套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)的應(yīng)用

胥 虹

(核工業(yè)天津工程勘察院，天津 寶坻 301800)

0 引言

貴州省是我國的礦產(chǎn)資源主要儲存地之一，然而構(gòu)造發(fā)育的喀斯特地貌，卻為鉆探工作帶來了很多困難。例如:灰?guī)r地層鉆進(jìn)不返水，鉆進(jìn)途中突然遇到溶洞等等。筆者在貴州省清鎮(zhèn)市犁倭鄉(xiāng)紅花寨、白浪壩鋁土礦勘探施工(以下簡稱:貴州某鋁土礦勘探施工)中還遇到了在灰?guī)r中同時出現(xiàn)破碎漏孔坍塌掉塊的情況，使鉆進(jìn)施工難以進(jìn)行。針對這種復(fù)雜地層，經(jīng)過分析研究，決定采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)。套管跟進(jìn)技術(shù)多用在漂石或流沙層的鉆進(jìn)，一般鉆進(jìn)孔深只有十幾米，因此，在更深鉆孔中運(yùn)用是這次施工成功的關(guān)鍵。

1 工程概況

貴州某鋁土礦鉆探施工ZK3369孔的技術(shù)指標(biāo)為:傾角90°，開孔直徑≥110 mm，終孔直徑≥75 mm，巖心采取率≥75%，礦心采取率≥80%，設(shè)計(jì)孔深280 m。

礦區(qū)地層剖面綜述如下。

(1)第四系(Q)，厚0～34.00 m。分布于緩坡溝谷地帶，為殘積、坡積、沖積層。由碎石和粘土組成，不整合覆蓋于各時代地層之上。

(2)棲霞組(P2q)，根據(jù)巖性特征分為3段。

第三段(P2q3):上部為淺灰、灰色厚層～塊狀含生物碎屑微晶灰?guī)r，含少量燧石結(jié)核和白云質(zhì)團(tuán)塊，下部為深灰色中厚層狀微晶生物灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，厚46.37～68.14 m;

第二段(P2q2):中上部為灰色塊狀細(xì)晶生物碎屑灰?guī)r，含燧石結(jié)核及條帶，且大致沿層分布，下部為薄～中厚層狀灰?guī)r夾泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，底部6～8 m為灰色塊狀泥晶生物碎屑灰?guī)r。厚22.96～58.50 m;

第一段(P2q1):深灰色薄～中厚層狀生物碎屑灰?guī)r與灰黑色薄層生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r互層，具波狀層理，上部含燧石結(jié)核，厚17.64～49.16 m。

(3)梁山組(P2l)，厚9.59～46.27 m。

上部為黑色頁巖及粉砂質(zhì)粘土巖，含黃鐵礦結(jié)核。

中部為灰色中厚層狀細(xì)粒石英砂巖與灰色薄層狀粉砂質(zhì)粘土巖互層，由下而上石英砂巖增厚、增多。

下部為黑色粉砂質(zhì)粘土巖夾少量薄層泥質(zhì)白云巖，含細(xì)粒星散狀和結(jié)核狀黃鐵礦，不穩(wěn)定，時有尖滅。

(4)石炭系下統(tǒng)擺佐組(C1b)，厚 63.64～111.27 m。

淺灰、灰白色厚層～塊狀粗晶白云巖，下部25 m左右為細(xì)晶白云巖，底部3～8 m為深灰色中～細(xì)晶白云巖，含較多的灰綠色粘土巖團(tuán)塊及條帶，為見礦標(biāo)志層。

(5)九架爐組(C1jj)，厚0～25.09 m。

礦區(qū)內(nèi)隱伏于地下，按巖礦組合特征，可劃分為2段:

上段(鋁質(zhì)巖段):上部為灰綠色或雜色粘土巖，下部為灰色，灰白色鋁土礦或鋁土巖，鋁土巖多賦存于鋁土礦的上部或下部，常含黃色、暗灰色黃鐵礦結(jié)核和團(tuán)塊，厚0～19.67 m。

下段(鐵質(zhì)巖段):由暗紅色赤鐵礦、紫紅色鐵質(zhì)粘土巖、灰綠色綠泥石粘土巖組成，局部含黃鐵礦及菱鐵礦結(jié)核或團(tuán)塊，厚0～6.34 m。

(6)寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2－3ls)。

礦區(qū)內(nèi)隱伏于地下，為淺灰、肉紅色薄～中厚層狀細(xì)晶白云巖，夾少量黃綠色粘土質(zhì)頁巖，揭露厚73.38 m，未見底。

2 施工難點(diǎn)

2.1 前期施工情況

ZK3369孔前期鉆進(jìn)時選用了HXY－500型鉆機(jī)，BW150型泥漿泵，采用清水作為沖洗液。開孔孔徑110 mm，鉆進(jìn)至16 m時遇到基巖，下好108 mm定向管后，換91 mm鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)1.1 m，孔底就開始漏水。繼續(xù)鉆進(jìn)至22 m時發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，同時發(fā)現(xiàn)采取率只有30%，取上來的巖心只有個別成柱狀，大多數(shù)成塊狀，棱角鋒利(見圖1)。由此判斷該段地層掉塊嚴(yán)重，于是立即采用水泥封孔措施，水泥封孔時采用了速凝劑，然而水泥并未在鉆孔中堆積，連續(xù)2次封孔皆未取得成功，于是下入89 mm套管，套管在下到20 m時遇阻，采用強(qiáng)力下壓的方式下到22 m，采用S75繩索取心鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至28 m發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)負(fù)荷有所增加，取心后難以加桿，需要反復(fù)掃孔才能加桿鉆進(jìn)。一旦出現(xiàn)不再進(jìn)尺，起鉆就會發(fā)現(xiàn)鉆頭和擴(kuò)孔器已經(jīng)磨損嚴(yán)重，不能使用，更換鉆頭、擴(kuò)孔器后下鉆下到28 m時，又需要再次掃孔才能加桿鉆進(jìn)。隨著孔深增加鉆機(jī)負(fù)荷也越來越大，只能換低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。如此反復(fù)操作，由于鉆頭磨損嚴(yán)重，進(jìn)尺能力有限，連續(xù)幾天下來只能鉆至45 m，鉆頭和擴(kuò)孔器卻消耗無數(shù)。

圖1 取出的巖心

2.2 難點(diǎn)分析

面對著幾天工作毫無進(jìn)展，通過和地質(zhì)部門的共同探討分析，得出以下幾點(diǎn)看法。

(1)該孔漏孔嚴(yán)重，泥漿護(hù)壁堵漏措施無效，采用專門的堵漏技術(shù)也是徒勞，增加成本并且浪費(fèi)時間。

(2)該區(qū)地層可能遭受過強(qiáng)力構(gòu)造，導(dǎo)致巖心破碎，膠結(jié)力極差，坍塌掉塊現(xiàn)象明顯，如不隔離，鉆具難以繼續(xù)鉆進(jìn)。

(3)該區(qū)有燧石灰?guī)r地層，胎體硬度小于HRC25金剛石鉆頭才能進(jìn)尺，鉆進(jìn)效率本來就低，加上地層破碎，更增加了鉆進(jìn)難度。

(4)地質(zhì)部門推測，棲霞組第一段為深灰色薄～中厚層狀生物碎屑灰?guī)r與灰黑色薄層生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r互層，具波狀層理，該段地層比棲霞組第二、第三段的塑性強(qiáng)度大，膠結(jié)力好，理論形成褶皺構(gòu)造，不會縱向形成斷裂，地層穩(wěn)定，不會掉塊。由此推測破碎坍塌掉塊層厚度大概100 m左右。

結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和多年的施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)處理現(xiàn)有難題，其理論依據(jù)為:

(1)套管跟進(jìn)技術(shù)采用在普通套管前段安裝無內(nèi)徑鉆頭的鉆進(jìn)工藝，能在鉆機(jī)驅(qū)動力帶動下鉆進(jìn)擴(kuò)孔;

(2)因?yàn)樘坠芡鈴街槐瓤讖叫?～4 mm，可以阻止松散巖塊掉落，松散巖石與套管接觸面比使用鉆桿時候的接觸面要小，故而套管轉(zhuǎn)動阻力小，可以實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn);

(3)采用多層套管跟進(jìn)解決跟管鉆頭磨損而不進(jìn)尺和隨著孔深增加套管難轉(zhuǎn)動的難題;

(4)采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)能夠保證取心率。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 設(shè)備及器具的選擇

結(jié)合現(xiàn)場具體情況以及施工技術(shù)的要求，選用YDXD－800BX型便攜式全液壓鉆機(jī)(自帶泥漿泵);配127 mm套管20 m，130 mm電鍍金剛石鉆頭1個，110 mm跟管鉆具一套(108 mm套管70 m，110 mm電鍍金剛石跟管鉆頭1個)，91 mm跟管鉆具一套(89 mm套管100 m，91 mm電鍍金剛石跟管鉆頭1個);S95、S75繩索取心鉆具各一套。其中鉆頭胎體硬度HRC25。

3.2 鉆進(jìn)施工

(5)進(jìn)入完整地層后采用S75繩索取心鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

套管級配見圖2。

圖2 套管級配圖

3.3 施工中遇到的問題及解決措施

圖3 巖心從破碎到完整過渡照片

4 施工效益

ZK3369孔采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)后，經(jīng)過8天的鉆探施工順利完成了該孔的鉆探任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地層鉆進(jìn)10.4 m/臺班的效率。最終孔深250.58 m，鉆孔孔斜2°00'，全孔采取率88%，礦心采取率高達(dá)99%，屬優(yōu)質(zhì)孔。該孔鉆進(jìn)中使用的套管最后都順利拔出，除跟管鉆頭磨損嚴(yán)重不能利用外，套管磨損輕微，可以再次利用，大大降低了施工成本。

5 結(jié)語

套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)能在破碎漏孔坍塌掉塊的灰?guī)r地層中成功運(yùn)用關(guān)鍵在于以下5點(diǎn)。

(1)套管護(hù)壁解決地層破碎漏孔坍塌掉塊，膠結(jié)性差的特性。

(2)阻止套管轉(zhuǎn)動的阻力主要是掉塊與套管的摩擦阻力。由于有套管的護(hù)壁使之沒有大面積坍塌，接觸面積少，阻力就小，動力就能傳遞給跟管鉆頭破巖做功。

(3)采用兩級套管跟進(jìn)方案，解決了因孔深的增加導(dǎo)致套管與孔壁摩擦阻力增加，動力就不能傳遞給跟管鉆頭破巖做功，增加了套管跟進(jìn)的深度。

(4)廢機(jī)油的使用，減輕了套管摩擦阻力，增加了套管跟進(jìn)的深度

(5)采用了全液壓鉆機(jī)，因?yàn)槠?.3 m長行程油缸，降低了套管跟進(jìn)鉆具和繩索取心因加桿而反復(fù)掃孔次數(shù)，提高了鉆進(jìn)效率。

[1] 唐風(fēng)林，A.Γ.加里寧，楊學(xué)涵.巖心鉆探學(xué)[M].湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.

[2] 李世忠.鉆探工藝學(xué)(上冊)[M].湖北武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

[3] 鄢捷年，等.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營:中國石油大學(xué)出版社，1993.

[4] 范國容.套管跟進(jìn)技術(shù)在流沙地層中的應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?012，(6).

[5] 趙大軍，索忠偉.巖土鉆鑿設(shè)備[M].吉林長春:吉林大學(xué)出版社，2004.