大斜孔鉆探技術(shù)在千枚巖地層的應(yīng)用

羅詩偉，張聯(lián)庫

（陜西省核工業(yè)地質(zhì)局工程機(jī)械研究所，陜西 咸陽 712000）

0 前言

目前勘探裝備的市場(chǎng)需求和勘探市場(chǎng)的任務(wù)量已經(jīng)趨于飽和，對(duì)于易于施工，施工條件相對(duì)較好的項(xiàng)目，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，造成單位進(jìn)尺的施工造價(jià)一降再降。然而在一些高難進(jìn)入地帶的施工量卻在逐年增加，并且為了降低成本及施工風(fēng)險(xiǎn)，紛紛降低單孔的孔深，加大鉆孔的傾斜角度，有的甚至達(dá)到45°。大斜孔鉆探是運(yùn)用在金屬固體勘探中，對(duì)于急傾斜礦體或地層自然傾斜嚴(yán)重的地層，技術(shù)上難以控制的礦區(qū)，為保證施工質(zhì)量及壓縮費(fèi)用，設(shè)計(jì)時(shí)常常要求斜孔施工。大斜孔鉆探技術(shù)不僅縮短了輔助工時(shí)、提高了勘探速度，更重要的是解決了直孔及小斜孔鉆探無法達(dá)到的地質(zhì)目的，而且還能深入到直孔及小斜孔無法深入的礦床禁區(qū)，能獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。

因此對(duì)于傾斜角度為45°～65°之間斜孔的繩索取心鉆探施工技術(shù)、施工設(shè)備、鉆進(jìn)參數(shù)以及沖洗液的研究都具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 大斜孔勘探施工的難點(diǎn)

1.1 施工地質(zhì)條件惡劣

本項(xiàng)目施工地點(diǎn)在陜西省漢中略陽縣萬家山地區(qū)，施工的地層為千枚巖層、灰?guī)r層，該區(qū)地勢(shì)起伏比較大，多山、多水，植被茂盛，環(huán)境優(yōu)美，且孔位一般都在半山腰，保護(hù)性施工是第一要素，故無法開辟大的場(chǎng)地及便道，搬遷比較困難。而且地層巖溶裂隙發(fā)育、風(fēng)化松散膠結(jié)性差，在鉆探施工中，嚴(yán)重漏失、坍塌掉塊超徑縮徑且取心困難，需多級(jí)口徑鉆進(jìn)、多層套管護(hù)孔方能穿過。下部巖石結(jié)構(gòu)較為完整，但軟硬互層變化頻繁，易破碎，傾角較大，易掉塊、漏失泥漿，可鉆性1～8級(jí)，地層不太穩(wěn)定，涌水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，鉆具順層易出現(xiàn)孔斜，經(jīng)勘探得地層構(gòu)造見表1。

表1 巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.2 孔位設(shè)計(jì)傾角大

本次施工共設(shè)計(jì)鉆孔四個(gè)，孔深在190～420m之間，鉆孔傾角最大65°，最小45°，其中最深設(shè)計(jì)孔深為420m，傾角45°，終孔直徑不小于60mm，巖心直徑不小于36mm，鉆孔傾角彎曲每百米不大于2°，終孔孔底偏差小于5m，全程取心，巖心采取率非礦區(qū)85%，礦區(qū)帶90%以上。

1.3 搬遷轉(zhuǎn)場(chǎng)困難

根據(jù)此項(xiàng)目施工地點(diǎn)及設(shè)計(jì)孔位的布置情況，一般的機(jī)械式立軸鉆機(jī)搬遷及運(yùn)輸不便，并且由于環(huán)保及保護(hù)植被的要求，上山的便道不能開很大，甚至有些路段根本就沒有開挖便道，全靠人走出臨時(shí)便道，而且機(jī)械式鉆機(jī)對(duì)于大斜孔的施工具有先天性的不利因素，以及還要配備鉆塔等附屬設(shè)備，這些鉆探設(shè)備的采購及搬遷都會(huì)增加成本及浪費(fèi)時(shí)間，因此經(jīng)討論研究項(xiàng)目組一致認(rèn)為該施工必須選用輕巧便攜式全液壓鉆機(jī)。

2 施工對(duì)策及措施

2.1 鉆探設(shè)備及鉆具的選擇

2.1.1 鉆機(jī)

選用陜西核昌機(jī)電公司生產(chǎn)的HQY－500／600（A）全液壓鉆機(jī)（圖1），鉆孔傾角45°～90°之間，鉆進(jìn)能力500～600m，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1200r／min，最大扭矩可達(dá)1400Nm，雙油缸給進(jìn)，長(zhǎng)給進(jìn)行程（1800mm），最大解體部件質(zhì)量175kg，孔口采用液壓夾持器，能滿足多種口徑巖心鉆進(jìn)工藝，有利于提高鉆效。并且此鉆機(jī)模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸安裝，占用場(chǎng)地小，在結(jié)構(gòu)上采用動(dòng)力源執(zhí)行部分和操縱部分分置的設(shè)計(jì)思路，以增強(qiáng)其對(duì)施工環(huán)境的適應(yīng)能力，可以滿足復(fù)雜地帶施工的需求、縮短施工準(zhǔn)備時(shí)間，降低工作強(qiáng)度。

圖1 鉆機(jī)布局圖

2.1.2 泥漿泵

選用HDD－150／8液壓直驅(qū)式泥漿泵，最大流量150L／min，輸出壓力1～7MPa，流量及額定壓力調(diào)節(jié)范圍寬，能滿足各種鉆進(jìn)泥漿流量、壓力參數(shù)的需要，并且它質(zhì)量不到60kg，很利于搬遷。并且泥漿泵的動(dòng)力采用鉆機(jī)本身的動(dòng)力，由鉆機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)液壓油泵，再由泵分配給泥漿泵馬達(dá)，當(dāng)泥漿泵不需要很多流量時(shí)，可以把液壓流量分給鉆機(jī)使用，大大節(jié)省動(dòng)力的消耗。

2.1.3 動(dòng)力

鉆機(jī)本身由3臺(tái)23kW的柴油機(jī)提供動(dòng)力，采用動(dòng)力分置，可以根據(jù)需要啟動(dòng)兩臺(tái)或三臺(tái)柴油機(jī)供鉆探施工需要，另外鉆機(jī)還配備了2kW發(fā)電機(jī)1臺(tái)，供液壓油循環(huán)冷卻和日常的照明以及簡(jiǎn)單的維修用電。

2.1.4 鉆塔

由于在山區(qū)施工，不便于搬遷及安裝笨重的鉆塔，該鉆機(jī)自帶取心桅桿塔，用于正常施工的繩索取心，提大鉆時(shí)采用自帶的油缸進(jìn)行提鉆。桅桿塔采用地質(zhì)鉆桿改制成，既輕巧又有強(qiáng)度和韌性，又解決了實(shí)際使用中對(duì)桅桿長(zhǎng)短的需求，用戶可以根據(jù)施工需要自由增減高度。

2.1.5 鉆具及輔具

采用HQ、NQ及BQ繩索取心鉆具，根據(jù)地層情況選用不同硬度的金剛石鉆頭，并配備相應(yīng)尺寸的管靴，以及自制的管堵、止水封、鉆桿試頭、鐵鏈及緊鎖具等輔助器件。

2.2 大斜孔繩索取心鉆探措施

2.2.1 施工方案的確定

選用輕便型全液壓鉆機(jī)也存在一定的不足，鉆機(jī)自重太輕，在施工過程中無法提供鉆進(jìn)所需的足夠的反作用力，為使鉆機(jī)底盤穩(wěn)定，提供可靠穩(wěn)定的給進(jìn)壓力，需開孔前先用BQ鉆桿鉆一個(gè)垂直的孔，并把鉆桿燒結(jié)成地錨，然后把鉆機(jī)移動(dòng)到目標(biāo)孔位，定好方位和傾斜角度后，上部用接手與緊鎖具和鐵鏈緊固拉緊，并和底盤加固后，再開始施工（圖2）。

圖2 鉆桿燒結(jié)圖

根據(jù)前述千枚巖地層的特點(diǎn)及實(shí)際情況，采取如下的施工方案。開孔用NQ鉆桿鉆進(jìn)，穿過覆蓋層，邊取心邊鉆進(jìn)，到達(dá)基巖后繼續(xù)鉆進(jìn)到20m左右停止，取出巖心后投放內(nèi)管總成，不用提出NQ鉆桿，上部用管堵封住鉆桿內(nèi)口，然后下HQ鉆桿，不帶鉆具，只安裝HQ管靴套鉆至17m左右后固定。接著NQ鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)到200m左右，提鉆檢查鉆具后，取出鉆具總成，鉆桿安裝NQ管靴后下到孔底。然后用BQ鉆桿下到孔底繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔，若在這一過程中出現(xiàn)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速下降、孔內(nèi)阻力變大及孔內(nèi)有漏漿等影響正常鉆進(jìn)的情況時(shí)，把整套鉆具放置在孔內(nèi)，BQ鉆桿上部用管堵封住鉆桿內(nèi)口，鉆機(jī)接NQ鉆桿不取心鉆進(jìn)幾十米左右，直到上述不正常情況有所改變后停止。這種NQ鉆桿反復(fù)套鉆BQ鉆桿、用BQ鉆桿鉆進(jìn)取心施工工藝，可以在鉆進(jìn)過程中根據(jù)地層情況交替實(shí)施，每次鉆進(jìn)的尺數(shù)不定，可一直使用到終孔（圖3）。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

整孔采用金鋼石鉆頭，鉆具按金鋼石鉆頭的級(jí)配使用，即鉆桿＋外管＋內(nèi)管＋鉆頭級(jí)配，套鉆時(shí)采用鉆桿＋管靴。該地區(qū)千枚巖地層施工都采用了三級(jí)鉆桿施工模式，分塔式鉆進(jìn)，前一種鉆桿作為后一種鉆桿的導(dǎo)向定位桿，具有較強(qiáng)的自定心和穩(wěn)定性，這樣可以提高成孔率，防止孔斜，能處理復(fù)雜地層，即使出現(xiàn)事故，處理能力也比較強(qiáng)，進(jìn)而彌補(bǔ)了此種輕便鉆機(jī)處理事故差的缺陷。此種鉆探技術(shù)需采用筆直的高強(qiáng)度鉆桿，內(nèi)外皆無凸臺(tái)，鉆前對(duì)全部鉆桿進(jìn)行檢測(cè)，下入孔內(nèi)鉆桿單邊磨損和雙邊磨損分別不得超過0.3mm 和0.5mm，鉆桿彎曲度每1.5m不得超過1mm，每次加桿時(shí)內(nèi)孔都用試頭過孔無卡滯。并且為了控制孔斜減小孔壁間隙，采用小出刃合金鉆頭和標(biāo)準(zhǔn)尺寸金剛石鉆頭，同時(shí)遇到地層變化時(shí)利用增大鉆壓降低轉(zhuǎn)速的辦法控制鉆孔方位的彎曲，為了及時(shí)預(yù)防和糾正，施工中每鉆進(jìn)50m用繩索取心測(cè)斜儀測(cè)孔斜一次。

2.2.2 鉆探的工藝措施

鉆探過程采用繩索取心不提鉆工藝方法，先提巖心管，然后快速取出巖心，同時(shí)采用少鉆、勤提、快提的方法，同時(shí)考慮上一級(jí)鉆桿、鉆具外管在不提出的前提下作為下一級(jí)鉆具施工套管的方法。采用這種施工工藝對(duì)復(fù)雜地層鉆進(jìn)，尤其對(duì)于易坍塌的千枚巖地層，具有減少孔內(nèi)坍塌和巖心堵塞幾率，特別是在提高施工效率和鉆頭壽命等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 鉆頭的選用

所鉆巖石大部分為灰?guī)r、千枚巖，需有較高的恒鉆速，才能相對(duì)減輕孔斜，保證采取率，為此采用了粒度為45～60目，濃度75%，胎體硬度HRC20～30的孕鑲金剛石繩索取心鉆頭，實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)效為2～3m／h，一般鉆頭壽命50m左右，有時(shí)可達(dá)90m。

2.2.4 鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

（1）鉆壓：大斜孔鉆進(jìn)，鉆具摩擦力大，所需鉆壓亦大，因此鉆孔的鉆壓均比規(guī)程鉆壓大1000～2000N，即8000～12000N。為了防止孔斜并要做到兩個(gè)統(tǒng)一，即統(tǒng)一制定分層鉆進(jìn)參數(shù)，三班鉆進(jìn)壓力必須統(tǒng)一。

（2）轉(zhuǎn)速：繩索取心金剛石鉆進(jìn)只有高轉(zhuǎn)速，才能高鉆效，轉(zhuǎn)速越高、進(jìn)尺越快。但轉(zhuǎn)速的提高受鉆探設(shè)備能力和鉆具強(qiáng)度的制約，同時(shí)轉(zhuǎn)速的提高使孔內(nèi)鉆桿柱與孔壁間的摩擦阻力也大大提高，造成孔內(nèi)鉆具振動(dòng)加大，將對(duì)金剛石鉆頭意外磨損和鉆進(jìn)效率產(chǎn)生較大的影響。因此此次所有金剛石鉆進(jìn)孔段均采用800～900r／min，開孔時(shí)部分孔段采用400～500r／min。

（3）泵量與泵壓：在繩索取心鉆進(jìn)中沖洗液除了完成排粉、冷卻、護(hù)壁外，還將起到潤(rùn)滑鉆具，減少孔內(nèi)阻力的作用，一般根據(jù)沖洗液上返速度來確定金剛石鉆進(jìn)所需要的泵量。根據(jù)千枚巖地層的特點(diǎn)，需減小泵壓產(chǎn)生的鉆具升舉力，試驗(yàn)得其泵量一般不超過45L／min，泵壓不超過1.5MPa，但是有時(shí)結(jié)合實(shí)際，可適當(dāng)調(diào)整沖洗液參數(shù)。

2.3 繩索取心措施

工程要求90%以上巖心采取率，高于一般礦產(chǎn)鉆探采取率指標(biāo)，施工時(shí)采取以下三項(xiàng)具體措施：

（1）保持較高的恒鉆速，遇堵則取心；

（2）一般回次長(zhǎng)度不得超過1.5m；

（3）卡簧自由內(nèi)徑必須比鉆頭內(nèi)徑大0.3mm。

2.4 沖洗液的選擇

2.4.1 不同地層沖洗液分析

在千枚巖地層，繩索取心鉆井液應(yīng)采用低固相沖洗液，當(dāng)需要提高鉆井液粘度時(shí)，可以加入植物膠，提高攜帶巖粉的能力，同時(shí)可有效提高泥餅質(zhì)量、降低失水量，抑制水敏地層水化，同時(shí)具有抗鈣侵的作用。

在破碎地層，顆粒之間膠結(jié)性差，鉆進(jìn)時(shí)很容易坍塌掉塊，對(duì)于這類地層，需提高泥漿的粘度，但是不能簡(jiǎn)單靠增加粘土來增粘，所以應(yīng)加入植物膠和有機(jī)增粘劑。

在水敏性地層，大量自由水進(jìn)入到地層中，引起井壁巖層吸水膨脹，引起地層水化膨脹、井壁縮徑、垮塌等。所以應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿的濾失量，配制防塌鉆井液。

2.4.2 泥漿材料的選擇及配制比

結(jié)合繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)及上述地層分析，大部分地層都選取如下泥漿材料及配制比：天然植物膠溶液（0.5～0.7%）＋高粘度鈉羧甲基纖維素（0.2%）＋KCl（1%）＋鈉基膨潤(rùn)土（2～3%）＋純堿（0.2%）＋清水。

3 施工效果及體會(huì)

3.1 鉆孔效果

自第一個(gè)鉆孔開鉆至第四個(gè)鉆孔順利結(jié)束，工期81天，鉆探累計(jì)進(jìn)尺1223m，平均巖心采取率92%，最大孔斜偏距4.42m，并逐孔按要求進(jìn)行了測(cè)孔、止水等工作。經(jīng)施工效果理想，這4個(gè)鉆孔的偏差依次為2.48m、3.54m、3.07m、4.42m。

3.2 體會(huì)及注意事項(xiàng)

通過幾個(gè)孔的施工，說明大斜孔繩索取心鉆探技術(shù)施工在千枚巖地層是可行的。但需根據(jù)不同的地層情況及工程要求選用合適的設(shè)備，實(shí)行正確的鉆探工藝和選擇合適的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，才能順利安全的施工，從而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

同時(shí)也體會(huì)到順利終孔需注意如下事項(xiàng)：

（1）確認(rèn)內(nèi)管總成到位后才開始鉆進(jìn)，否則巖心過早進(jìn)入鉆頭，形成單管鉆進(jìn)，致使取心困難，影響鉆效。

（2）鉆進(jìn)過程中要勤撈心，進(jìn)尺變慢時(shí)應(yīng)立即取心，防止巖心堵塞內(nèi)管。

（3）提鉆及打撈內(nèi)管后應(yīng)及時(shí)向孔內(nèi)回灌一定數(shù)量的沖洗液，防止鉆桿外液面下降形成壓力差而使孔壁坍塌，加桿后先開啟泥漿泵沖孔，返水后再開動(dòng)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)。

（4）由于鉆孔傾角大，鉆具均是貼孔壁下側(cè)行走，若下鉆過快，可能會(huì)造成鉆頭損壞或?qū)@桿墩脫等系列孔內(nèi)事故，故應(yīng)下鉆平穩(wěn)。

（5）根據(jù)不同地層情況使用不同類型的沖洗液是順利鉆進(jìn)的首要條件。

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