繩索取心鉆進(jìn)中頂漏鉆進(jìn)工藝實(shí)踐

王發(fā)民，魏和平，訾 兵，張 寧，王 衛(wèi)

（1.寧夏地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，寧夏 銀川750021；2.寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川750021）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)建筑類灰?guī)r需求越來(lái)越大。為此，2020年寧夏自然資源廳啟動(dòng)了中寧縣煙洞山水泥用灰?guī)r為代表的一批急需礦產(chǎn)資源勘查項(xiàng)目，作為該項(xiàng)目的實(shí)施單位，寧夏地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院針對(duì)鉆遇灰?guī)r地層裂隙、破碎帶發(fā)育、漏失嚴(yán)重［1-3］等不利因素，摸索出一套頂漏鉆進(jìn)工藝，順利完成了50個(gè)鉆孔的施工任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了零報(bào)廢孔率的既定目標(biāo)，以實(shí)際行動(dòng)助推地方脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)。

1 勘查區(qū)概況

1.1 勘查區(qū)地層特性

煙洞山勘探區(qū)有正、逆斷層10余條之多，巖層裂隙、破碎帶發(fā)育，巖性上部以石英砂巖、粉砂巖為主，下部是以碳酸鈣為主要成分的碳酸鹽巖，有時(shí)含有白云石、粘土礦物和碎屑礦物，有伴生的方解石?？辈閰^(qū)地層巖性情況見(jiàn)表1。

表1 勘查區(qū)地層巖性Table 1 Lithology in the exploration area

1.2 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

1.2.1 地層方面

勘探區(qū)內(nèi)地層主要以砂巖、灰?guī)r為主，上部地層松散，膠結(jié)質(zhì)量差，軟硬互層變化頻繁，鉆孔容易坍塌掉塊［4-6］，沖洗液漏失嚴(yán)重，鉆具回轉(zhuǎn)時(shí)阻力大，容易造成卡鉆、燒鉆、鉆桿折斷事故。

1.2.2 沖洗液方面

由于沖洗液漏失嚴(yán)重，92%鉆孔出現(xiàn)全孔段不返水的情況，沖洗液消耗大，沖洗液性能很難維護(hù)。同時(shí)由于場(chǎng)地限制和綠色勘查要求，勘查區(qū)內(nèi)限制修路及建設(shè)儲(chǔ)水池設(shè)施，加之水源地距離施工區(qū)較遠(yuǎn)，且沖洗液漏失嚴(yán)重，配漿用水很難保證。

2 鉆探工程設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔深度為54～210 m不等，但絕大部分不超過(guò)150 m?？紤]到孔深差別較大，鉆遇地層比較復(fù)雜，以?114 mm鉆桿+?130 mm鉆頭穿過(guò)第四系土黃色粉砂質(zhì)黃土層（厚度約10 m）后將?114 mm鉆桿預(yù)留在孔內(nèi)作為孔口管。第二級(jí)換?89 mm鉆桿+?96 mm鉆頭，盡可能鉆至最大孔深，甚至達(dá)到終孔深度。如出現(xiàn)因孔壁不穩(wěn)定等因素鉆不到終孔深度時(shí)，可將該套鉆桿預(yù)留在孔內(nèi)作為套管護(hù)壁，換?75 mm鉆頭鉆至終孔。此方案最大限度地縮短了下套管時(shí)間，迅速終孔，減少了孔內(nèi)事故。特別是對(duì)惡性漏失地層［7］，可有效降低鉆孔報(bào)廢率。典型鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示（以ZK1206孔為例）。

圖1 典型鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical borehole structure

2.2 鉆頭的選擇

（1）上部第四系黃土層，選用側(cè)噴式PDC鉆頭，水眼設(shè)計(jì)距離切削刃較近。目的是既減少?zèng)_洗液對(duì)土層的直接沖刷，提高上部地層的巖心采取率，又可以有效預(yù)防因沖洗液量的不足而引起燒鉆事故的發(fā)生。

（2）下部砂巖和灰?guī)r，由于鉆孔漏失嚴(yán)重，選用螺旋形水口孕鑲金剛石鉆頭［8］。目的是使沖洗液在鉆頭唇面形成漫流，達(dá)到充分冷卻鉆頭的效果。

（3）對(duì)于砂巖及粉砂巖、伴生方解石較多的碳酸鹽巖，考慮到該段地層比較破碎，巖屑顆粒較大，加之其研磨性較強(qiáng)，選用胎體硬度HRC30～45的金剛石鉆頭，以提高單個(gè)鉆頭壽命，減少提鉆次數(shù)；對(duì)于灰?guī)r地層，由于含角礫和燧石結(jié)核，硬度較大且研磨性弱，選用胎體硬度HRC25～30的金剛石鉆頭［9］，便于金剛石顆?？焖俪鋈校蕴岣咩@進(jìn)效率。

2.3 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)的選擇

勘探區(qū)地層漏失嚴(yán)重，絕大多數(shù)鉆孔全孔段不返漿，必須控制進(jìn)尺，使鉆進(jìn)時(shí)鉆屑能及時(shí)從孔底排走。因此，在鉆探技術(shù)參數(shù)選擇方面，應(yīng)盡量采用大泵量的同時(shí)控制轉(zhuǎn)速和鉆壓。但由于施工區(qū)距離水源地較遠(yuǎn)，生產(chǎn)用水不能及時(shí)有效保障，實(shí)際采用中偏低泵量。轉(zhuǎn)速控制在中偏高速。鉆進(jìn)過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注泵壓的變化，出現(xiàn)蹩鉆、蹩泵時(shí)及時(shí)將轉(zhuǎn)速降低，并將鉆具提離孔底。具體鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters

3 頂漏鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用

施工區(qū)地層巖性主要以灰?guī)r為主，夾雜有石英砂巖、粗粒砂巖等，巖層裂隙、破碎帶發(fā)育，易造成孔內(nèi)復(fù)雜事故［10-13］，鉆探取心難度大。實(shí)際施工中絕大多數(shù)鉆孔均出現(xiàn)不返水現(xiàn)象，幾乎所有進(jìn)尺都是在頂漏鉆進(jìn)中完成的。

其中ZK1207孔和ZK1004孔是1號(hào)鉆機(jī)在本項(xiàng)目施工的前2個(gè)鉆孔，這2個(gè)鉆孔均處于原爆破采礦區(qū)。施工初期，采用低固相和無(wú)固相沖洗液鉆進(jìn)［14-15］，但隨著孔深的增加，出現(xiàn)了孔內(nèi)漏失，按常規(guī)采用粘土球、水泥漿進(jìn)行了封堵，當(dāng)時(shí)取得了一定的效果，但隨著新孔段被鉆開(kāi)，地層漏失愈發(fā)嚴(yán)重，孔口出現(xiàn)返水時(shí)斷時(shí)續(xù)情況，相繼發(fā)生了卡鉆、燒鉆事故，損失了2套繩索取心鉆具?？咨?40、204 m均用了11天。較計(jì)劃工期大大延長(zhǎng)，鉆探成本也成倍增加。在總結(jié)勘探區(qū)地層漏失特性基礎(chǔ)上，進(jìn)一步規(guī)范鉆機(jī)操作規(guī)程，摸索出針對(duì)該礦區(qū)灰?guī)r地層的頂漏鉆進(jìn)工藝。

（1）采用清水代替泥漿，頂漏鉆進(jìn)，同時(shí)加大配漿用水儲(chǔ)備和供給，在地勢(shì)平坦處開(kāi)挖一個(gè)50 m3左右的蓄水池，對(duì)于相對(duì)高差較大鉆孔，配備高揚(yáng)程水泵，以多級(jí)泵站供水。

（2）采用清水中加高粘CMC，調(diào)制成稠的沖洗液，從地表鉆桿外側(cè)向孔內(nèi)沿鉆桿外壁注入，確保未被水淹沒(méi)的鉆桿外壁潤(rùn)滑，減小鉆桿和孔壁的摩擦力。

（3）在取心后及提下鉆重新鉆進(jìn)前，必須要保證沖洗液循環(huán)通暢，為此一定要預(yù)先將鉆具提離孔底1～2個(gè)鉆桿單根（長(zhǎng)度約6.0 m），下鉆時(shí)應(yīng)先開(kāi)泵循環(huán)沖洗液，下鉆至距孔底0.5 m位置時(shí)開(kāi)始低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆具，至孔底后要及時(shí)觀察泵壓是否上升，判斷鉆頭處水路是否通暢。確保鉆進(jìn)中不發(fā)生燒鉆事故。

（4）鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)操作者要密切關(guān)注鉆機(jī)各儀表指示，特別是泵壓和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力，泵壓一般控制在3 MPa以內(nèi)，如果泵壓出現(xiàn)波動(dòng)，并且短時(shí)間內(nèi)超過(guò)5 MPa，應(yīng)立即提鉆打撈巖心。鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力明顯增大或鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)載明顯增加時(shí)，也應(yīng)立即提鉆打撈巖心。提鉆時(shí)可同時(shí)旋轉(zhuǎn)鉆具，但不得進(jìn)行反轉(zhuǎn)。同時(shí)，鉆速控制在3～4 m/h，以確保鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)出巖屑和排走巖屑的動(dòng)態(tài)平衡。

4 鉆探成效

通過(guò)實(shí)施頂漏鉆進(jìn)工藝，順利完成了煙洞山灰?guī)r勘查區(qū)全部鉆孔施工任務(wù)，未報(bào)廢一個(gè)鉆孔。以1號(hào)鉆機(jī)為例，自采用該工藝以后，沒(méi)有發(fā)生一起孔內(nèi)事故，有效減少了因鉆孔漏失采取堵漏措施所用時(shí)間。鉆孔成孔時(shí)間從最初ZK1207孔（孔深140 m）的11 d，縮短到ZK1501孔（孔深145 m）的4 d，鉆進(jìn)效率提高了2倍多，平均巖心采取率98%，臺(tái)月效率達(dá)835 m，有效降低了鉆探成本，特別是沖洗液材料如粘土、處理劑及堵漏材料等用量大幅度減少，實(shí)現(xiàn)了從最初前2個(gè)鉆孔的虧損，到后續(xù)所有施工鉆孔全部盈利的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，由于該項(xiàng)目采用清水頂漏鉆進(jìn)施工，有效避免了沖洗液對(duì)施工環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益雙豐收。1號(hào)鉆機(jī)部分鉆孔鉆探成效統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 1號(hào)鉆機(jī)部分鉆孔鉆探成效統(tǒng)計(jì)Table 3 Drilling results of No.1 rig（part）

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于斜交裂隙發(fā)育的石灰?guī)r失返性漏失地層，堵漏很難取得成效，費(fèi)時(shí)費(fèi)力又增加成本，采用清水頂漏鉆進(jìn)是有效途徑。頂漏鉆進(jìn)過(guò)程中在清水中加入高粘CMC配制成稠沖洗液，從孔口沿鉆具外壁不斷緩緩注入，確保漏層附近液面以上部分鉆桿外部的潤(rùn)滑，減小鉆桿和孔壁的摩擦力。

（2）為確保鉆進(jìn)時(shí)鉆頭部位沖洗液循環(huán)暢通，應(yīng)依據(jù)裂隙形態(tài)和通道大小合理確定孔壁與鉆具的環(huán)狀間隙，特別是在漏失嚴(yán)重、供水有限的情況下，必須控制鉆速，優(yōu)化鉆頭外徑，一方面使產(chǎn)生的巖粉顆粒尺寸不大于裂縫寬度，確保巖粉在沖洗液作用下順利進(jìn)入裂隙通道；另一方面使沖洗液具備足夠上返速度，達(dá)到懸浮巖粉進(jìn)而及時(shí)將其從孔底帶走之目的。

（3）鉆進(jìn)中須時(shí)刻關(guān)注鉆進(jìn)參數(shù)的變化。泵壓是反映沖洗液流動(dòng)的重要參數(shù)，泵壓表指針波動(dòng)較大或短時(shí)間內(nèi)超過(guò)5 MPa，說(shuō)明沖洗液在孔底流動(dòng)不暢，達(dá)不到冷卻鉆頭的效果，應(yīng)立即提鉆打撈巖心，防止燒鉆；當(dāng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力明顯增大，或鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)荷明顯增加時(shí)，應(yīng)立即提鉆打撈。

（4）采用清水頂漏鉆進(jìn)，由于其懸浮巖粉的能力有限，在回次終了采取巖心時(shí)，因沖洗液不流動(dòng)，在孔底會(huì)殘留較多巖粉。故在每次回次終了時(shí)，必須將鉆具提離孔底一定距離，待新回次開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，再用沖洗液充分沖洗孔底，確保孔底干凈，以防發(fā)生埋鉆及燒鉆事故。