漂卵石地層鉆進(jìn)工藝研究及孔內(nèi)爆破試驗(yàn)

劉德亮 李琦

漂卵石地層鉆探一直是施工中的難題，鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)漏漿、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，容易造成卡鉆事故。尤其是鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)遇到大漂石，且出現(xiàn)漂石隨鉆頭一起回轉(zhuǎn)的情況，這在施工中非常少見，處理起來尤其困難。在洛陽吉利地區(qū)鉆井施工過程中就遇到了這種情況，最后采用孔內(nèi)定向爆破的方法，將漂石擊碎，然后用巖芯管套取。這一方法成功地解決了施工中的難題，取得了較好的效果。

1.工程概況

該水井工程位于洛陽市吉利區(qū)雷河鄉(xiāng)境內(nèi)，洛陽吉利地區(qū)也是我國能源化工工業(yè)基地之一，該區(qū)處在黃河沖積扇上。卵礫石層十分發(fā)育，層厚從十幾米到幾十米不等，且粒徑大，粒徑在20-50cm的漂石也較為常見，因此，鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生垮塌、漏漿、孔斜等事故，施工十分困難。

我們施工的鉆孔上部十幾米為黃土層所覆蓋，下部主要為半膠結(jié)或無膠結(jié)的卵礫石層，孔深設(shè)計(jì)100米。

2.施工設(shè)備及鉆具

施工中鉆機(jī)采用SPJ-300型轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)，泵采用BW850/20的泥漿泵，鉆具使用φ89鉆桿，下部接φ159鉆鋌4根，鉆進(jìn)時(shí)靠鉆鋌加壓。鉆頭采用φ426巖芯管加焊肋骨合金塊。肋骨合金塊是把30mm厚的鋼板割成長20cm寬6cm的的肋骨塊，在一端銑出一個(gè)臺(tái)面，把幾個(gè)YG8的大八角合金用銅焊條焊在上面?？拷@頭底部，焊上些鋼絲繩頭，形成網(wǎng)兜狀，方便取芯，防止被套取的巖芯脫落。

3.施工工藝

由于該孔主要為卵礫石地層，針對(duì)這種地層鉆進(jìn)的特點(diǎn)編制了施工組織設(shè)計(jì)，制定了相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝。

首先分析一下卵礫石層施工進(jìn)尺的原理。由于卵礫石層具有一定的硬度，且該區(qū)域的卵礫石之間處于半膠結(jié)或無膠結(jié)狀態(tài)，所以在壓力和回轉(zhuǎn)力的作用下，卵石之間容易生產(chǎn)相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，鉆進(jìn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)以下三種情況：

第一種情況是鉆具回轉(zhuǎn)的扭震力小于卵石間的擠壓力，卵石塊在鉆頭壓住部分被剪切破碎，其中被套住的部分和周圍的小卵礫石一起被套進(jìn)巖心管鉆頭內(nèi)，剪切后留在巖心管外的部分被擠入孔壁，從而鉆頭獲得進(jìn)尺。

第二種情況是鉆具回轉(zhuǎn)的扭震力大于卵石間的擠壓力，如鉆頭壓住卵石的邊緣部分時(shí)，在壓力作用下，卵石塊邊破碎邊產(chǎn)生滑移，卵石塊被擠壓滑移到巖芯鉆頭內(nèi)部或鉆頭被擠入孔壁，鉆頭都可以獲得進(jìn)尺。

這兩種情況如下圖所：

第三種情況是鉆具回轉(zhuǎn)的扭震力大于卵石塊間的擠壓力且鉆頭壓住卵石塊的中間部位時(shí)，且卵石塊較大，巖芯管鉆頭無法套取，在鉆頭扭震力的鉆用下，卵石塊會(huì)隨著鉆頭一起回轉(zhuǎn)，鉆頭與卵石塊同步運(yùn)動(dòng)，卵石塊與卵石塊之間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成石頭磨石頭的現(xiàn)象，這樣就沒有進(jìn)尺，無法繼續(xù)鉆進(jìn)，必須采取相應(yīng)的處理措施。如：進(jìn)行孔內(nèi)定向爆破或換沖擊鉆進(jìn)行碎石。

3.1鉆進(jìn)工藝

根據(jù)以上分析的卵礫石層的鉆進(jìn)特性，決定采用大口徑一次鉆進(jìn)成孔的施工工藝，用φ426巖芯管鉆頭一次成孔，如鉆進(jìn)順利，中間不再變徑，這樣方便套取卵石，提高鉆進(jìn)效率，節(jié)約施工時(shí)間。開孔鉆進(jìn)時(shí)采用φ426短巖芯管輕壓慢轉(zhuǎn)，保證開孔要直。根據(jù)卵礫石層容易造成孔斜的特點(diǎn)，在鉆進(jìn)工藝上采用鉆鋌加壓，加長粗徑導(dǎo)向鉆具，并在鉆孔終孔下井管之前，用8米長的巖心管鉆頭進(jìn)行通孔，保證鉆孔的垂直度，有效地防止孔斜。在正常鉆進(jìn)過程中，用5米長的φ426巖芯管加焊合金肋骨塊，做成合金肋骨鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，靠巖芯管鉆頭套取卵石取得進(jìn)尺。鉆進(jìn)過程中鉆具跳動(dòng)嚴(yán)重，鉆機(jī)負(fù)荷很大，經(jīng)常有蹩車現(xiàn)象發(fā)生。

3.2泥漿工藝。

為防止鉆進(jìn)過程中的漏漿、垮塌等現(xiàn)象的發(fā)生，在泥漿方面采用了PW植物膠泥漿做鉆進(jìn)液進(jìn)行保護(hù)孔壁。經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室的多次試驗(yàn)，試了十幾組配方，最后選中了以下配方，作為現(xiàn)場(chǎng)使用的泥漿配方，按以下比例進(jìn)行配漿。

因卵礫石地層漏漿嚴(yán)重，所以鉆進(jìn)時(shí)用的泥漿粘度比較高?，F(xiàn)場(chǎng)配制時(shí)，先按上述比例將稱好的Na2CO3加入裝有溫水的桶中，使其全部溶解，然后再按比例加入PW植物膠，邊加入邊攪拌。最后再把攪拌均勻后的植物膠堿溶液，慢慢注入泥漿池內(nèi)，注入時(shí)一定要用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，至到攪拌均勻，然后測(cè)量泥漿各項(xiàng)指標(biāo)。切記不可將植物膠堿溶液不經(jīng)攪拌機(jī)攪拌直接倒入泥漿池。在施工過程中，根據(jù)孔內(nèi)漏漿情況，在此配方的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。

3.3取心工藝

為了更好的撈取巖心，獲取進(jìn)尺，在巖心管底部水口上面7-10cm處，焊一圈破開的鋼絲繩，把破開的絲繩焊成網(wǎng)狀，鉆進(jìn)中卵石一旦進(jìn)入巖心管，在提鉆時(shí)就不易脫落。回次終了時(shí)，把泵量關(guān)到最小，再回轉(zhuǎn)一會(huì)，盡量使巖心管內(nèi)的石塊和鋼絲繩纏繞在一起，把巖心取出。為防止鋼絲繩損壞或變形后貼靠在巖心管內(nèi)壁，每個(gè)回次不宜過長，一般控制在兩個(gè)小時(shí)左右。

3.4洗井工藝

為了方便洗井，投礫時(shí)，在含水層段所投礫料中加入明礬（流酸鋁鉀Kal(SO4)?12H2O）。明礬是硫酸鉀和硫酸鋁的復(fù)鹽，它的凝聚作用主要是由Al2(SO4)3產(chǎn)生的。當(dāng)明礬溶于水后，Al2(SO4)3因水解作用而產(chǎn)生Al(OH)3，硫酸鋁還會(huì)和泥漿中含有的碳酸氫鈣作用，生成氫氧化鋁和硫酸鈣。泥漿中的那些雜質(zhì)，大部分都是帶負(fù)電荷的膠粒，而氫氧化鋁膠粒是帶正電荷的，因此，帶正電荷的氫氧化鋁膠粒能中和水中膠狀雜質(zhì)所帶的負(fù)電荷，于是這些雜質(zhì)很快地就會(huì)跟氫氧化鋁絮狀物一起凝聚而下沉。這樣PW植物膠形成的泥皮會(huì)很容易被破壞掉，解決洗井問題，提高了出水量。

在使用明礬之前，我們先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，在PW植物膠泥漿形成的泥皮上滴上明礬溶液，很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)致密光滑的泥皮開始變成松散狀，一會(huì)又變成絮狀物，放入出水絮狀物很快就會(huì)沉淀，泥皮就這樣被破壞掉了。有理論支撐又有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后決定在投礫時(shí)加入明礬。

4施工中遇到的問題

該孔在23米以淺施工比較順利，在施工到23時(shí)發(fā)現(xiàn)不進(jìn)尺，提鉆檢查鉆頭，發(fā)現(xiàn)合金并沒有怎么磨損。據(jù)當(dāng)班班長描述，在鉆進(jìn)到23米時(shí)，鉆機(jī)出現(xiàn)蹩車，扭矩非常大，鉆機(jī)調(diào)到了最低轉(zhuǎn)速。一會(huì)扭矩減小了，轉(zhuǎn)動(dòng)非常輕松，開始懷疑是鉆桿斷了，提鉆檢查鉆具，發(fā)現(xiàn)鉆具完好。但下鉆后鉆進(jìn)仍不進(jìn)尺，這樣連續(xù)下了兩趟鉆，共鉆進(jìn)了兩個(gè)多小時(shí)，都沒有進(jìn)尺。分析認(rèn)為，可能遇到了卵石鉆進(jìn)中的第三種情況，即孔內(nèi)可能遇到了大的漂石，漂石直徑超過了巖心管內(nèi)徑，無法套取，且該漂石與周圍的卵石處于半膠結(jié)或無膠結(jié)狀態(tài)，當(dāng)鉆頭的扭震力大于石塊間的擠壓力和摩擦力，被壓住的漂石就隨鉆頭一起回轉(zhuǎn)，成了一塊活石，鉆頭無法將其切割破碎，造成不進(jìn)尺的現(xiàn)象。

如圖所示：

5.解決方案

在分析上述原因后，我們決定采用孔內(nèi)定向爆破技術(shù)，將該漂石爆碎，然后再用巖心管將碎塊套取，撈出孔底。方案定了之后，在河北平山縣一個(gè)軍工廠，聯(lián)系購買了2個(gè)5#爆破彈頭，該彈頭內(nèi)裝有25克炸藥，并設(shè)計(jì)加工了與該彈頭配套用的聚定定向發(fā)射器，通過雷管將彈頭引爆。

在正式進(jìn)行孔內(nèi)爆破之前，我們先在地表做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。挖了一個(gè)1.5米左右深的坑，在發(fā)射器的聚能穴下面放了一塊大石頭，周圍放了些小石塊，用電瓶引爆雷管，進(jìn)而引爆了發(fā)射器里的彈頭。引爆時(shí)一聲悶響，看到發(fā)射器跳起1米左右的高度，試驗(yàn)坑底的大石頭變成了很多小碎塊，由于聚能穴的作用，能量基本上是向下的沖力，周圍的孔壁破壞不大，地表實(shí)驗(yàn)的效果非常理想。

為了能夠在水下順利引爆，即要把漂石擊碎又防止把孔壁震塌，技術(shù)上要求第一水下密封一定要完好，確保安全引爆，第二要求定向發(fā)射器盡量置于鉆孔的中心，因此在發(fā)射器周圍加了兩個(gè)扶正器，保證其在孔內(nèi)對(duì)中。

在把發(fā)射器放入孔內(nèi)之前，把彈頭、雷管都安裝好，用電纜線將雷管引出地面，檢查所有的密封均完好，用鋼絲繩把發(fā)射器送入孔底進(jìn)行引爆。

整個(gè)定向爆破裝置如下圖所示。

6.結(jié)語

卵礫石地層由于其穩(wěn)定性較差，在鉆探施工過程中，鉆孔容易生產(chǎn)漏漿、坍塌、掉塊、孔斜等現(xiàn)象，因此施工難度非常大，其鉆進(jìn)工藝具有一定的借鑒意義。施工中如果遇到大的漂石，在鉆頭既無法套取又不能將其切割的情況下，孔內(nèi)定向爆破技術(shù)的應(yīng)用，成功的解決了這一施工中的技術(shù)難題，保證了施工的正常進(jìn)行，解決了實(shí)際問題，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

（作者單位：河南省探礦機(jī)械院河南 鄭州 450053）