破碎地層鉆探施工技術(shù)淺析

劉 曼

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊，安徽 銅陵 244033）

隨著我國的飛速發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ诘V產(chǎn)資源的需求也在逐漸加大，而經(jīng)濟(jì)為了提高礦產(chǎn)資源的供給，鉆探施工的規(guī)模也開始擴(kuò)張，導(dǎo)致鉆探施工所面臨的地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜。破碎地層是現(xiàn)代鉆探施工當(dāng)中最為常見的一種地質(zhì)環(huán)境，在此地層條件下進(jìn)行鉆探，容易導(dǎo)致坍塌、縮徑、掉塊、鉆孔彎曲等現(xiàn)象，阻礙了施工的正常開展，同時在某些大規(guī)模鉆探作業(yè)時，還可能會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此現(xiàn)代鉆探施工工程必須重視破碎地層鉆探施工的技術(shù)[1]。

1 破碎地層鉆探施工影響因素

1.1 地層影響因素

破碎地層環(huán)境十分復(fù)雜，其中存在著許多難以預(yù)測的問題，例如破碎地層的巖石層或巖石上體的軟硬質(zhì)地分布不均勻、破碎地層水溶性與彈塑性難以預(yù)測、地層層理與片理發(fā)育動態(tài)性較大等等，在這些影響因素之下，很容易在鉆探作業(yè)時引發(fā)漏水、坍塌、掉塊、溶洞等現(xiàn)象，此類現(xiàn)象會嚴(yán)重的阻礙鉆探鉆機(jī)的作業(yè)，不利于鉆探施工的正常開展。此外，在部分大規(guī)模鉆探作業(yè)時，甚至還會引發(fā)安全事故，所以為了鉆探施工安全，應(yīng)當(dāng)重視鉆探施工技術(shù)的合理性。

1.2 鉆探設(shè)備因素

鉆探設(shè)備是實現(xiàn)鉆探施工最為基礎(chǔ)的因素，所以當(dāng)鉆探設(shè)備存在不足，那么就必然導(dǎo)致鉆探施工的質(zhì)量受到影響。在現(xiàn)代技術(shù)水平之下，鉆探設(shè)備的種類繁多，而其各自都有著不同的規(guī)格和不同參數(shù)，進(jìn)而不同的鉆探設(shè)備所形成的鉆探結(jié)果就存在差異，而在現(xiàn)狀上，因為鉆探設(shè)備的規(guī)格與參數(shù)存在相似現(xiàn)象，所以有部分工程在選擇鉆探設(shè)備時，會選用相似但不適用的設(shè)備，如此就導(dǎo)致了鉆探施工技術(shù)質(zhì)量受損[2]。

1.3 巖心與內(nèi)管摩擦力不足

在正常的鉆探施工當(dāng)中，其巖心會以柱狀進(jìn)入內(nèi)管，進(jìn)而通過巖心與內(nèi)管的摩擦力來保障鉆探施工的運(yùn)行。但如果在此過程當(dāng)中巖心與內(nèi)管摩擦力較小，就會導(dǎo)致巖心在進(jìn)入內(nèi)管之前的內(nèi)應(yīng)力減弱，進(jìn)而在扭矩原理之下，就會導(dǎo)致巖心破碎，形成內(nèi)管的堵塞。當(dāng)形成內(nèi)管堵塞之后，鉆機(jī)的循環(huán)水就會受到阻礙影響鉆機(jī)的正常運(yùn)作，會大幅度降低巖心的采取率。

2 提高破碎地層鉆探施工質(zhì)量對策

2.1 合理制定鉆探施工流程

在破碎地層基礎(chǔ)上，因其地質(zhì)條件十分復(fù)雜，會導(dǎo)致鉆探施工技術(shù)的開展受到阻礙，而為了保障鉆探作業(yè)的質(zhì)量與效率，就需要在正式施工之前，充分開展地質(zhì)條件勘察，在勘察結(jié)果上合理制定鉆探施工流程。勘察主要需確認(rèn)地質(zhì)條件、水文條件，進(jìn)而依照勘察結(jié)果，工程單位需對鉆孔的終孔深度、開孔直徑、鉆進(jìn)方法、換徑次數(shù)、下套管順序、護(hù)孔措施等施工流程與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，從而確認(rèn)施工各階段施工技術(shù)的適用性，確保工程開展順利，最終保障了鉆探作業(yè)的效率與質(zhì)量[3]。

2.2 嚴(yán)控鉆探設(shè)備選型

鉆探設(shè)備選型同樣是影響鉆探作業(yè)開展與質(zhì)量的重要因素，但因為鉆探設(shè)備選型需要人工進(jìn)行作業(yè)，所以難免會因為人工不穩(wěn)定性的影響，導(dǎo)致選型出現(xiàn)錯誤。因此為了避免鉆探設(shè)備選型出現(xiàn)錯誤，就需要鉆探工程單位加強(qiáng)對設(shè)備選型的管控，首先工程單位應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)內(nèi)部的溝通，使管控人員能夠了解鉆探需求，進(jìn)而管控人員依照需求，需要對每一個鉆探設(shè)備的型號進(jìn)行確認(rèn)，以此無論在鉆探設(shè)備采購選型或施工選型上，都能夠有效避免設(shè)備選型出錯的現(xiàn)象。

2.3 巖心采取工藝選擇

巖心采取率是鉆探施工的重要標(biāo)準(zhǔn)，而要保障巖心采取率，則需要在正式的鉆探施工當(dāng)中，依照地質(zhì)條件、工作環(huán)境、巖石的可鉆性、研磨性、完整程度確認(rèn)鉆探的工藝，例如孔底反循環(huán)鉆進(jìn)的施工工藝，通過此工藝，可以有效的保證巖心采取率提高。此外，在工藝角度上，為了提高巖心采取的穩(wěn)定性，還可以采取高效沖洗液來形成孔壁保護(hù)層，并同時因為沖洗液的原因，可以盡可能的鉆探巖石粉末被沖洗帶出孔外，避免鉆孔內(nèi)管堵塞現(xiàn)象。圖1巖心鉆探作業(yè)。

圖1 巖心鉆探作業(yè)

3 實例分析

3.1 實例概況

某鉆探工程礦區(qū)面積為58.14m2，該工程通過勘察工作了解了實地地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境。地質(zhì)環(huán)境方面，其中主要包括了變質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、石英巖等，在整體上來看，該工程礦區(qū)中，巖層呈現(xiàn)出褶皺及斷裂構(gòu)造較發(fā)育，尤以斷裂構(gòu)造最為發(fā)育；水文環(huán)境方面，其中主要包括了第四系孔隙潛水，其中巖性主要為亞粘土、中粗砂、少量卵石，厚度約為44m，水位埋深約為18m。通過勘察結(jié)果說明該地質(zhì)環(huán)境為破碎地層。

3.2 鉆探工作設(shè)備選擇

實例鉆探工程為了保障施工的效率與質(zhì)量，首先對鉆探設(shè)備的選型進(jìn)行了嚴(yán)格管控?；诠こ蹄@孔設(shè)計，該工程選擇了2臺XY-42型鉆機(jī)、1臺HXY-6B型鉆機(jī)；2臺BW250 型泥漿泵、1臺BW150 型泥漿泵；2臺18.5m管子塔、1套23.5m四角塔進(jìn)行施工。

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

實例鉆探工程結(jié)合實地地質(zhì)環(huán)境與水文環(huán)境，在正式鉆探施工之前對其鉆孔進(jìn)行了設(shè)計，具體設(shè)計為：鉆孔上部為第四系底層，厚度為44m，采用130mm合金鉆頭施工，當(dāng)鉆孔開展至基巖部分，則向下引入127mm、中108mm雙層套管，最終以76mm繩索取芯鉆具完成鉆孔。

3.4 鉆探工藝選擇

實例鉆探工程在初期施工當(dāng)中，頻繁出現(xiàn)了巖心堵塞現(xiàn)象，極大的阻礙了施工的開展，而為了對此現(xiàn)象進(jìn)行改善，該工程對自身鉆探工藝進(jìn)行了調(diào)整，在通過反復(fù)計算之后，實例工程采取了分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具設(shè)計，并在最終結(jié)果上來看，此鉆具設(shè)備獲得了成功。

3.5 分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具分析

首先對分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具設(shè)計的原理進(jìn)行分析，該鉆具具備了孔底局部反循環(huán)、單動雙管的功能，在進(jìn)行鉆探時，沖洗液會隨著其內(nèi)部的3個送水孔進(jìn)入內(nèi)管循環(huán)間隙，直至達(dá)到孔底，此過程可以提高沖洗液帶走巖屑的效果，初步實現(xiàn)降低內(nèi)管堵塞現(xiàn)象。

其次對該鉆具設(shè)計的特點進(jìn)行分析，如下所示。

①內(nèi)、外返液流量存在差異，一般將內(nèi)返液流量設(shè)置較大；

②孔底正反沖洗液循環(huán)同步上返；

③該鉆具不采用活塞效應(yīng)，因其返水孔與鉆桿外環(huán)空間貫通；

④大部分巖屑將由內(nèi)管上返，其中返水孔難以排出的巖屑則存于內(nèi)管上層。

3.6 鉆頭結(jié)構(gòu)及其水路參數(shù)的設(shè)置

關(guān)于鉆頭結(jié)構(gòu)的設(shè)置方面，實例工程首先設(shè)置了其鉆頭的內(nèi)徑，此過程當(dāng)中，因為多方面因素的的限制，其內(nèi)管規(guī)格無法改變，所以基于鉆頭內(nèi)徑與巖心粗細(xì)的關(guān)系，該工程結(jié)合工程需求設(shè)計了35mm的厚壁鉆頭，為方便加工，厚壁鉆頭胎體部分與繩索取芯鉆頭相同，鋼體部分與普雙鉆頭相同；在鉆頭水路參數(shù)的設(shè)置方面，實例工程主要基于鉆頭水路分布與沖洗液分流的控制關(guān)系，將鉆頭的內(nèi)排水槽加深，削減了外排水槽的深度，以此增加了內(nèi)管返水量，進(jìn)一步實現(xiàn)避免內(nèi)管堵塞現(xiàn)象，為之后的施工質(zhì)量帶來保障。

4 結(jié)語

本文主要針對破碎地層鉆探施工技術(shù)進(jìn)行了分析，分析內(nèi)容方面，首先在普遍視角下，對破碎地層鉆探施工影響因素進(jìn)行了介紹，之后則針對影響因素闡述了相關(guān)的改善對策，最終結(jié)合某實例鉆探工程，對其中解決“內(nèi)管堵塞”問題的措施進(jìn)行了分析，介紹了該孔的分壓式孔底局部反循環(huán)單動雙管鉆具設(shè)計。