大口徑空氣鉆進工藝在大陸科學鉆探中的應用

張秋冬，王興民，張新春，邢向渠，申云飛，王俊杰，魏 慶

(1.河南省地礦局第二地質環(huán)境調查院，河南 鄭州 450053;2.河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001)

0 前言

云南騰沖火山－地熱－構造帶科學鉆探預導孔鉆探施工，是2008年啟動的國家科技專項“深部探測技術與實驗研究”——專項五“大陸科學鉆探選址與鉆探實驗”的子課題之一。云南騰沖縣境內分布著新生代火山68座，溫泉139處，也是西南著名的地震活動區(qū)，集大型走滑構造、巖漿活動、地熱和大型有色金屬成礦作用于一體，是實施科學鉆探工程的首選地區(qū)之一。本項目擬通過一口2000 m科學鉆探預導孔施工，服務于以下科學研究工作:為高熱異常區(qū)進行鉆探工作提供各種地質地球物理參數(shù);論證該區(qū)進行深孔科學鉆探的必要性和可能性;研究該區(qū)新生代火山作用和構造活動關系，大型走滑構造與巖漿活動和成礦作用背景，為礦產資源開發(fā)和地方經濟發(fā)展提供科學依據(jù);為騰沖開展科學深鉆做可行性技術準備。而復雜火山地層孔段取心鉆探施工，是本科學鉆探孔施工的重要環(huán)節(jié)。

1 地層及技術要求

1.1 鉆遇地層

工作區(qū)內出露的地層主要為元古界高黎貢山群構造巖層、古生界二疊系、中生界三疊系碳酸鹽巖石地層、新生界新近系和第四系堆積物，其它的地層缺失。該預導孔位于騰沖火山國家公園之內，緊鄰大空山、小空山，受多期火山噴發(fā)的影響，鉆遇地層上部以可鉆性較好的氣孔狀玄武巖、安山巖為主，中部為可鉆性一般的泥沙巖、大理巖等，下部為可鉆性較差的花崗巖地層。地層呈現(xiàn)渣、灰、空、砂交替出現(xiàn)情況，與地表深部采坑出露地層吻合(見圖1)。所謂“渣”實際上是氣孔狀玄武巖，由于氣孔過于發(fā)育，呈現(xiàn)煤渣狀，結構強度極低，空隙四通八達，鉆井液、壓縮空氣均全孔漏失。而所謂“灰”實際上是尚未成巖的火山灰，吹口氣即能煙消云散。而所謂“空”則是沒有任何充填物的空洞?！吧啊逼鋵嵕褪菑姆凵?、細砂到粗砂的流沙層，沒有任何膠結，鉆具提離鉆孔，流砂立即充填鉆孔。

圖1 采坑及鉆孔地層顯示

1.2 技術要求

(1)鉆孔深度:2000 m或達到目的層花崗巖;

(2)鉆孔傾角:90°(直孔);

(3)終孔直徑:≮152 mm;

(4)取心要求:全孔連續(xù)取心，巖心直徑≥60 mm，巖心采取率≥85%;

(5)孔斜要求:鉆孔偏斜≯1.5°/100 m，終孔孔斜≤15°，最大“狗腿”度≯2°/30 m。

2 火山復雜地層鉆探施工難點及對策

鉆孔所在區(qū)域204 m以淺以多期火山噴發(fā)地層為主，地層裂隙發(fā)育，空洞、無膠結火山灰頻繁出現(xiàn)，地層呈現(xiàn)為全漏失特點，雨季雖然大雨不停，但地面基本沒有積水，全部漏失。

2.1 鉆探施工難點

(1)鉆遇地層復雜，掉塊、塌孔、漏漿嚴重，不能建立正常的泥漿循環(huán)，巖屑無法被攜帶至地面。

(2)施工區(qū)嚴重缺水，人畜飲水都非常困難，生產用水不能保證，必須到幾十千米之外買水。

2.2 針對鉆探施工難點采取的對策

(1)針對缺水、漏漿的地層特點，采用空氣作為循環(huán)介質鉆進。如果使用泥漿頂漏鉆進，必須大量用水，以及泥漿材料的大量使用，將導致鉆探成本高的弊端。空氣鉆進采用跟取粉管的跟管技術，地層掉塊及大顆粒物質直接裝入取粉管帶出孔外，避免卡鉆事故的發(fā)生，較小顆粒巖屑隨著空壓機的強大氣流，充填入地層孔隙或直接吹出孔外。

(3)該鉆孔150 m以深見水。入水后，繼續(xù)空氣鉆進至合適孔段下套管固井(本孔二開244.5 mm套管下深204 m)，三開換成泥漿正循環(huán)鉆進。

3 空氣鉆進主要設備及工具

204 m以淺孔段空氣鉆進，使用的主要設備及工具如下。

(1)鉆機:選用石家莊煤礦機械廠生產的GZ－3000型水源鉆機，89 mm鉆桿鉆進深度為3000 m;

(2)空壓機:現(xiàn)場使用的為一臺英格索蘭RHP825E空壓機，容積流量23.5 m3/min，排氣壓力2.07 MPa;

(3)取心筒:石油川6－3單動雙管取心筒;

(5)潛孔錘:擴孔時使用嘉興生產的JWD－350型潛孔錘，錘頭400 mm;

(6)取心鉆頭:主要為武漢萬邦激光金剛石工具有限公司生產的熱壓金剛石普通取心鉆頭和金剛石底噴式取心鉆頭。

4 空氣取心鉆進

4.1 鉆具組合

4.2 鉆進工藝

火山巖地層硬度較大，主要用川6－3石油單動雙管鉆具和熱壓金剛石鉆頭空氣回轉取心鉆進。

川6－3單動雙管鉆具是石油系統(tǒng)較普遍使用的一種可靠的取心鉆具，設計卡簧錐度大，卡心可靠、外管管壁較厚、使用安全，但鉆頭唇面較厚，影響機械鉆速。采用這種鉆具在2種不同硬度巖石的鉆進情況見表1。

表1 152 mm金剛石取心鉆頭在不同硬度火山巖的鉆進情況

表1 152 mm金剛石取心鉆頭在不同硬度火山巖的鉆進情況

鉆進孔段/m純鉆時/h機械鉆速/(m·h－1)轉速/(r·min－1)鉆壓/kN風量/(m3·h－1) 備 注4.63～28.67 28 0.85 72 10 23.3 22 m以淺為氣孔玄武巖28.67～34.28 15 0.37 43 20 23.3致密安山巖

采用表1鉆進參數(shù)，在較完整的玄武巖地層中取出的巖心表面光滑，巖心采取率也較高。最長巖心1.1 m，鉆頭冷卻正常。用該型號鉆具取出的巖心見圖2。

圖2 玄武巖巖心

5 空氣擴孔鉆進

5.1 鉆具組合

遇水前和遇水后背壓不大情況下，為了提高擴孔效率，采用潛孔錘擴孔鉆進技術。這種方式的鉆具組合是:400 mm錘頭+潛孔錘+377 mm取粉管+89 mm鉆桿。遇水后，背壓較大，潛孔錘擴孔效率降低后，使用組合式牙輪鉆頭擴孔鉆進。這種方式的鉆具組合是:400 mm組合式牙輪鉆頭+377 mm取粉管+159 mm鉆鋌+121 mm鉆鋌+89 mm鉆桿。2種方式均在鉆具下部加大直徑的取粉管，一是保證鉆孔垂直度，二是解決由于孔徑較大的返渣問題，避免造成埋鉆事故。2種鉆具組合形式見圖3。

圖3 擴孔鉆具組合形式

5.2 擴孔鉆進工藝

潛孔錘擴孔鉆進時，鉆壓不超過10 kN，轉速23 r/min。400 mm潛孔錘擴孔情況見表2。隨著鉆孔內水位的加深，背壓的增加，擴孔效率降低。同時由于所配置的空壓機能力較小，潛孔錘擴孔效率沒有很好的發(fā)揮。

表2 潛孔錘擴孔情況

鉆壓過大和過小都會影響潛孔錘鉆進的正常工作。過大則會引起鉆頭的過早磨損，球齒掉落，回轉困難;過小將影響沖擊功的有效傳遞。如回轉速度低，不僅會產生重復破碎，影響效率的提高，而且鉆頭球齒也易發(fā)生鑿入碎巖坑穴中，造成回轉困難和鉆頭的損壞。如果回轉速度過高，則不僅會使沖擊碎巖的作用減弱，而且會造成鉆頭的強烈磨損，使沖擊碎巖轉化為切削碎巖，造成效率低、鉆頭磨損嚴重。

組合式牙輪鉆頭擴孔，鉆壓30～40 kN，轉速72 r/min。由于牙輪鉆進的特殊性，需要較大的鉆壓，將取粉管和鉆鋌組合起來。這樣的鉆具組合較笨重，為了倒巖屑方便，下托盤設置雙托盤裝置，倒粉時將最下一個托盤卸開，巖粉從第一個托盤預留的出渣孔漏出(見圖4)。由于地層較硬，大口徑組合式牙輪鉆頭鉆探效率不高，鉆壓30～40 kN，轉速72 r/min，平均機械鉆速0.4 m/h?？諝庋h(huán)介質對牙輪的潤滑效果不好，經常出現(xiàn)牙輪掌內進巖粉不轉圈，憋車等現(xiàn)象。

圖4 雙托盤裝置

為了保證孔底干凈，不造成埋鉆等事故，2種擴孔鉆進方法都控制回次進尺，一般不超過5 m。當巖粉過多，超過取粉管的容積時，孔內多余的巖粉容易造成埋鉆事故。

6 空氣鉆進取粉管技術

利用空氣的氣流進行洗孔排除巖屑屬于氣力輸送問題。巖屑在空氣流介質中，因本身的粒度、密度和形狀的不同而具有不同的自由懸浮速度。球體自由沉降時，球體既不上升，也不下降，呈擺動狀態(tài)，此時流體的速度稱為該物體的自由懸浮速度，因此，鉆孔環(huán)狀空間內上返風速必須大于巖屑的懸浮速度。壓風機的供風量按下式計算:

式中:Q——空風機的供風量，m3/min;V——上返風速，一般取15～25 m/s;D——鉆孔實際直徑，m;d——鉆桿外徑，m;K1——孔深修正系數(shù)，一般孔深在100～200 m時，K1=1.05～1.1，孔深在500 m時，K1=1.25～1.3;K2——孔內有涌水時的風量增加系數(shù)，與涌水量有關，中小涌水量時，K2=1.5。

根據(jù)上述公式計算，當供風量為23.5 m3/min且能夠滿足上返風速15 m/s時，200 m以淺孔段，取粉管外徑≥358 mm，即在這種取粉管與孔壁形成的環(huán)隙中，上返風速能夠達到潛孔錘正常鉆進的理論風速。故在設計的400 mm孔段中安裝377 mm取粉管，保證了孔底巖屑能夠正常的返到取粉管之上，一部分裝入取粉管，由取粉管帶出孔外，一部分吹出孔外或者裂隙，保證孔底清潔。

7 鉆具防倒吸裝置設計

空氣取心鉆進及擴孔時，當進入地下水位較深時(雨季水位基本在65 m)，鉆進回次終了停風后，回氣倒吸現(xiàn)象常常造成孔內巖屑堵塞雙管環(huán)隙及擴孔時潛孔錘內腔。嚴重時由于倒吸巖屑較多，卡死雙管鉆具，造成報廢，見圖5。為了減輕這種倒吸造成的麻煩，在取心鉆具上接頭或者潛孔錘上接頭加裝自制的單向閥進行控制，有效地減輕了巖屑倒吸堵塞鉆具的情況。但即使加上單向閥，由于考慮單向閥的密封精度，在回次終了停風時，也要堅持緩慢放氣，防止快速放氣造成劇烈倒吸，影響鉆具的正常使用和孔內安全。

圖5 巖屑倒吸現(xiàn)象

8 注意事項

(1)空氣取心鉆進，特別是鉆孔較深，巖屑不能全部、及時的排出孔外，為了防止埋鉆等安全事故的發(fā)生，應合理控制回次進尺，減少孔內巖屑殘留。

(2)由于空氣對地層及巖心的劇烈沖蝕作用，為了提高在該類地層中的巖心采取率，選擇使用底噴式取心鉆頭。

(3)大口徑鉆進中，由于鉆具與孔壁環(huán)狀間隙較大，巖屑上返困難，必須采取取粉管跟管鉆進工藝，及時將巖屑收集、攜帶出來，預防埋鉆。

(4)取粉管要盡量長，保證鉆孔的垂直度。同時，取粉管不能簡單地焊接在鉆具上，需要以絲扣方式連接，預防由于焊接的原因，造成材料局部變化，從而造成斷鉆具等事故的發(fā)生。

9 結語

通過空氣鉆進工藝在騰沖火山－地熱－構造帶科學鉆探工程復雜火山地層的成功應用，得出如下幾點體會:

(1)多期噴發(fā)火山地層施工，由于地層的復雜性及不可預見性，鉆孔結構設計要為深部鉆探預留足夠多的套管程序;

(2)空氣鉆進是大漏失火山復雜地層鉆探的首選鉆進技術，與泥漿鉆進工藝相比，不需要堵漏、水泥封孔等措施，施工簡單、成本較低;

(3)取粉管跟管鉆進中，要反復提鉆總結取粉管裝滿巖屑的最佳進尺長度，防止埋鉆事故的發(fā)生。

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