TSZ型塔式繩索取心鉆具在復(fù)雜地層中的應(yīng)用

蔡正水，韓菲

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)　探礦工程技術(shù)研究所，安徽　六安　237010;2.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京　100102)

TSZ型塔式繩索取心鉆具在復(fù)雜地層中的應(yīng)用

蔡正水1，韓菲2

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)探礦工程技術(shù)研究所，安徽六安237010;2.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京100102)

摘要：本文通過TSZ型塔式繩索取心鉆具在南嶺NLSD-1孔中的應(yīng)用實(shí)例，介紹了該鉆具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)了其在取心鉆進(jìn)以及在擴(kuò)孔施工中的優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證了該鉆具作為一種新型鉆具在復(fù)雜地層施工中的重要作用。

關(guān)鍵詞:繩索取心；鉆具；防斜；復(fù)雜地層

0引言

隨著人造金剛石合成工藝技術(shù)的不斷提高，金剛石鉆頭加工及燒結(jié)工藝的不斷改進(jìn)，人造金剛石及其制品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。特別是在地質(zhì)找礦鉆探施工中，金剛石鉆頭不僅適用于取心鉆進(jìn)、全面鉆進(jìn)，亦適用于擴(kuò)孔鉆進(jìn)。本文以在南嶺NLSD-1孔中的應(yīng)用為例，介紹一種新型繩索取心鉆具，該鉆具可以用于繩索取心鉆進(jìn)亦可用作金剛石擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)防鉆孔偏斜、復(fù)雜地層取心鉆進(jìn)、提高巖心采取率及鉆頭壽命等方面具有其他鉆具有不可替代的優(yōu)越性。

1TSZ繩索取心鉆具在南嶺NLSD-1孔中的應(yīng)用

1.1應(yīng)用概況

華南于都-贛縣礦集區(qū)NLSD-1孔，是由安徽省地礦局313地質(zhì)隊(duì)探礦工程技術(shù)研究所承擔(dān)的重點(diǎn)科學(xué)鉆探項(xiàng)目。該孔設(shè)計(jì)孔深3000m，終孔口徑≥76mm；鉆孔彎曲度及頂角<2°/100m，終孔頂角≤30°；全孔平均巖心采取率≥85%。該孔地層主要由變質(zhì)凝灰?guī)r、煤系地層，以及凝灰?guī)r和砂巖互層組成，部分孔段砂巖、煤系地層交替出現(xiàn)，地層傾角較陡，軟硬互層，巖層破碎，膠結(jié)性差，易造成鉆孔坍塌掉塊(見圖1)。尤其在深部地層，促斜嚴(yán)重，取心困難，施工安全性差，施工效率低，以致無法繼續(xù)施工。為保證施工安全，提高施工質(zhì)量，縮短施工周期，降低施工成本，經(jīng)我單位探礦工程技術(shù)研究所技術(shù)人員努力，研究設(shè)計(jì)了TSZ型塔式繩索取心鉆具，在該孔中總進(jìn)尺1360.93m，從而保質(zhì)保量地完成了該科鉆孔的施工任務(wù)。

圖1　南嶺 NLSD-1孔地層的巖心

1.2設(shè)計(jì)背景

(1)由于鉆孔自然彎曲比較嚴(yán)重，除了較頻繁的糾斜外，為保證巖心采取率，部分孔段采取先取心鉆進(jìn)，然后進(jìn)行水泥封孔、側(cè)鉆糾斜的方法。至1764.36m孔深時(shí)，已累計(jì)糾斜96次，封孔側(cè)鉆3次，累計(jì)糾斜用時(shí)(包括側(cè)鉆)近一年時(shí)間。隨著孔深增加，單次糾斜耗時(shí)增加(平均一次糾偏耗時(shí)3～4天)，且螺桿鉆性能及糾偏效果隨著孔深的增加而降低，糾斜成功率大幅下降(96次糾偏真正有效的只有42次)。若繼續(xù)采用受控定向鉆探的方法來控制鉆孔軌跡，施工效率將會(huì)非常低，急需研究可行的鉆孔防斜方案及機(jī)具。

(2)由于1599.80m以下孔段地層破碎，孔壁穩(wěn)定性極差，必須使用高黏度泥漿進(jìn)行護(hù)壁，泥漿最大黏度超過60s，如果不增加鉆孔環(huán)空間隙，就無法進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，若采取常規(guī)鉆進(jìn)，施工效率又極其低下，需改進(jìn)鉆進(jìn)方法。

(3)若增大鉆頭外徑，雖然環(huán)空間隙增大了，泥漿壓降可以顯著降低，但因此造成鉆具工作時(shí)的不穩(wěn)定性，影響取心質(zhì)量，降低鉆頭壽命。另外，由于鉆孔底部鉆桿受壓，鉆桿彎曲嚴(yán)重，容易造成斷鉆桿事故，而深孔處理一次正常斷鉆桿事故至少需要兩天時(shí)間，增加了卡、埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決施工中遇到的以上難題，安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)探礦工程技術(shù)研究所，在南嶺NLSD-1鉆孔施工過程中，根據(jù)該孔地層特點(diǎn)和施工工藝等，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了TSZ型塔式繩索取心鉆具(如圖2所示)。

1、2、3、4.?97.5mm擴(kuò)孔器；5.內(nèi)外管連接轉(zhuǎn)換接頭；6.?97mm鉆頭；7.?77mm鉆頭；8.?77.5mm擴(kuò)孔器；9.?73mm巖心管；10.?89mm巖心管；11.?71mm鉆桿圖2　TSZ型塔式繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)

1.3特點(diǎn)

TSZ型塔式繩索取心鉆具除了具有傳統(tǒng)鉆具的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：

1.3.1防斜效果好

由于TSZ型鉆具外管總長(zhǎng)9.17m，具有剛、滿、直的特點(diǎn)，內(nèi)鉆具超前具有導(dǎo)正作用，穩(wěn)定性好，使用過程中防斜效果非常明顯。1579.44～1764.36m孔段為保證巖心采取率進(jìn)行了封孔側(cè)鉆，封孔前采用?77mm繩索取心鉆進(jìn)，側(cè)鉆后使用TSZ型繩索取心鉆具鉆進(jìn)，前后頂角、方位角對(duì)比見表1。

如表1所示，使用TSZ型鉆具鉆進(jìn)后，1610～1815m鉆孔頂角變化值維持在0.5°/100m，而封孔前1610～1760m孔段鉆孔頂角從11.4°增至19.2°，從而表明使用TSZ型鉆具鉆進(jìn)具有良好的防斜效果。

表1　封孔前后孔斜對(duì)比

1.3.2孔壁穩(wěn)定性高

使用TSZ型鉆具鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔口徑97mm，而鉆桿外徑只有71mm，這樣的環(huán)空間隙使得泥漿循環(huán)阻力非常小，泥漿泵泵壓很低。當(dāng)孔深2000m，泥漿黏度60s左右時(shí)，泵壓不超過2MPa。同時(shí)，由于泥漿黏度大，環(huán)空壓力小，沖洗液上返為層流狀態(tài)，對(duì)地層的沖刷破壞小，從而很好的保證了孔壁的穩(wěn)定性，解決了極破碎地層鉆進(jìn)困難，不能進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)的難題。

1.3.3巖心采取率及取心質(zhì)量高

由于鉆具工作時(shí)穩(wěn)定，泵壓低，破碎巖心不易沖蝕、擾動(dòng)，大大提高了巖心取心率及取心質(zhì)量；并且鉆進(jìn)時(shí)巖心不易堵塞，增加了回次進(jìn)尺長(zhǎng)度。

1.3.4鉆探效率高

雖然該孔下部鉆孔由77mm口徑換成了77mm/97mm組合口徑，增加了碎巖功率消耗，鉆頭時(shí)效略有下降。但由于鉆頭非正常損壞小，提高了鉆頭壽命，單個(gè)鉆頭最高壽命261.82m，平均鉆頭壽命122.75m。相比于之前平均鉆頭壽命65.18m，提鉆換鉆頭間隔加大，深鉆效率可觀。

1.3.5預(yù)防鉆桿內(nèi)結(jié)垢

使用了?77mm/?97mm的鉆具組合，既保證了取心質(zhì)量、測(cè)井安全，由于鉆具的穩(wěn)定性增加，在較低的轉(zhuǎn)速、鉆壓下仍然可以獲得很高的碎巖效率。因此，在較低轉(zhuǎn)速，小一級(jí)鉆桿鉆進(jìn)的情況下，雖然在南嶺NLSD-1孔使用了高黏度泥漿，全孔鉆進(jìn)沒有發(fā)生鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢問題。

1.3.6結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便

由于鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在某些大口徑取心鉆孔中亦可以配合鉆鋌使用，以增加防斜及鉆進(jìn)效率，便于推廣。

1.4適用條件

該鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于不同深度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜鉆孔，特別適宜在易坍塌、掉塊、縮徑等復(fù)雜地層中使用；鉆頭使用合金、復(fù)合片、金剛石均可，亦可配合液動(dòng)沖擊鉆具使用；為了適應(yīng)不同鉆孔直徑，該鉆具內(nèi)外鉆具直徑可以自由調(diào)配。

1.5使用注意事項(xiàng)

1.5.1擴(kuò)孔器的選擇及使用

為了增加鉆具的穩(wěn)定性、剛性和同心度，最大限度地發(fā)揮鉆具的防斜作用，本鉆具的外鉆具同時(shí)用了4個(gè)金剛石擴(kuò)孔器。對(duì)擴(kuò)孔器的要求:①必須使用帶螺旋水槽的擴(kuò)孔器，以利增加排粉效果，保持孔底干凈；②必須使用C級(jí)擴(kuò)孔器，以延長(zhǎng)其壽命，保護(hù)好鉆具和鉆頭；③適當(dāng)增加擴(kuò)孔器環(huán)帶長(zhǎng)度，可以增加其穩(wěn)定性和耐磨性；④每次鉆具入孔前，仔細(xì)測(cè)量?jī)?nèi)外管的擴(kuò)孔器直徑(擴(kuò)孔器外徑大于鉆頭外徑0.3～0.5mm)，重點(diǎn)檢查靠近鉆頭上部的擴(kuò)孔器，觀察擴(kuò)孔器有無偏磨、崩落、臺(tái)階等異常損壞，不符合要求者必須更換，以免擴(kuò)孔器起不到扶正、擴(kuò)孔作用，造成鉆頭異常損壞，從而保證鉆孔孔徑不變小，降低新鉆具入孔時(shí)掃孔風(fēng)險(xiǎn)。另外，為了增加鉆具的穩(wěn)定性，可以在鉆具上部的鉆桿上適當(dāng)增加一定數(shù)量的擴(kuò)孔器(扶正器)。

1.5.2鉆頭的選擇及使用

(1)外鉆頭

外鉆頭比內(nèi)鉆頭線速度大，較內(nèi)鉆頭易于磨損，外保徑必須要可靠，硬度要求比內(nèi)鉆頭硬度略大HRC 0～5，其他參數(shù)類同；為了減少對(duì)內(nèi)鉆具外管的磨損，外鉆頭要求無內(nèi)刃，并且要求內(nèi)徑部分加工一個(gè)高度0.3～0.5mm的無金剛石的內(nèi)臺(tái)階；外鉆頭胎體內(nèi)徑必須大于內(nèi)鉆具外管直徑0.1～0.15mm；內(nèi)、外鉆頭最好同時(shí)更換，以保證碎巖的協(xié)調(diào)性。

(2)內(nèi)鉆頭

根據(jù)地層情況選擇內(nèi)鉆頭的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，綜合穩(wěn)斜、時(shí)效、取心效果等因素，最好選擇同心圓尖齒狀金剛石繩索取心鉆頭。為了達(dá)到穩(wěn)斜效果，適當(dāng)加長(zhǎng)內(nèi)鉆具外管長(zhǎng)度，使內(nèi)鉆頭超前外鉆頭0.3～0.5m，軟巖取大值，硬巖取小值，一般可取0.4m左右。

圖3為本鉆孔中使用的幾種特殊唇面的金剛石鉆頭。

圖3　特殊唇面金剛石鉆頭

1.5.3轉(zhuǎn)換接頭

鉆具中間的轉(zhuǎn)換接頭內(nèi)接頭延長(zhǎng)部分，加工成整體式。如果用于擴(kuò)孔，宜采用雙頭螺紋倒鉤扣型或普通老地標(biāo)等小螺距扣型，螺紋部分必須涂抹厭氧膠，不會(huì)倒扣，不易折斷；外管接頭采用老地標(biāo)扣型即可，在南嶺NLSD-1孔中兩套鉆具總進(jìn)尺1300多米，沒有發(fā)生鉆具折斷或者脫扣情況。為保護(hù)接頭，需經(jīng)常檢查更換緊挨接頭上下的金剛石擴(kuò)孔器。

2TSZ塔式繩索取心鉆具在鉆孔擴(kuò)孔中的應(yīng)用

TSZ塔式繩索鉆具作為擴(kuò)孔鉆具使用時(shí)，即為單動(dòng)雙管鉆具，其分類和使用情況如下。

2.1金剛石擴(kuò)孔鉆具的分類

按導(dǎo)向位置分上導(dǎo)向、下導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆具；按導(dǎo)向與鉆頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況分活導(dǎo)向(導(dǎo)向?yàn)槁菁y連接或焊接)、死導(dǎo)向(固定一體式)擴(kuò)孔鉆具；按擴(kuò)孔鉆具結(jié)構(gòu)分單動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具、雙動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具，實(shí)踐證明單動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具效果最佳。

2.2單動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具的應(yīng)用

2007年，我隊(duì)曾為上海市地震局在上海浦電路鉆進(jìn)了一口600m的地震孔。該孔設(shè)計(jì)頂角、終孔不大于3°，終孔口徑150mm，全孔取心。由于該孔地層為硅化凝灰?guī)r為主，巖石硬，直接150mm口徑取心鉆進(jìn)效率低且采心困難，為此，采取130mm口徑金剛石單動(dòng)雙管取心，150mm口徑擴(kuò)孔的施工工藝。開始擴(kuò)孔時(shí)，使用的一體式導(dǎo)向短鉆具，平均鉆頭壽命不足20m，時(shí)效不足1m/h；改用金剛石單動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具(內(nèi)鉆具超前部分安裝原取心鉆頭)之后，鉆頭平均壽命80m，時(shí)效不低于2.0m/h。充分體現(xiàn)了金剛石單動(dòng)雙管擴(kuò)孔鉆具在擴(kuò)孔中，特別是在小級(jí)差鉆孔中較高的安全性及施工效率。

2014年金剛石單動(dòng)雙管鉆具，在臨安市頁巖氣勘查參數(shù)井LC02井的擴(kuò)孔中也得到了很好的應(yīng)用。2015年在合肥某地?zé)峋约案拭C某金礦勘探施工中均發(fā)揮了重要作用。

3結(jié)語

TSZ塔式繩索取心鉆具，特別是改進(jìn)后的該型鉆具，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用可靠，適應(yīng)性好。無論是在復(fù)雜地層中的繩索取心鉆進(jìn)，還是在硬巖地層中的擴(kuò)孔鉆進(jìn)，均有其不可取代的優(yōu)勢(shì)作用，雖然取心直徑小了一級(jí)，但從根本上解決了復(fù)雜地層鉆孔無法施工，特別是無法進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)的難題。一個(gè)鉆孔的施工，能否安全的施工下去是關(guān)鍵，是首要問題，其次才是提高效益的問題。相信通過實(shí)踐中不斷改進(jìn)，該鉆具一定能夠進(jìn)一步保證施工安全，提高鉆進(jìn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱恒銀,王強(qiáng),楊凱華,等.深部巖心鉆探技術(shù)與管理[M].北京:地質(zhì)出版社,2014.

[2]劉廣志.金剛石鉆探手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社，1991:616-621.

[3]鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2001.

[4]王達(dá).中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程鉆探技術(shù)論文選集[M].北京:地質(zhì)出版社,2007.

收稿日期：2016-01-10

作者簡(jiǎn)介：蔡正水(1974-)，男，安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)探礦工程技術(shù)研究所，副所長(zhǎng)，探礦工程師，探礦工程專業(yè)，安徽省六安市金安區(qū)佛子嶺路8號(hào)，Tel:0564-3312073，E-mail：582362342@qq.com。

中圖分類號(hào):P634.53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-282X(2016)03-0026-04