貴州省爛泥溝金礦大角度斜直深孔繩索取心鉆探技術(shù)

宋繼偉，冉 飛，吳 博，楊丕祥

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州 安順 561000； 2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550018)

1 引言

數(shù)十年的地質(zhì)勘查工作，我國大部分淺層(1 000 m以淺)固體礦產(chǎn)基本均已查明，現(xiàn)在逐步向深部和高級(jí)別勘查程度發(fā)展。隨著鉆孔的逐步加深和勘查程度的逐步提高，出現(xiàn)一對(duì)突出矛盾：鉆孔越深，孔底偏移越大；勘查程度越高，要求孔底偏移越小。舉例說明：2020年，貴州省重點(diǎn)礦產(chǎn)資源大精查高地錳礦勘查項(xiàng)目，設(shè)計(jì)平均孔深1 700 m，設(shè)計(jì)勘探線間距200 m、鉆孔間距300 m，要求終孔孔底位移不超過線距和孔距的1/4，也即控制在寬50 m、長75 m的矩形范圍內(nèi)，這么大的孔深、這么小的位移，從繩索取心鉆進(jìn)這套工藝目前的水平來看，基本無法實(shí)現(xiàn)。實(shí)際施工結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，全部14個(gè)鉆孔均偏出靶區(qū)，最后在分析偏移規(guī)律的基礎(chǔ)上對(duì)勘探線做出整體平移才解決該問題。繩索取心鉆具這套機(jī)具本身沒有太多格外的防斜、糾斜辦法(宋繼偉 等，2020)，一旦出現(xiàn)了大幅度的孔斜超標(biāo)以后，除了采取定向鉆進(jìn)糾斜，幾乎沒有其它可行可靠的辦法來處理。定向鉆進(jìn)技術(shù)和成本門檻較高，目前國內(nèi)大多數(shù)單位未掌握且難以承擔(dān)費(fèi)用(石智軍 等，2013；宋繼偉 等，2018；趙建國 等，2018)。因此，探索小口徑巖心鉆探深孔防斜保直技術(shù)是目前生產(chǎn)中非常具有實(shí)用價(jià)值的課題。

2 地層情況

通過表1可以看出，ZKF001孔地層對(duì)于鉆探工作的影響主要有三個(gè)方面：一是節(jié)理裂隙發(fā)育，鉆井液漏失嚴(yán)重；二是破碎帶繁多，孔壁穩(wěn)定性極差；三是軟與硬、完整與破碎互層頻繁，極易發(fā)生偏斜。該孔地層特性充分代表了礦區(qū)的施工難度，以上困難對(duì)于鉆探技術(shù)提出挑戰(zhàn)，在保證安全鉆進(jìn)的前提下，如何實(shí)現(xiàn)防斜保直鉆進(jìn)是最核心問題。

表1 鉆孔ZKF001主要地層資料Table 1 Main layer data of borehole ZKF001

3 防斜保直技術(shù)

3.1 調(diào)整鉆具組合

3.1.1 防斜

區(qū)別于大口徑全面鉆進(jìn)使用高剛度、大重量鉆鋌加壓吊打防斜，繩索取心這套薄壁鉆具本身沒有更好的防斜措施，為勉強(qiáng)提高一些防斜能力，只有多加扶正器，也就是多加擴(kuò)孔器(殷朝陽 等，2000；胡修俊 等，2009；黃才啟，2011；趙國法 等，2013；胡貴 等，2015)。試鉆階段，保證鉆具是上下雙擴(kuò)孔器。鉆進(jìn)一段距離，發(fā)現(xiàn)頂角降得很快，分析原因是大角度斜孔，在重力和鐘擺作用下擴(kuò)孔器優(yōu)先偏磨下方孔壁(劉德平 等，2011；李子豐 等，2013；鄭錦堂，2019)，造成孔眼往下掉，因此在采取措施増斜以后，將擴(kuò)孔器保徑金剛石復(fù)合片研磨料去掉，改成與鉆頭同外徑帶螺旋水口的光接頭，消除偏磨，只剩支撐扶正功能，取得了非常好的效果。后期逐步摸索，又拓展出三種新的方式：一是將傳統(tǒng)的繩索取心3 m外管改為兩段式，這樣中間可以再加一個(gè)扶正器形成三扶正器鉆具；二是在鉆具與第一根鉆桿連接處可以多加扶正器；三是在鉆桿中間每隔一段距離加扶正短節(jié)。通過以上方式，大幅度提高了繩索取心這套機(jī)具的防斜保直能力。

3.1.2 増斜

試鉆階段，使用雙擴(kuò)孔器鉆具鉆進(jìn)至176 m，頂角降了3°，必須采取有效辦法増斜。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)嘗試，形成“杠桿鉆具”(圖1)，増斜效果非常明顯?！案軛U鉆具”組合為“1.5 m或3 m短鉆具+大口徑上擴(kuò)孔器”，本次現(xiàn)場(chǎng)具體加工為96 mm繩索鉆具外管上部外圍焊接一個(gè)切為兩半圓的122 mm電鍍金剛石鉆頭。原理為：大角度斜孔底部，以122 mm鉆頭為支點(diǎn)，該鉆頭上部89 mm繩索鉆桿在重力作用下形成一個(gè)往下彎的半圓弧，該鉆頭下部短鉆具在杠桿作用下上翹，隨著連續(xù)鉆進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)鉆孔増斜。同時(shí)，1.5 m短鉆具増斜能力優(yōu)于3 m長鉆具。

圖1 杠桿鉆具實(shí)物圖Fig.1 Picture of the lever drilling tool

3.1.3 降斜

至490 m孔深，雖然采取積極防斜措施，頂角仍然增大了6°，必須采取有效辦法降斜。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)嘗試，使用“4.5 m長鉆具+常規(guī)上擴(kuò)孔器”組合降斜效果非常明顯。主要原理是：只使用上擴(kuò)孔器，鉆具在沒有下擴(kuò)孔器支撐的情況下，會(huì)因?yàn)槲⑿〉沫h(huán)空和重力產(chǎn)生向心作用，同時(shí)4.5 m長鉆具比3 m短鉆具柔性好的多，兩個(gè)條件相輔相成即形成了良好的降斜鉆進(jìn)。

另外，以此原理推測(cè)，如果使用更長鉆具，同時(shí)上擴(kuò)孔器安裝位置繼續(xù)上移、外徑略微增大，降斜效果應(yīng)該更好，這有待今后在實(shí)踐中進(jìn)一步探索。

3.2 正反交替鉆進(jìn)

使用反轉(zhuǎn)是糾正方位的良好辦法。鉆進(jìn)至205 m，方位角變?yōu)?73°，向右偏了3°。這時(shí)孔內(nèi)為PQ繩索鉆具122 mm口徑鉆進(jìn)，及時(shí)更換反絲S96繩索鉆具，同時(shí)在該鉆具外管上部包焊了一個(gè)切為兩個(gè)半圓的122 mm電鍍金剛石鉆頭隨鉆擴(kuò)孔，反轉(zhuǎn)鉆進(jìn)一段距離，糾方位效果非常好，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了增頂角。原理分析：孔底鉆進(jìn)，區(qū)別于頂角變化規(guī)律，重力對(duì)于方位角的影響很小，方位角變化的主要影響因素就是地層特性和鉆具回轉(zhuǎn)方向，同一個(gè)地層條件下，相反的回轉(zhuǎn)方向即會(huì)產(chǎn)生相反的方位偏移。

總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使用反轉(zhuǎn)鉆進(jìn)糾正方位還有以下三個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：一是使用反轉(zhuǎn)鉆進(jìn)糾方位一定要及時(shí)，力爭(zhēng)在同一層位中糾，最好在同一層位的末段糾，這樣糾回來以后馬上進(jìn)入新的層位就可以避免重復(fù)偏移，因此下反絲鉆具的位置和時(shí)機(jī)選擇是一個(gè)要點(diǎn)。一旦糾方位不及時(shí)，反絲鉆具下晚了已經(jīng)進(jìn)入新的地層，如果新地層較為完整均勻，那么將導(dǎo)致糾斜效果很差甚至無效。二是使用小一徑反絲鉆具比同徑反絲鉆具糾斜效果更好，主要原因是更換小一徑鉆具后，在糾斜開始階段，鉆具周圍有較大的環(huán)空，更有利于鉆具側(cè)偏。另外，在小徑鉆具上部外圍包焊與上一徑同尺寸的擴(kuò)孔鉆頭，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)隨鉆擴(kuò)孔、避免開始時(shí)頂角陡降、后期抬升頂角的多重效果。改變反絲鉆具長度和包焊擴(kuò)孔鉆頭的尺寸，可以達(dá)到糾方位和頂角同時(shí)開展。三是現(xiàn)場(chǎng)配備一兩種反絲繩索鉆桿鉆具很有意義，除了可用于糾方位，在孔內(nèi)出現(xiàn)事故需要反鉆具的時(shí)候，反絲繩索鉆桿和其它正絲繩索鉆桿可交替反取，節(jié)約了Φ50 mm反絲鉆桿的配備成本，一舉兩得。

3.3 短距反復(fù)切削

降頂角的一個(gè)有效操作是“輕壓吊打+短距離反復(fù)切削”，具體原理和工法是：需要減小頂角時(shí)，在對(duì)應(yīng)孔段反復(fù)短距離上下提放鉆具，這個(gè)短距離經(jīng)摸索以10 m左右3-4根繩索鉆桿的長度為宜，這個(gè)長度的鉆桿已經(jīng)有了較好的柔性，可以產(chǎn)生造斜曲線。提放鉆具過程中，用極小的鉆壓(能進(jìn)尺即可)和比正常鉆進(jìn)略低的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。大角度斜孔，在重力和鐘擺作用下鉆頭和擴(kuò)孔器優(yōu)先偏磨下方孔壁，反復(fù)上下提放鉆具即形成反復(fù)切削最終實(shí)現(xiàn)降低頂角。該鉆孔一共使用了兩次，第一次是孔深680 m時(shí)降頂角，第二次是ZKF001終孔后保持方位不變的情況下向下方分支ZKF001A孔，都良好的達(dá)到了目的。

3.4 液動(dòng)沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)擁有非常好的防斜保直作用(蘇長壽 等，2010；王建華 等，2011；趙華，2011；杭程 等，2013；楊寬才 等，2013；盧予北，2014)。小口徑巖心鉆探最成熟的沖擊器就是潛孔錘，該項(xiàng)目鉆進(jìn)過程中使用了中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所生產(chǎn)的SYZX96型繩索取心液動(dòng)潛孔錘。繩索取心液動(dòng)潛孔錘一般主要用于硬巖鉆進(jìn)和防堵塞鉆進(jìn)，防斜保直則是附帶效果，本項(xiàng)目地層中基本沒有硬巖層段，主要發(fā)揮該鉆具的防堵塞和防斜保直作用，實(shí)踐證明，效果很理想。繩索取心液動(dòng)潛孔錘已經(jīng)是很多年的產(chǎn)品了，理論和結(jié)構(gòu)上均非常成熟，但是實(shí)際生產(chǎn)中使用極少，究其原因是，巖心鉆探工作，鉆孔口徑小，在這個(gè)小尺度上，結(jié)構(gòu)太復(fù)雜的機(jī)具，太多的細(xì)小零部件太容易損壞，再加上巖心鉆探泥漿體系水平較低，更大大降低這套鉆具的壽命，因此長期被棄用?，F(xiàn)在，我國金工材料性能和加工精度水平大幅度提高，本次所采購的繩索取心液動(dòng)潛孔錘就體現(xiàn)出了優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定性，今后生產(chǎn)中可以廣泛推廣使用。

3.5 其它方法經(jīng)驗(yàn)

3.5.1 換徑重復(fù)導(dǎo)向擴(kuò)孔

換徑是簡(jiǎn)單快捷降頂角的方法。比如在122 mm孔眼中不下套管，直接下HQ繩索鉆具換徑鉆進(jìn)，重力作用下，96 mm鉆頭直接躺在大孔眼的下方，延伸鉆進(jìn)的話，頂角很直接的減小一定度數(shù)。鉆進(jìn)一段距離，重新?lián)Q回122 mm鉆具帶導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆進(jìn)，這樣形成的新的大孔眼同樣實(shí)現(xiàn)了頂角降低。重復(fù)上述操作，可在合適長度的孔段上修正得到理想的頂角。

3.5.2 單獨(dú)下擴(kuò)孔器鉆具

繩索取心只有單獨(dú)下擴(kuò)孔器時(shí)，防斜效果較差。目前部分繩索鉆具廠家出于降低生產(chǎn)成本提高價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)考慮，將鉆具設(shè)計(jì)成了只有下擴(kuò)孔器，貌似影響不大，其實(shí)差之毫厘謬以千里。這種單擴(kuò)孔器施工淺孔，對(duì)于精度要求不高時(shí)問題還不突出，一旦用于高勘查級(jí)別、深部勘探礦區(qū)，易偏斜的弊端就充分暴露出來了。直孔施工時(shí)，近孔底部分鉆桿處于受壓輕微彎曲狀態(tài)，這時(shí)就以單擴(kuò)孔器為支點(diǎn)形成了一個(gè)翹板，鉆頭偏磨，極易跑偏；大角度斜直孔施工時(shí)，近孔底部分鉆桿在重力和壓力作用下向下方輕微彎曲，同樣以單擴(kuò)孔器為支點(diǎn)形成鉆頭上翹，所施工鉆孔容易頂角增大。單擴(kuò)孔器與前述所提“杠桿鉆具”原理相同，只是力度相對(duì)較弱。所以，高精度要求的勘查項(xiàng)目，單獨(dú)下擴(kuò)孔器的繩索鉆具應(yīng)該慎用。

4 結(jié)論

(1)定向鉆進(jìn)是目前唯一能定量精確糾正鉆孔軌跡的技術(shù)，但其技術(shù)及成本門檻較高，小口徑巖心鉆探應(yīng)用極少，因此探索立足繩索取心鉆具的“土法”防斜保直技術(shù)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐價(jià)值。

(2)“多加扶正器”、“液動(dòng)沖擊鉆進(jìn)”是防斜保直的有效措施。

(3)“短鉆具+大口徑上擴(kuò)孔器”形成強(qiáng)力“杠桿鉆具”，是大角度斜直孔増斜升頂角的有效措施。

(4)“長鉆具+常規(guī)上擴(kuò)孔器”鉆具組合、短距反復(fù)切削、換徑重復(fù)導(dǎo)向擴(kuò)孔是大角度斜直孔降頂角的有效措施。

(5)“正反交替鉆進(jìn)”是大角度斜直孔糾方位的有效措施。

(6)以上主要措施，很大程度上歸功于“重力”。大角度斜直孔，因?yàn)樵黾恿恕爸亓Α边@個(gè)可被人為利用的有利因素，使得増斜、降斜等工作相比于垂直孔變得更加容易實(shí)現(xiàn)。