繩索取芯技術(shù)在地浸工藝鉆孔施工中的應(yīng)用

汪成勇，曾令，龔美鑫，溫得全

（1.核工業(yè)二〇三研究所，陜西西安710086；2.核工業(yè)二九〇研究所，廣東韶關(guān)512006）

1 概述

在地浸開采過程中，為了更詳細(xì)地了解目的層巖性的各方面特征，要求部分工藝鉆孔在目的層進(jìn)行取芯工作，現(xiàn)行的取芯方法一是采用大直徑鉆桿、大直徑巖芯管取芯，二是采用巖芯鉆機(jī)先取芯再進(jìn)行多級擴(kuò)孔施工工藝孔。前者不需要進(jìn)行多級擴(kuò)孔，但取芯難度較大，且取芯需要頻繁提下大口徑鉆具，勞動強(qiáng)度大，且在礦層施工時(shí)泥漿容易堵塞礦層。重新調(diào)配巖芯鉆機(jī)進(jìn)行取芯，需要進(jìn)行多級擴(kuò)孔，耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，工藝鉆孔施工周期長，且成井質(zhì)量較難控制。

我單位在結(jié)合現(xiàn)有地浸施工設(shè)備的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)情況與施工條件，利用現(xiàn)有轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)和?127mm繩索取芯快速鉆探取芯，利用?127mm鉆桿(內(nèi)徑?95.25mm)做外管，采用定制的S95型繩索取芯工具,與單點(diǎn)測斜儀的絞車配合進(jìn)行取芯,巖芯采取率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，勞動強(qiáng)度小，礦層污染較小，節(jié)省取芯成本，成井質(zhì)量較好，同時(shí)能大幅縮短單孔成井工期。

2 工程概述

2.1 地層情況及特點(diǎn)

施工區(qū)在伊犁盆地蒙其古爾礦區(qū)，第四系覆蓋層礫石發(fā)育，厚度80~250m，鉆孔所遇地層為第三系、白堊系、侏羅系，巖石主要巖性為砂礫巖、粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、煤等。鉆孔偏斜，鉆孔漏失和涌水，孔壁超徑與縮徑，孔內(nèi)掉塊和卡鉆，是本區(qū)多發(fā)的孔內(nèi)事故。施工區(qū)巖石可鉆性2~8級[1]。

2.2 目的層巖性及取芯要求

2.2.1 目的層巖性

施工區(qū)取芯目的層屬于侏羅紀(jì)系中、下統(tǒng)西山窯組下部與三工河組。西山窯組取芯段的巖性主要為含礫粗粒砂巖、粗粒砂巖，其次為中—細(xì)粒砂巖和砂礫巖，夾泥巖、粉砂巖或煤層透鏡體。三工河組取芯段巖性為細(xì)—粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖夾少量炭質(zhì)泥巖與薄煤層。

2.2.2 取芯要求

（1）生產(chǎn)鉆孔設(shè)計(jì)取芯位置為目的層位含礦含水層，其鉆孔取芯段不低于30m，終孔口徑不大于95mm；

（2）含礦含水層的礦芯采取率不小于75%；巖芯（頂、底板）采取率不小于65%；

（3）使用新鮮的優(yōu)質(zhì)鉆井液，相關(guān)泥漿性能記錄完整；

（4）鉆孔質(zhì)量達(dá)優(yōu)良，班報(bào)表、簡易水文觀測記錄表等原始記錄完整。

2.3 工藝鉆孔技術(shù)要求

2.3.1 工藝鉆孔結(jié)構(gòu)要求

取芯鉆孔均設(shè)計(jì)為抽液孔或雙功能鉆孔。要求開孔直徑?269mm，施工至含礦含水層頂板位置（潛水泵一般下放至230m左右），再采用變徑?151.1mm（或取芯口徑），施工至孔底，經(jīng)過綜合測井，確定過濾器位置后按要求進(jìn)行擴(kuò)孔至孔底。

2.3.2 成井工藝要求

該地區(qū)地浸工藝孔主要質(zhì)量指標(biāo)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（部分）如表1所示，施工中須嚴(yán)格保證鉆孔質(zhì)量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)具體施工要求[2]。

表1 鉆孔主要驗(yàn)收指標(biāo)表

3 設(shè)備、機(jī)具選擇

3.1 設(shè)備選擇

設(shè)備選型上，主要施工地浸工藝鉆孔，同時(shí)根據(jù)鉆孔取芯的目的和要求，鉆探設(shè)備儀器[3]如表2所示。

表2 投入的主要施工設(shè)備表

3.2 取芯鉆具及鉆頭選擇

根據(jù)地質(zhì)取芯要求和預(yù)計(jì)取芯井段的地層巖性特點(diǎn),我們選擇了S95的繩索取芯器[4]以及與之配套的?95mm鉆桿。該取芯器外管采用?108mm×10mm的管材，內(nèi)管尺寸為89~76mm，鉆具外管總長6m，內(nèi)管長2m。內(nèi)管選用?89mm×5mm的無縫鋼管,保證了內(nèi)外管的環(huán)空間隙,防止泥皮粘糊鉆桿內(nèi)壁造成憋泵現(xiàn)象[5]。

全面鉆進(jìn)選用?269.90mm和?244.50mm牙輪鉆頭；其取芯工具選配?108mm的自制繩索取芯鉆頭（見圖1），取芯鉆頭采用十翼階梯式刮刀PDC保徑鉆頭，保徑由合金條焊接在鋼制基體上而成，該鉆頭具有壽命長、制作成本低高的特點(diǎn)，同時(shí)能較好地滿足本地區(qū)松軟地層取芯的要求。其次鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少鉆頭與孔底的接觸面；鉆頭的水眼設(shè)計(jì)采用順時(shí)針小角度外傾，減少鉆井液流對巖芯沖蝕破壞[6]。

圖1 繩索取芯鉆頭示意圖（單位：mm）

4 鉆進(jìn)工藝

上部利用轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)碎巖機(jī)理，選擇“中轉(zhuǎn)速、高泵量、中鉆壓”規(guī)程，采用PDC牙輪鉆頭全面鉆進(jìn)，使巖石產(chǎn)生體積破碎及時(shí)返出孔內(nèi);下部取芯段則將鉆具全部更換為S95繩索取芯鉆桿(加扶正器)和取芯鉆具，采用大環(huán)空、中泵量實(shí)現(xiàn)連續(xù)取芯，避免孔底重復(fù)破碎，從而實(shí)現(xiàn)快速鉆探目的[7]。

4.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地浸工藝鉆孔結(jié)構(gòu)要求及地層性質(zhì),取芯鉆孔均設(shè)計(jì)為地浸工藝鉆孔中的抽液孔，選擇三級井段結(jié)構(gòu)，該鉆孔結(jié)構(gòu)保證工藝要求，減少擴(kuò)孔施工量，鉆孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[8]。一級井段采用269.90mm牙輪或PDC鉆頭開孔，鉆進(jìn)至320m，根據(jù)地質(zhì)巖層情況確定下入護(hù)壁套管；二級井段更換244.50mm牙輪鉆頭，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)礦層位頂板上部3m；三級井段更換?95mm鉆桿、S95取芯鉆具與取芯鉆頭，取芯至設(shè)計(jì)礦層底板以下3m。取芯結(jié)束后，采用215.9mm鉆頭對取芯段進(jìn)行擴(kuò)孔。

套管結(jié)構(gòu)為管箍結(jié)構(gòu)，一開井段采用?152mm×10mm，其中下泵位置放置3根?160mm×12mm，二開、三開井段采用?104mm×10mm，變徑處采用尼龍棒連接，礦層段采用環(huán)形骨架過濾器，水泥固井從礫料面至孔口。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2 鉆進(jìn)工藝及鉆具組合

使用?269.90mm鉆頭施工至320.00m，再更換?244.50mm牙輪鉆頭施工至設(shè)計(jì)含礦含水層頂板位置上端，最后更換為取芯鉆頭配合S95繩索取芯鉆具進(jìn)行取芯。

4.2.1 鉆進(jìn)工藝及參數(shù)

鉆具組合及鉆進(jìn)參數(shù)如表3、表4。

表3 各井段鉆具組合

表4 各層段鉆進(jìn)參數(shù)

4.2.2 沖洗液設(shè)計(jì)

根據(jù)礦區(qū)地層情況，一開井段地層主要為洪沖積礫石、砂土且松散及褐紅色粘土，平均厚度200m；配方：鈉土8%、聚丙烯酰胺0.01%、燒堿0.03%、清水?dāng)嚢璩稍瓭{；泥漿性能為：密度1.12~1.18g/cm3，粘度30~35s，失水量14~18mL/30min，pH值8~10。

二開井段地層巖性主要是砂巖、煤層和部分泥巖，平均厚度150m；配方：鈉土1%、聚丙烯酰胺0.02%、燒堿、清水；泥漿性能：密度1.05~1.08g/cm3，粘度20~25s，失水量8~10mL/30min，pH值7~8。

取芯段地層有中、粗砂巖和少量砂質(zhì)泥巖，平均厚度40m；配方：聚丙烯酰胺0.01%、純堿0.03%、清水；泥漿性能：密度1.03~1.05g/cm3，粘度18~20s，失水量8~12mL/30 min，pH值8~9[9]。

4.2.3 沖洗液液管理措施：

（1）施工現(xiàn)場配備旋流除砂器和振動篩，并配有泥漿罐、儲水罐、沉淀罐、廢漿坑，第四系地層砂石礫徑大，旋流除砂器容易堵塞水眼，可只依靠振動篩進(jìn)行除砂，進(jìn)入基巖層后同時(shí)使用旋流除砂器和振動篩，能更好地控制泥漿固相含量。

（2）泥漿在使用中，性能隨時(shí)在變化，每班利用現(xiàn)場配備的泥漿測試儀檢測泥漿性能，再根據(jù)地層變化，按照相應(yīng)地層加入處理劑，將泥漿性能調(diào)整至合適范圍。將性能指標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確記錄在報(bào)表中。

（3）每班安排人員進(jìn)行振動篩除砂、撈渣工作，維護(hù)泥漿固控設(shè)備。

（4）現(xiàn)場機(jī)班長必須掌握各種泥漿處理劑的性能及作用。

（5）現(xiàn)場泥漿材料和孔內(nèi)事故處理材料應(yīng)準(zhǔn)備足量。

4.2.4 取芯鉆具操作要求

（1）按照地浸工藝鉆孔施工要求，進(jìn)行一開、二開鉆孔施工，并施工至設(shè)計(jì)取芯位置，開始循環(huán)沖孔并替換新鮮泥漿，使孔內(nèi)泥漿性能滿足取芯要求，同時(shí)鉆具起下鉆通暢，再進(jìn)行起鉆更換取芯鉆具。

（2）下鉆前,檢查內(nèi)外管組裝情況，確保設(shè)備與工具能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，并放入內(nèi)管認(rèn)真檢查裝配間隙,在地面試運(yùn)行打撈矛與內(nèi)管結(jié)構(gòu)保證順利打撈內(nèi)管。

（3）下鉆前準(zhǔn)確丈量各鉆具，同時(shí)應(yīng)在打撈鋼繩上做個(gè)深度記號。

（4）若下鉆遇阻，應(yīng)采用鉆桿通井，禁止采用取芯鉆具通井。

（5）起下鉆和使用吊鉗、旋繩裝卸鉆具時(shí)，操作平穩(wěn)。

（6）初始下放取芯鉆具時(shí)需要邊下鉆邊循環(huán)，要均勻下鉆，下至取芯位置的最后一個(gè)單根，使用BW350/13型泥漿泵代替TBW1200/7C型泥漿泵先用小排量循環(huán)，逐步增大排量循環(huán)鉆井液沖洗井底再進(jìn)行取芯作業(yè)。

（7）提起鉆具不超過50mm，提斷巖芯，卸開主動鉆桿。提斷巖芯后不得再將鉆具放到孔底試探。打撈器在沖洗液中的速度約1.5~2m/s，確認(rèn)打撈成功后，試提打撈矛，再開動絞車正常提升。

4.2.5 取芯技術(shù)要求

（1）取芯鉆進(jìn)前，技術(shù)人員需進(jìn)行技術(shù)交底，做好相關(guān)孔內(nèi)事故處理預(yù)案。

（2）取芯前做好相關(guān)數(shù)據(jù)丈量，保證取芯層位正確無誤。

（3）下入的打撈器和鋼絲繩都會對該絲扣造成磨損，在打撈巖芯前，應(yīng)擰上喇叭形護(hù)絲套。

（4）投入內(nèi)管后不能立即鉆進(jìn)，根據(jù)內(nèi)管總成在鉆桿柱內(nèi)的下行時(shí)間與鉆孔深度、鉆孔傾角、沖洗液、泵壓等因素有關(guān)，一般采用35~40m/min的下降速度測算，待內(nèi)管到位后先慢轉(zhuǎn)1~3min后，逐漸下放加壓至正常鉆壓進(jìn)行取芯鉆進(jìn)，鉆壓不允許超15kN。

（5）內(nèi)管取出后，檢查卡簧與內(nèi)管總成。鉆進(jìn)至松散砂巖時(shí)更換爪簧卡取礦芯，降低巖芯脫落概率。

（6）根據(jù)不同地層情況進(jìn)行調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，預(yù)計(jì)進(jìn)入礦層后，為保證礦芯采取率，保持單回次鉆尺在1.8m以內(nèi)[10]。

4.2.6 兩種鉆進(jìn)應(yīng)用效果

在同一礦區(qū)內(nèi)，部分單位采用了XY-5/6鉆機(jī)進(jìn)行取芯，再更換轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔施工。其優(yōu)勢是運(yùn)用了該地區(qū)成熟的普鉆取芯技術(shù)體系，取芯率高，不需要進(jìn)行泥漿體系與更換鉆具配置。統(tǒng)計(jì)兩種施工方法的部分鉆孔見表5。

表5 部分取芯鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

通過對比在該礦區(qū)采用巖芯鉆機(jī)取芯再進(jìn)行擴(kuò)孔的方法，采用大口徑繩索取芯技術(shù)，避免多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)，一次性成孔，較傳統(tǒng)方法縮短一半工期，大幅度提高了機(jī)臺效率；其次通過?127mm鉆桿作為外管降低孔內(nèi)事故率，保證了鉆孔偏斜；采用適合繩索取芯鉆進(jìn)沖洗液，減少了泥漿對水層的污染，保證了鉆孔出水量；通過繩索取芯施工的鉆孔各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。通過運(yùn)用繩索取芯技術(shù)施工，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對今后該地區(qū)鉆探施工有一定的指導(dǎo)意義。