石 冰
(山東省地質(zhì)科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250013)
地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)發(fā)展和城市化建設(shè)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有一定關(guān)系,進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)開始推進(jìn)城市化建設(shè)工作,各地經(jīng)濟(jì)水平快速提升,就當(dāng)前的勘探情況來(lái)看,多地淺層礦物資源都已經(jīng)被揭示,為進(jìn)一步推進(jìn)礦物勘探工作發(fā)展,開采深層的礦物,就需要結(jié)合實(shí)際情況以及具體的地質(zhì)理論知識(shí)進(jìn)行全面分析,以提高勘探安全水平,全面提升勘探開采效率。
某礦區(qū)地貌屬于典型黃土高原地貌,海拔高度在1300m左右,勘查區(qū)域地表大部分覆蓋第四系松散沉積物,主要由全新統(tǒng)風(fēng)積沙、現(xiàn)代河床沖積層、洪沖層構(gòu)成,鉆探揭露地層主要為侏羅系直羅組、侏羅系延安組、侏羅系安定組、三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組等等,主要含煤地層平均深度在600m左右。該礦區(qū)煤層鉆探充分參考既往鉆探經(jīng)驗(yàn),采用普鉆“打單管”的方式,技術(shù)水平相對(duì)較低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大,成本相對(duì)難以控制。針對(duì)該情況,技術(shù)人員探討一種行之有效的鉆進(jìn)技術(shù)方法以及新的技術(shù)操作規(guī)程,采用全液壓鉆機(jī)、繩索取樣技術(shù)以及設(shè)備,使用電腦采集、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng),力求提高鉆探效果、質(zhì)量[1]。
技術(shù)人員經(jīng)過(guò)商討,發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)煤層鉆探主要存在兩個(gè)方面的難點(diǎn):一是松散地層的鉆進(jìn),因采用全液壓鉆機(jī)、繩索取樣技術(shù)的鉆進(jìn)環(huán)狀間隙相對(duì)較小,故沖洗液在鉆進(jìn)過(guò)程中的上返速度較快,對(duì)孔壁沖刷相對(duì)作用較大,不利于井壁泥皮的形成,同時(shí)上鉆、下鉆產(chǎn)生的激動(dòng)壓力較大,容易導(dǎo)致鉆孔超徑或者孔壁坍塌。避免孔壁受到鉆探影響,提高沖洗液的沖洗性能,保證沖洗液壓力大于塌陷壓力是保證鉆探工作正常開展的首要條件;二是泥頁(yè)巖水化問(wèn)題,該礦區(qū)煤層主要為沉積地層,由粉砂巖、頁(yè)巖構(gòu)成,極其容易引發(fā)水化膨脹問(wèn)題,進(jìn)而影響沖洗液的固相狀態(tài),嚴(yán)重甚至?xí)苯訉?dǎo)致鉆孔彎曲、卡鉆等等,如何避免這些問(wèn)題發(fā)生也是保證工作正常推進(jìn)的關(guān)鍵要素[2-4]。
客觀而言,松散地層的鉆探工作難度必然大于本身持力性較好的地層,避免鉆孔坍塌、避免水熱化是鉆探重點(diǎn)。采用的沖洗液不僅僅要有良好的流變性,同時(shí)還要能夠合理控制固相含量。對(duì)此,國(guó)內(nèi)有諸多學(xué)者提出了不同的技術(shù)建議,比如適量的無(wú)機(jī)鹽成分能夠在一定程度上降低沖洗液中水的活度,進(jìn)一步誘發(fā)空隙流體向沖洗液中滲透,從而達(dá)到提高穩(wěn)定性的目的,而KCI無(wú)機(jī)鹽的效果得到了正式;相較于鈉離子,鉀離子的水化半徑更小,對(duì)聚硅醇酸有較為良好的束縛效果,可避免粘土吸附在聚硅酸根表面,且鉀離子比鈉離子的聚沉能力更加出眾,適當(dāng)調(diào)整后,沖洗液對(duì)絮凝物的沖洗效果會(huì)更為突出[5,6]。
(1)是轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速直接影響勘探用金剛石鉆頭的鉆進(jìn)速度,一般情況下,轉(zhuǎn)速越快,其鉆進(jìn)速度也就越快,具體應(yīng)根據(jù)金剛石鉆頭的圓周線速度、外徑進(jìn)行調(diào)整,針對(duì)煤田地層,直徑為113mm的鉆頭轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在200r/m左右,直徑為76mm的鉆頭,轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在400mm左右。另外,在鉆進(jìn)過(guò)程中,若地質(zhì)硬度較高,則應(yīng)采用高速鉆,若是巖層持力性交叉、裂隙發(fā)育、軟硬不均、鉆進(jìn)振動(dòng)較大,則應(yīng)采用低速鉆。
(2)是鉆壓,鉆具在軸向載荷作用下施加力于巖石,因鉆具的尺寸不同、形狀不同,故產(chǎn)生的應(yīng)力也存在較大的差異,就應(yīng)力區(qū)域而言,一般壓力、破碎區(qū)、深度成正比關(guān)系。該礦區(qū)煤層勘探采用復(fù)合片鉆頭,其鉆壓計(jì)算主要參考鉆頭復(fù)合片數(shù)、巖石礦壓強(qiáng)度、復(fù)合片數(shù)的和巖石的實(shí)際接觸面積。
(3)是泵量,在泵量的一般設(shè)計(jì)原則需滿足沖洗液上返速度的具體要求,金剛鉆鉆進(jìn)沖洗液的上翻速度應(yīng)該控制在0.5m/s左右,金剛石繩索取芯鉆進(jìn)沖洗液上翻速度應(yīng)控制在1m/s左右。類似該礦區(qū)煤層勘探,采用復(fù)合片鉆頭,泵量應(yīng)參考表鑲或者孕鑲的實(shí)際參數(shù),將泵量控制在該參數(shù)的30%左右。
該礦區(qū)煤層鉆探實(shí)際使用復(fù)合片鉆頭,該工作原理和一般刮片鉆頭的工作原理基本一致,主要通過(guò)擠壓、切割、剪切等多種方式破碎、割裂地層,通過(guò)克服巖層本身的剪切壓力實(shí)現(xiàn)破碎,而非用過(guò)擠壓強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn),所以在松散地層,相較于普通金剛鉆頭,復(fù)合片鉆頭表現(xiàn)出鉆進(jìn)效率高、切削速度快、鉆頭壽命長(zhǎng)等等優(yōu)勢(shì)。一般煤礦附近地層以沉積地層為主,煤層附近地層偏軟,具有發(fā)揮復(fù)合片鉆頭優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)條件。復(fù)合片鉆頭在實(shí)踐中表現(xiàn)出以下特征:一是鉆頭壽命較長(zhǎng),全孔長(zhǎng)度為534m,鉆進(jìn)過(guò)程中僅需要進(jìn)行一個(gè)鉆頭更換,節(jié)約了大量時(shí)間,提高了鉆探效率;二是復(fù)合片鉆頭本身耐磨性較強(qiáng),具有進(jìn)行橫速鉆進(jìn)的基礎(chǔ)條件,鉆進(jìn)過(guò)程中壓力較小,轉(zhuǎn)速相對(duì)較低,整體行進(jìn)過(guò)程穩(wěn)定,成本易于控制。經(jīng)過(guò)測(cè)定,該礦區(qū)單孔鉆進(jìn)每米成本僅在2.37元左右,經(jīng)濟(jì)效益極為突出[7-9]。
鉆桿在鉆進(jìn)的過(guò)程中,受到各種載荷作用影響,比如彎曲、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)、拉壓、腐蝕、極其容易導(dǎo)致鉆桿這段,尤其是金剛石繩索取芯鉆進(jìn)法,在復(fù)雜條件下,鉆桿相對(duì)薄弱,更容易出現(xiàn)鉆桿這段的問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō),加壓鉆進(jìn)最大撓度在距離最深處1/3左右地段,鉆桿折斷問(wèn)題發(fā)生概率較高。而鉆桿折斷必然會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低,鉆進(jìn)效率降低又會(huì)導(dǎo)致鉆桿折斷幾率增加,往復(fù)惡性循環(huán),往往會(huì)導(dǎo)致鉆探質(zhì)量、成本失控,
該礦區(qū)鉆進(jìn)施工過(guò)程中共發(fā)生5次折斷事故,技術(shù)人員事后對(duì)事故成因進(jìn)行了系統(tǒng)分析:一是鉆孔級(jí)配指數(shù)不合理,開孔采用直徑為108mm的鉆套,而后直接采用直徑為73mm的鉆桿開始鉆進(jìn),孔壁間隙較大,鉆壓難以有效的施加在鉆頭上,鉆進(jìn)時(shí)效相對(duì)低下,鉆桿折斷的次數(shù)也極為頻繁;二是鉆壓沒有得到良好控制,技術(shù)人員前期對(duì)地層的認(rèn)識(shí)不足,同時(shí)全液壓設(shè)備施加的壓力也較大,一味追求鉆探效率,應(yīng)力過(guò)于集中導(dǎo)致鉆桿折斷;三是沖洗液的配比設(shè)計(jì)不合理,鉆進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。
鉆進(jìn)過(guò)程中采取的解決措施為:進(jìn)一步改變鉆孔結(jié)構(gòu),合理調(diào)整鉆桿級(jí)配,控制鉆孔環(huán)狀間隙,控制鉆進(jìn)過(guò)程中的彎曲應(yīng)力、彎曲撓度。建議,合理調(diào)整孔徑、鉆桿、接頭之間的關(guān)系,同時(shí)改善沖洗液配比,保證沖洗液能夠起到保護(hù)孔壁,減少鉆桿吸附的效果,避免過(guò)激操作導(dǎo)致內(nèi)部壓力持續(xù)增加。另外,在條件允許的情況下提高鉆桿強(qiáng)度,可考慮采用復(fù)合熱處理鉆桿。
鉆進(jìn)過(guò)程中常出現(xiàn)鉆孔漏失、沖洗液固相失控的情況,進(jìn)一步導(dǎo)致地層坍塌、鉆進(jìn)速度失去控制。具體的解決方法為:調(diào)整鉆進(jìn)循環(huán)槽的實(shí)際尺寸,現(xiàn)場(chǎng)增加除砂器等等設(shè)備,選擇性子啊沖洗液中加入絮凝劑,改善沖洗液的固相狀態(tài)。技術(shù)人員定期檢驗(yàn)沖洗液的密度、粘度,判斷沖洗液的固相狀態(tài)是否服藥要求,根據(jù)規(guī)定更換泥漿,或者進(jìn)行稀釋、沉降。沖洗液若需摻加黃原膠、纖維素等等高分子材料,需保證沖洗液提前進(jìn)行了預(yù)水化,保證攪拌機(jī)始終保持穩(wěn)定的工作狀態(tài),保證沖洗液中鉀離子含量符合技術(shù)要求。
鉆進(jìn)參數(shù)控制主要是指針對(duì)當(dāng)前孔深度、地層的實(shí)際情況,對(duì)扭矩、壓力、鉆進(jìn)速度、沖洗液性能等參數(shù)進(jìn)行靈活控制。該礦區(qū)地質(zhì)勘探工作開展過(guò)程中,針對(duì)覆蓋層、紫紅色泥巖層、紅紗層、藍(lán)灰色泥巖層、藍(lán)灰色砂巖層、灰色泥巖層、灰色砂巖層、煤層等靈活進(jìn)行加減壓力、調(diào)整轉(zhuǎn)速、調(diào)整扭矩、調(diào)整泵壓、調(diào)整漏斗粘度、調(diào)整密度以及鉆進(jìn)時(shí)效,技術(shù)人員記錄下各個(gè)階段的實(shí)際鉆進(jìn)情況,確??變?nèi)情況能夠正確得到反映,秉承“輕壓、吊打”的基本原則合理控制鉆壓、鉆進(jìn)速度。
該礦區(qū)應(yīng)用全液壓鉆進(jìn)設(shè)備+復(fù)合片鉆頭+鉆頭繩索取芯技術(shù),最終成功完成鉆探任務(wù),但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中也存在諸多不足,該技術(shù)方案的優(yōu)勢(shì)以及不足具體表現(xiàn)為:一是全液壓鉆進(jìn)設(shè)備相較于普通巖心鉆機(jī),在技術(shù)、安全、動(dòng)力、操作性方面均有所改善,這也是國(guó)內(nèi)外鉆探技術(shù)發(fā)展的主要方向。該技術(shù)方案有突出的信息化控制系統(tǒng),技術(shù)人員也根據(jù)實(shí)際情況靈活調(diào)整鉆探參數(shù),初步實(shí)現(xiàn)了智能化操作,且具有較高的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍,能夠有效適應(yīng)各種情況。同時(shí),該技術(shù)方案的動(dòng)力頭行程相對(duì)較長(zhǎng),可有效減少倒桿次數(shù),避免孔洞堵塞,配備其他設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員勞動(dòng)量大幅度降低,且能夠提高現(xiàn)場(chǎng)施工安全水平。二是該技術(shù)方案在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用案例相對(duì)較少,技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、施工經(jīng)驗(yàn)均有所不足,技術(shù)人員在智能化控制方面還需進(jìn)一步磨練,其顯示的技術(shù)參數(shù)存在一定的局限性,該技術(shù)方案對(duì)攪拌機(jī)的考慮相對(duì)較少,攪拌機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)意外事故。另外,設(shè)備在高強(qiáng)度的工作條件下出現(xiàn)漏油問(wèn)題,對(duì)設(shè)備的養(yǎng)護(hù)、管理要求較高。
地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基本需求,地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)同時(shí)整合測(cè)繪、地球物理勘探、地球化學(xué)勘探、鉆探、坑探、地質(zhì)遙感等等技術(shù)方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)一定區(qū)域內(nèi)巖石、地層構(gòu)造、礦產(chǎn)、地下水、地貌等地質(zhì)情況進(jìn)行的調(diào)查研究工作。根據(jù)國(guó)家自然資源部發(fā)布《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2018》顯示,2017年,全國(guó)地質(zhì)勘查投資782.85億元,較上年增長(zhǎng)1%,連續(xù)四年下降后首次回升。其中,油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資584.49億元,增長(zhǎng)10.8%;非油氣礦產(chǎn)地質(zhì)勘查投資198.36億元,下降19.8%。總體來(lái)看,我國(guó)資源類地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)應(yīng)用需求逐步提升,而各類礦物資源的勘探技術(shù)要求不斷提升,這就需要廣大從業(yè)者不斷提升地質(zhì)勘探鉆探技術(shù)水準(zhǔn)。
事實(shí)證明,上述礦區(qū)采用的復(fù)合片鉆頭可有效應(yīng)對(duì)松散地層鉆探需求,該鉆頭不僅實(shí)際使用壽命長(zhǎng),且能夠提高鉆進(jìn)效率。事實(shí)上,煤炭鉆進(jìn)設(shè)備相較于天然氣、石油行業(yè)一直較為落后,國(guó)內(nèi)技術(shù)水平和國(guó)外仍舊存在一定的差異。沖洗液的有效調(diào)配是保證順利鉆孔的關(guān)鍵要素,在任何地質(zhì)環(huán)境中鉆進(jìn)勘探,都不能忽視沖洗液的配置以及調(diào)整。上述內(nèi)容不僅有技術(shù)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也有教訓(xùn),望廣大從業(yè)者加以重視,并在實(shí)踐中不斷探索、完善。