)生埋鉆事故,后在 701 m處側(cè)鉆繞障成功。

4 主要體會(huì)

(1)水泥孔底側(cè)鉆技術(shù),不但可以用于處理孔內(nèi)復(fù)雜事故,挽救瀕于報(bào)廢的鉆探工作量,還可以用于分支定向孔施工,補(bǔ)采巖礦心以及繞過急斜孔段等,具有重要推廣價(jià)值。

(2)有人擔(dān)心在繩索取心鉆孔中側(cè)鉆,會(huì)由于“狗腿”彎的存在而影響鉆桿柱的安全,其實(shí)該擔(dān)心是不必要的。本文所列舉的側(cè)鉆實(shí)例如汶川地震科鉆 1號(hào)孔 (WFSD-1)、惠東黃坪鐵礦區(qū) ZK405孔、會(huì)理拉拉銅礦區(qū) ZK104孔、耒陽煤礦區(qū) ZK911孔、懷寧多金屬礦 ZK011孔都是繩索取心鉆孔,側(cè)鉆后都順利轉(zhuǎn)入正常鉆進(jìn)至終孔。實(shí)踐證明,只要正確操作就能保證鉆柱安全。

(3)用側(cè)鉆技術(shù)繞過孔內(nèi)事故鉆具,與傳統(tǒng)處理孔內(nèi)事故方法相比具有安全、可靠、孔內(nèi)不留隱患等特點(diǎn),經(jīng)濟(jì)效益十分突出,具有重要推廣價(jià)值。

[1] 張文英,胡趙華.用 LZ-73連續(xù)造斜器攻克孔斜技術(shù)難關(guān)[J].探礦工程,1991,(6):46-47.

[2] 王政先.堵漏及封孔替漿量計(jì)算問題的商榷[J].探礦工程,1990,(6):10-11.

[3] 張文英,劉衛(wèi)東,趙燕來,等.若爾蓋鈾礦區(qū)復(fù)雜易斜地層定向分支鉆孔施工技術(shù)[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(8):22-24.

[4] 吳金生,宋軍,尤建武,等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號(hào)孔(WFSD-1)定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(12):20-22.

[5] 趙均文,于志堅(jiān),邢運(yùn)濤,等.承德黑山礦區(qū)鉆孔糾斜技術(shù)及防斜技術(shù)措施[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2010,37(5):17-21.

Application of Sidetrack Drilling Technology in Borehole Accident

ZHANG Wen-ying1,ZHANG Ting-m ao2,WU De-jun3,ZHANG Yi4(1.The Institute of Exploration Technology,CAGS,Chengdu Sichuan 610081,China;2.No.403 Geo-logical Team of Sichuan Bureau of Geological Exploration and Exploitation of Mineral Resources,Emeishan Sichuan 614200,China;3.Institute of Siping Geologic Engineering Exploration of Jilin Province,Siping Jilin 136001,China;4.Sichuan Team of Geological Survey Center of China BuildingMaterials Industry,Chengdu Sichuan 610017,China)

This paper introduces the examples of sidetrack drilling at artificial cement hole bottom with continuous whips-tock bypassing down-hole accident drilling tools and the technical points of sidetrack drilling technology.

hole accident;continuouswhipstock;sidetrack drilling

P634.7

A

1672-7428(2011)06-0010-03

2010-12-27

張文英 (1940-),男 (漢族),北京順義人,中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所教授級高級工程師,探礦工程專業(yè),從事定向鉆探科研開發(fā)工作,四川省成都市一環(huán)路北二段 1號(hào),zwy_iet@126.com。