小型鉆機普鉆技術(shù)應(yīng)用淺析

李偉剛

1 概述

近幾年來，地勘行業(yè)市場下滑，地質(zhì)項目萎縮，在這種情況下，我公司借助國家一帶一路發(fā)展的契機，同時為了適應(yīng)國有地勘單位的改革，大力發(fā)展國際項目?，F(xiàn)就我在巴西孔戈尼亞爾錳礦區(qū)的鉆探施工經(jīng)驗，對普鉆技術(shù)的應(yīng)用做交流探討。

2 項目基本情況

2.1 礦區(qū)地質(zhì)情況

礦區(qū)位于巴西米納斯州的西南部，處于巴拉那（帕拉伊巴）盆地的邊緣部位，屬于淺海-濱海相沉積。礦區(qū)地層為單一斜層，呈北東向展布，傾角15°～30°，區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露，無褶皺，有少量的斷裂出露。礦區(qū)錳礦石為黑色，隱晶、纖狀結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造或塊狀構(gòu)造。該礦石受動力作用影響較強，巖石破碎，裂隙發(fā)育，構(gòu)造角礫發(fā)育；巖石中有益組分為硬錳礦+軟錳礦，主要以軟錳礦為主，硬錳礦僅占少量，隱晶質(zhì)錳礦集合體呈膠狀、皮殼狀；無益組分為錳鐵質(zhì)+泥硅質(zhì)，礦物顆粒細(xì)?。粠r石中礦物分布較均勻，巖石總體組構(gòu)較均一。錳礦體的賦礦巖性為長石石英砂巖，錳礦體的展布和地層一致，呈整合接觸。

圖1 錳礦體露天采場

2.2 巖性及地層性質(zhì)

礦區(qū)主要巖性為石英砂巖，區(qū)內(nèi)地層主要巖性有石英砂巖、白云母長石砂巖、氧化錳礦、第四系紅土層，含礦段巖層厚度約20m ～50m。巖性有粉砂巖、絹云母粉砂巖、凝灰質(zhì)板巖、長石石英砂巖、長石砂巖板巖、石英巖，錳礦體賦存于含錳的絹云母長石石英片巖或石英砂巖中。

第四系覆蓋層厚度大，膠結(jié)性差，遇水松散，且夾雜有不同程度的活石滾石現(xiàn)象；富含石英顆粒的砂巖層段，懸浮能力差，屬于不穩(wěn)定復(fù)雜地層，施工難度大。下部片麻巖地層較穩(wěn)定，進尺較快。

3 鉆進工藝

3.1 鉆進方法

該項目礦區(qū)采用HZ-130YY 型鉆機（甲方提供）施工，甲方只提供普鉆鉆桿，當(dāng)?shù)嘏鋫鋯蝿与p管鉆具，故采用普通上鉆取芯工藝。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

使用∮91 復(fù)合片鉆頭開孔，然后下入∮89 套管做為井口管，再換用∮42金剛石鉆頭，連接鉆具、鉆桿使用泥漿鉆進上鉆取芯。

3.3 工藝過程

干燒開孔——下套管（2m 以上）——地面配好鉆具——調(diào)好泥漿性能——下鉆——開泵送泥漿——鉆進——卡斷巖心——上鉆取芯——記錄——下鉆——繼續(xù)鉆進、加桿鉆進…。

3.4 鉆進參數(shù)

轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵量要視設(shè)備情況、實鉆地層性質(zhì)、井底使用的鉆頭類型、進尺速度合理調(diào)整確定，不同的鉆進技術(shù)參數(shù)對巖（礦）心采取質(zhì)量有很大的影響。因此，對鉆進技術(shù)參數(shù)選擇，既要考慮提高鉆進速度的要求也要考慮取芯的要求。

（1）轉(zhuǎn)速是提高鉆速的主導(dǎo)因素，是影響取芯效率的關(guān)鍵因素。一般情況下，鉆速隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速過高，鉆具受離心力作用大，其振動、擺動也大，轉(zhuǎn)速過低，則鉆速也低，同時轉(zhuǎn)速的提高又受設(shè)備的能力、鉆桿柱的強度及孔內(nèi)情況的影響，且隨鉆速的增加，泵量必須與之相適應(yīng)。泵量過小，排粉不凈，導(dǎo)致孔底巖粉淤積，巖屑重復(fù)破碎，鉆頭冷卻不良，引起燒鉆；泵量過大，又易沖毀巖心，造成回次取芯率低。

（2）鉆壓在金剛石鉆進中是輔助要素，切忌靠盲目增加鉆壓取得鉆速。使用時加在鉆頭上的壓力必須高于所鉆地層巖石的抗壓強度，而低于金剛石本身的抗壓強度。鉆壓過低，鉆頭浮在巖層面上，不能形成對巖石的體積破碎；鉆壓過高，易造成孔斜，同時還受鉆具、鉆桿強度的限制。

（3）金剛石鉆進取芯時，因井底面積大，破碎下來的巖屑多，所以需要加大的泵量，泵量越大，流速增加，沖刷力也大；但是不能過大，泵量過大會造成鉆具內(nèi)壓高而降低鉆進壓力，同時增加鉆具振動，降低孔內(nèi)井壁穩(wěn)定，易造成孔內(nèi)坍塌等事故，泵量過低會造成井內(nèi)巖粉排不干凈，產(chǎn)生多次研磨，降低鉆頭壽命，嚴(yán)重時出現(xiàn)包鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故，因此要根據(jù)孔內(nèi)情況選擇合適的循環(huán)方式。

3.5 泥漿的使用

泥漿體系的選擇及性能的好壞，直接關(guān)系到鉆進成孔過程的順利與否。泥漿體系必須有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆進，有利于取全取準(zhǔn)地質(zhì)和工程等資料，有利于發(fā)現(xiàn)和保護礦層，有利于減少對鉆具套管及設(shè)備的腐蝕，有利于環(huán)境保護。泥漿體系一般分為清水潤滑沖洗液、無固相聚合物沖洗液、低密度流體沖洗液等。清水適合于孔壁穩(wěn)定、低速轉(zhuǎn)及淺孔施工，清水沖孔，能快速冷卻鉆具，鉆進效率較高，但對孔壁無保護作用，對鉆具潤滑性較差；潤滑沖洗液適用于高轉(zhuǎn)速深孔鉆進，泥漿沖洗液應(yīng)用于孔壁不穩(wěn)定的鉆孔和鉆速快、巖粉多且顆粒粗的鉆孔；無固相聚合物沖洗液是高分子聚合物的水溶液，具有膠結(jié)護壁好、相對密度小、鉆速高等特點，應(yīng)用廣泛；低密度流體沖洗液主要用于缺少地區(qū)和鉆孔沖洗液嚴(yán)重漏失的地層。

圖2 下入井口鉆桿示意圖

本地區(qū)開孔使用清水灌澆鉆頭，下入套管后使用泥漿。配方：1m3水+20 公斤膨潤土+1 公斤CMC（甲方現(xiàn)場只2 種泥漿材料）。此配方較簡單，現(xiàn)場使用便于維護，基本可以滿足地層使用。

按配方配制時，先把土充分水化，CMC 充分溶解配成膠液，然后在攪拌桶中充分?jǐn)嚢?，使之性能達(dá)到比重1.3g/cm3，粘度26s 左右，失水量20ml/h。

注意：每次取芯上鉆過程中必須進行注漿操作，防止抽垮地層；每次停轉(zhuǎn)等待過程中，必須對井內(nèi)進行灌漿作業(yè)，穩(wěn)定井壁。

4 工程案例

Zk1605 鉆孔事故處理經(jīng)過：

8 月12 日下午13 時1605 孔下套管3.9m 后換46mm 鉆具加桿鉆進，井內(nèi)開始返上紅色泥土水，繼續(xù)鉆進加桿鉆至11.25 米，井內(nèi)返上粗顆粒砂巖巖粉，繼續(xù)使用清水鉆進。

14 時30 分加桿鉆進至13.25m，井內(nèi)粗顆粒砂巖巖粉大量返上，單根鉆至井底15.95m，拉上導(dǎo)桿，停泵，解鉆桿，上拉單根2.25m，接上立根4.5m，下鉆至加桿鉆桿離井口1m 處遇阻，班長強力抽拉，來回上下至井口30cm 無法下鉆，亦無法上鉆。

15 時加大泵量，勉強合車（井口距離不夠）強力轉(zhuǎn)動，3min后水泵調(diào)壓閥打開自動泄壓，動力柴油機熄火。

15 時30 分，合車不開泵空轉(zhuǎn)，根據(jù)導(dǎo)桿長度計算，鉆具距離井底65cm，來回反復(fù)轉(zhuǎn)、停，轉(zhuǎn)拉，轉(zhuǎn)頂，因?qū)U油缸無有效上頂標(biāo)尺，20min 后無效果，熄火解開導(dǎo)桿。

16 時，用卷揚機向上拉緊鉆桿，眾人合力搬動管鉗上盤井內(nèi)鉆桿，邊用鋼絲繩向上拉邊用加力管鉗繼續(xù)轉(zhuǎn)動，30min 后鉆桿上升16cm，離開井口46cm，后無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動，亦無法拉動。

17 時，從礦部拿來20 噸千斤頂2 個，用木板兩邊搭好支架，保證鉆桿受力平衡，用墊插支撐受力，經(jīng)過多次嘗試，向上頂出鉆桿50cm，此時鉆桿距離井口96cm。

13 日上午7 時，繼續(xù)用千斤頂提升鉆桿10cm，后反彈無法繼續(xù)，亦無法人力轉(zhuǎn)動。

8 時，經(jīng)過丈量判斷鉆桿4.5m 下部已進入井口套管（下套管3.9m）,故在井口用管鉗反轉(zhuǎn)，在井下解開鉆桿，上鉆后發(fā)現(xiàn)從井下第二根鉆桿扣處解開，此時井內(nèi)留一根鉆桿4.5m 和鉆具2m。

9 時，現(xiàn)場果斷決定下鉆。換用單根2.25m 加一根4.5m 鉆桿，合車連接主動鉆桿（導(dǎo)桿4.2m），計算機上殘尺剩余1.45m（鉆桿絲扣0.04m），做好紅色標(biāo)記，緩慢下鉆到底。

10 時，井口異響鉆桿接觸，人力緩慢轉(zhuǎn)動上扣，后用鋼絲繩上拉，反復(fù)多次嘗試，柴油機憋車，判斷井下對口成功。迅速開水泵，打壓至2kg/m2，水泵穩(wěn)定，持續(xù)5min后，半離合狀態(tài)慢轉(zhuǎn)，控制不能反轉(zhuǎn)，反復(fù)10min 后，井底水路通，地面返上砂粒，繼續(xù)沖井底15min 后，快速上鉆，井內(nèi)鉆桿、鉆具全部拉上來，從鉆桿壁磨損情況判斷井底4.8m 以下全部砂粒，鉆桿平口臺階已經(jīng)磨平，鉆具外管全部磨光。

當(dāng)日11 時，清洗鉆具，整理機場，井內(nèi)事故處理成功。

5 施工經(jīng)驗及建議

5.1 普鉆優(yōu)點

該地區(qū)0m ～5m 為硬質(zhì)錳礦石，上部為紅色黏土層，下段為松散石英砂巖層，在泥土層和松散層段，孔徑擴大，易斷鉆桿，這恰恰是普鉆的優(yōu)點，鉆進效率高，事故率低。

普通取芯鉆進適宜鉆進易風(fēng)化砂泥巖等軟弱地層、巖芯破碎的復(fù)雜地層，鉆進效率比繩索取芯鉆進高，泥巖縮徑影響不大，孔內(nèi)事故便于處理?？摄@性1 級～5 級地層，效率很高；對粘度、固相要求不高，鉆桿為地質(zhì)專用管材、加工精度不高、易彎曲，成本較低。

5.2 普鉆缺點

輔助時間長，頻繁上下鉆勞動強度大；受取芯管長度限制，不能較大間斷連續(xù)取芯；受鉆桿尺度影響，不能滿眼鉆進，孔深和采取率均受影響。

圖3 鉆桿平口臺階磨平圖

圖4 清洗前后鉆具圖

鉆進硬地層效率低，鉆頭壽命短，易孔斜，勞動強度大，采取率低，鉆探成本高。

普鉆多采用單層巖心管、泥漿直接沖蝕巖芯、采取率不高；多采用合金鉆頭，鉆頭破碎巖石振動大、巖心易碎、易堵；卡料卡取或干燒法取芯，巖心易脫落，成功率不高；每回次提鉆、振動大、泥漿壓力等因素影響下巖心易脫落，輔助時間長、勞動強度大；對孔壁破壞較大，易孔斜，孔內(nèi)事故率高。

5.3 建議

（1）根據(jù)地層具體情況選擇合適的鉆井類型，目前較先進的是繩索取芯鉆進，也可采用普鉆與繩索取芯相結(jié)合的方法，可以提高鉆進效率。

（2）鉆探施工現(xiàn)場切忌用清水鉆進，重視泥漿技術(shù)，特別是復(fù)雜地層。（3）機場應(yīng)配備常用的事故處理工具，如絲錐、套銑鉆頭等。（4）鉆探施工過程中，根據(jù)實際情況選取合適的鉆進參數(shù)和泥漿配比方案，預(yù)防孔內(nèi)事故。

（5）處理井內(nèi)事故必須頭腦冷靜、思路清晰，切忌盲目蠻干。

6 結(jié)語

鉆探工程屬于地下施工工程，鉆孔地下各種復(fù)雜情況隨時會發(fā)生并影響工程質(zhì)量和進度，做好孔內(nèi)事故的預(yù)防工作，采取有效可行的預(yù)防措施，對地層情況進行全面分析，制定合理可行的施工組織技術(shù)方案，經(jīng)常檢測泥漿各項指標(biāo)和檢查設(shè)備運轉(zhuǎn)情況，多觀察鉆進過程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，確保精心組織、精心施工減少和避免事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

普鉆涉及的面比較廣泛，它不僅僅能夠適應(yīng)于提鉆取心的固體巖心鉆探工作，還適應(yīng)工建勘查、道橋工程、鈾勘、水井等等較大口徑鉆孔的施工。無論何種鉆探取芯方法，都是利用各種施工技術(shù)和方案，不斷提高預(yù)防和處理事故的技術(shù)水平。對于復(fù)雜地層沒有唯一或者萬能的解決辦法，只有根據(jù)實際情況和現(xiàn)場處理工具水平，采取最行之有效的方案解決處理問題，以上是我針對該地區(qū)該鉆孔的一些方法和現(xiàn)場經(jīng)驗，與同行們交流分享。