PVC-U套管在小口徑科學(xué)實(shí)驗(yàn)孔中的應(yīng)用探討

何玉云，訾 兵，王發(fā)民，曹學(xué)斌，何 林

（1.寧夏核地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

近年來，隨著地質(zhì)勘查技術(shù)手段的發(fā)展，物探測井技術(shù)方法在地質(zhì)勘探領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。以往在鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，為了完成鉆探施工任務(wù)，需要下鋼套管對孔壁進(jìn)行保護(hù)［2］，但是，下入鋼套管對后期物探測井的測量信號(hào)有一定的屏蔽作用［3］，不利于物探儀器在孔內(nèi)正常工作，因此，需要采用一些對物探儀器信號(hào)屏蔽較弱的材料作為鋼材套管的替代材料。PVC（聚氯乙烯）類材質(zhì)的套管在這方面具有一定的適應(yīng)性［4-6］，得到了很好的應(yīng)用。PVC-U（硬聚氯乙烯）是以聚氯乙烯樹脂為主要原料，加入適量的穩(wěn)定劑、潤滑劑、填充劑、增色劑等加工而成。其物化性能優(yōu)良，耐化學(xué)腐蝕，流體阻力小，耐老化，使用壽命長，應(yīng)用成本低。與常規(guī)鋼材質(zhì)地質(zhì)套管相比，PVC-U類材質(zhì)的套管抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低［7-8］，抗沖擊強(qiáng)度低，在地質(zhì)鉆孔淺孔使用時(shí)風(fēng)險(xiǎn)較低，但在中深孔使用時(shí)，對PVC-U套管的材質(zhì)和下管工藝要求較高［9-11］，需要做好前期準(zhǔn)備工作。本文就內(nèi)蒙古棋盤井煤礦區(qū)一口中深孔的PVC-U套管的下管工藝進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 工程基本要求

該工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)，目的是對內(nèi)蒙古棋盤井鎮(zhèn)某礦區(qū)地質(zhì)異常體進(jìn)行探查，查清陷落柱或斷層、構(gòu)造發(fā)育及水文地質(zhì)情況。布置一眼鉆孔（直孔），設(shè)計(jì)深度535 m，覆蓋層及基巖風(fēng)化層為鋼套管，進(jìn)入基巖后為裸孔［12］，按照地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，終孔后全孔下入內(nèi)徑≮70 mm的PVC-U套管，PVC-U套管下入孔內(nèi)設(shè)計(jì)深度后要保持完整、不變形、不破損且能保證瞬變儀器探管（直徑38 mm、長度4 m）安全順利進(jìn)出鉆孔為原則。孔底不能有沉渣，避免PVC-U套管和瞬變儀器探管［13］不能到達(dá)終孔深度。

1.2 地層巖性

地層巖性見表1。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)及地層特點(diǎn)，加之鉆孔布置于地質(zhì)陷落柱的中心位置，地層巖性整體比較破碎。

表1 地層巖性特點(diǎn)Table 1 Formation lithology

1.3 施工難點(diǎn)和注意事項(xiàng)

PVC-U套管在小口徑中深孔中使用較少（常規(guī)采用鋼材質(zhì)地質(zhì)套管），主要因?yàn)榘卜臥VC-U管存在多方面風(fēng)險(xiǎn)隱患：一是PVC-U材質(zhì)密度低（約1.5 g/cm3），鉆孔沖洗液產(chǎn)生的浮力致使PVC-U套管不易下沉安放到位；二是PVC-U套管抗拉強(qiáng)度低，如果地層縮徑或垂直度偏差過大，安放過程中受阻導(dǎo)致下放不到位，上拉提管容易斷裂，同時(shí)如果接頭連接不牢固容易發(fā)生脫節(jié)造成孔內(nèi)事故；三是PVC-U套管抗剪強(qiáng)度低，安放過程如果碰撞沖擊過大，可能造成管壁破損而導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。

該礦區(qū)地層以礫巖為主，夾雜砂巖和砂質(zhì)泥巖，整體上比較破碎，不利于鉆孔孔壁穩(wěn)定，對順利下入PVC-U套管帶來了一定的難度。

為降低以上風(fēng)險(xiǎn)及隱患，開工前研究分析風(fēng)險(xiǎn)隱患產(chǎn)生的原因，針對每個(gè)工序制定防范措施和工藝方法，保證PVC-U套管一次安放到位。

2 施工過程及技術(shù)措施

2.1 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

該鉆孔采用XY-6B型立軸式鉆機(jī)施工，配備BW260/7型泥漿泵，開鉆時(shí)間2020年6月15日，完鉆時(shí)間7月18日。一開采用?60 mm地質(zhì)鉆桿+? 89 mm單管取心鉆具+?113 mm復(fù)合片取心鉆頭鉆進(jìn)至15 m，提鉆換?190 mm擴(kuò)孔鉆頭［14-15］擴(kuò)孔至15 m，下?146 mm鋼套管；二開換?60 mm地質(zhì)鉆桿+?89 mm單管取心鉆具+?113 mm復(fù)合片取心鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度，繼續(xù)鉆進(jìn)5 m作為砂袋，防止掉塊和巖粉沉降影響套管不能下入孔底的現(xiàn)象發(fā)生。由于受PVC-U管材質(zhì)所限，加之孔深超過500 m，為了防止下套管過程中發(fā)生遇阻等復(fù)雜情況，確保一次下放到位，因此，下入外徑90 mm PVC-U套管之前采用?133 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行了擴(kuò)孔，終孔口徑為133 mm，具體鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Borehole structure

2.2 鉆進(jìn)工藝

為確?？妆诜€(wěn)定和施工過程順利，鉆進(jìn)沖洗液采用北京探礦工程研究所研制的成膜沖洗液體系，該體系護(hù)壁效果良好，有效防止了鉆孔坍塌掉塊，保證鉆孔孔壁穩(wěn)定；同時(shí)，合理控制鉆進(jìn)參數(shù)，確保鉆孔百米垂直度偏差＜1°，降低下管過程中套管壁與孔壁之間的摩擦阻力和碰撞沖擊；終孔后更換沖洗液，調(diào)整沖洗液參數(shù)，含砂量＜3%，沖洗液密度1.04 g/cm3，粘度22～24 s，以降低孔內(nèi)沖洗液對PVC-U套管的浮力和孔底沉渣厚度。

2.3 鉆孔直徑探測

采用?113 mm復(fù)合片取心鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，為確保下套管順利，采用?133 mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行了全孔擴(kuò)孔，采用物探測井測量鉆孔直徑和垂直度，測井結(jié)果顯示，鉆孔傾角為3.8°，鉆孔斷面直徑133～165 mm。鉆孔孔徑曲線見圖2。

圖2 鉆孔孔徑曲線Fig.2 Caliper logging curve of the hole

3 PVC-U套管技術(shù)改造及下管工藝

3.1 PVC-U套管技術(shù)參數(shù)

按照地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，選用的PVC-U套管需能承受1.6 MPa的公稱壓力，且內(nèi)徑≮70 mm，根據(jù)調(diào)研，按照《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》（GB/T 10002.1—2006）國家標(biāo)準(zhǔn)，外徑90 mm的PVC-U管內(nèi)徑為76.6 mm，既可以滿足內(nèi)徑的要求也滿足承壓要求，最終選用外徑90 mm的PVC-U管作為該鉆孔的套管。PVC-U管主要技術(shù)指標(biāo)：外徑90 mm，壁厚6.7 mm，公稱壓力1.6 MPa，彎曲度≤1%，且內(nèi)外表面光滑、無明顯劃傷、凹陷及可見雜質(zhì)，不透光，切割斷面平整。

3.2 PVC-U套管技術(shù)改造

有些地下水監(jiān)測井和水井已經(jīng)開始使用PVCU井管作為成井管材，由于地下水監(jiān)測井和水井的孔徑較大，PVC-U套管選擇余地較大，更容易滿足施工需要。而地質(zhì)巖心鉆探多為小口徑鉆進(jìn)，終孔口徑較小，一般采用鋼管作為套管，PVC-U套管的施工經(jīng)驗(yàn)較少。加之該鉆孔布置在地質(zhì)陷落柱上，鉆遇地層比較破碎，容易出現(xiàn)掉塊和卡鉆現(xiàn)象，因此，對順利完成535 m PVC-U套管下管帶來了一定的難度。由于本次施工采用的是連接類型為R型的PVC-U管，其主要用于建筑垂直給水或地面平鋪給水，使用時(shí)，R型接頭凹槽部位會(huì)安裝橡膠圈，達(dá)到連接固定效果，另外，垂直給水安裝時(shí)PVC-U管是自下而上安裝，并且在墻壁上會(huì)有固定。該連接方式不適合鉆孔內(nèi)使用，故需進(jìn)行一定的技術(shù)改造。

原有PVC-U套管管體外徑90 mm，接頭位置隆起部位最大外徑110 mm，理論環(huán)孔間隙11.5 mm，不利于下入孔徑133 mm的鉆孔，由于地層破碎，繼續(xù)擴(kuò)孔勢必增加施工難度和風(fēng)險(xiǎn)，因此對PVC-U套管接頭進(jìn)行了改進(jìn)。具體做法是用切割機(jī)鋸掉R型接頭，改用內(nèi)徑90 mm、壁厚6 mm、長度100 mm的管箍將套管對接，再用粗砂紙對切掉R型接頭的PVC-U管兩端進(jìn)行打磨處理，以增加摩擦阻力，并涂抹PVC-U專用膠，對接后在接箍段1/4位置均布4個(gè)?5 mm螺釘眼孔，上下兩層共8個(gè)，連接成長度14 m的立根，在下入孔內(nèi)時(shí)在孔口處用12 mm長的M6平頭螺絲固定，提高PVC-U套管連接部位抗拉強(qiáng)度和扭矩并保證連接垂直度。R型PVC-U套管加工改進(jìn)前后實(shí)物見圖3。

圖3 R型PVC-U套管改進(jìn)前后實(shí)物Fig.3 “R” PVC-U casing before and after improvement

改進(jìn)后的PVC-U套管接箍外徑102 mm，鉆孔孔徑133 mm，理論環(huán)空間隙15.5 mm，加之鉆進(jìn)過程中孔壁受到?jīng)_洗液沖刷等因素的影響，實(shí)際孔徑大于理論孔徑，測井結(jié)果顯示，由于地層破碎，部分孔段孔徑明顯增大，因此改進(jìn)后的PVC-U套管能夠滿足孔徑方面的技術(shù)要求。

3.3 下管工藝

為了確保PVC-U套管下管順利，既要考慮鉆孔孔徑是否滿足下管要求，又要考慮PVC-U套管連接是否牢靠，同時(shí)要確保下管全過程PVC-U套管不被破壞，另外還要考慮沖洗液產(chǎn)生的浮力對下入PVC-U套管的影響。滿足孔徑和連接方面的問題已經(jīng)解決，保護(hù)PVC-U套管下入過程不被破壞和平衡沖洗液浮力是后續(xù)需要考慮的主要問題。

（1）在裸眼孔段下入PVC-U套管，由于受孔壁的摩擦，PVC-U套管很容易被撞擊或擠壓，有可能出現(xiàn)“卡鉆”現(xiàn)象，不能確保PVC-U套管完好無損的下入孔底，一旦出現(xiàn)上述情況，需要重新起拔PVC-U套管，起拔后的套管不能二次使用，勢必造成成本的增加，起拔過程遇阻也可能造成PVC-U套管斷裂導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，為此，技術(shù)人員在PVC-U套管前段加工了一個(gè)長度50 cm，最大外徑90 mm，最小外徑60 mm，帶有錐度的尼龍導(dǎo)向錐頭（見圖4），以減少下入PVC-U套管過程中孔壁對套管的刮擦或卡頓。

圖4 尼龍導(dǎo)正錐頭Fig.4 Nylon guide cone head

（2）根據(jù)出廠參數(shù)，PVC-U套管的質(zhì)量為2.734 kg/m，外徑90 mm，壁厚6.7 mm，內(nèi)徑76.6 mm，由此可以計(jì)算出PVC-U套管材料密度為：

式中：ρs——PVC-U套管材料密度，g/cm3；m——PVC-U套管米重，取2.734 kg/m；v——每米PVCU套管的材料體積，m3；d——PVC-U套管直徑，取0.09 m；δ——PVC-U套管壁厚，取0.0067 m。

由上述計(jì)算可知，PVC-U套管材料密度為1.56 g/cm3，終孔后孔內(nèi)沖洗液密度1.04 g/cm3，PVC-U套管材料密度大于沖洗液密度，有利于套管下放。

同時(shí)，為了平衡沖洗液產(chǎn)生的浮力，加工了一根9 m長的“濾水管”（見圖5），每隔15 cm對向打?10 mm小孔，保證PVC-U套管下放過程中沖洗液的內(nèi)外連通，以減少?zèng)_洗液對套管產(chǎn)生的浮力。

圖5 濾水管Fig.5 Screen pipe

（3）在下入PVC-U套管前對沖洗液參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整［16］，此次鉆進(jìn)采用的是北京探礦工程研究所研制的成膜沖洗液體系［17］，設(shè)計(jì)密度1.04～1.07 g/cm3，失水量6～8 mL/30min，該體系性能優(yōu)良，可以有效保護(hù)破碎地層的巖心和孔壁，鉆進(jìn)至540 m時(shí)，測得循環(huán)時(shí)孔口沖洗液密度1.15 g/cm3，重新配置2.0 m3密度1.04 g/cm3沖洗液進(jìn)行循環(huán)換漿，循環(huán)2 h后測得孔口沖洗液密度為1.04 g/cm3。

（4）下管前仔細(xì)檢查每根PVC-U管的質(zhì)量，有破損或裂縫的嚴(yán)禁下入孔內(nèi)。下放過程對準(zhǔn)鉆孔中心，輕拉慢放，以管材自重下沉，如果下放遇阻輕輕回轉(zhuǎn)PVC-U套管，嚴(yán)禁強(qiáng)行下壓。

3.4 套管柱受力情況分析

PVC-U套管柱在孔內(nèi)的受力主要來自套管自重產(chǎn)生的軸向拉力，且軸向拉力在套管柱上自下而上逐漸長大，在孔口處套管所承受的軸向拉力最大，是危險(xiǎn)截面，其拉力用F0表示：

式中：q——套管單位長度的名義重力，取26.79 N/m；L——套管長度，取535 m；F0——井口處套管的軸向拉力，經(jīng)計(jì)算得14.33 kN。

實(shí)際上，套管下入孔內(nèi)是處在沖洗液環(huán)境中，套管要受到?jīng)_洗液的浮力，各處的受力要比在空氣中的拉力小。

因此，考慮浮力時(shí)的拉力Fm為：

式中：ρd——沖洗液密度，取1.04 g/cm3；ρs——PVC-U套管材料密度，取1.56 g/cm3。

通過計(jì)算，套管柱在沖洗液環(huán)境下，孔口處套管承受的最大軸向拉力為4.78 kN。

為了檢驗(yàn)改進(jìn)后的連接方式是否滿足套管柱孔口位置承受的最大軸向拉力，在將PVC-U套管下入孔內(nèi)之前做了現(xiàn)場拉力試驗(yàn)，將兩根改進(jìn)后的PVC-U套管按設(shè)計(jì)方案連接，在鉆機(jī)上進(jìn)行了軸向拉力試驗(yàn)。具體方式是：將連接后的兩根PVC-U套管一端固定在孔口處，一端用夾板固定后用鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)慢慢提升，鉆機(jī)拉力表指針達(dá)到10 kN時(shí)停止拉升，保持2 h完好無損。由此可見，經(jīng)過改進(jìn)后的套管，材質(zhì)及連接方式能避免最大軸向拉力引起的疲勞破壞。

4 應(yīng)用效果探討

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在孔口處用夾板固定PVC-U套管，涂抹PVC-U專用膠，連接后用12 mm平頭螺絲固定，每次連接固定后等待15 min，確保PVC-U專用膠粘結(jié)牢靠，再依次下入孔內(nèi)，下放過程中，完全靠套管自重產(chǎn)生的重力下降，由于沖洗液浮力的影響，套管下降比較緩慢，因此，整個(gè)套管柱受拉力引起的破壞程度大大降低，PVC-U套管下管方式及連接固定見圖6。

圖6 PVC-U套管下管方式及連接固定Fig.6 Running-in-hole mode and connection of PVC-U casing

由于此次采用的是長度7 m的PVC-U套管，為了節(jié)約下管時(shí)間，事先在地面進(jìn)行了對接，每兩根單根對接在一起組成長度14 m的立根，鉆塔二層平臺(tái)高度13.5 m，比較便于人員操作，整個(gè)下管過程耗時(shí)10 h，下入深度535 m，下管過程順利，沒有出現(xiàn)遇阻和卡鉆等復(fù)雜情況。完成PVC-U套管下管工作后，在孔口用夾板固定PVC-U套管，以防止晃動(dòng)，配合科研人員開展了一系列孔內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。完成孔內(nèi)科學(xué)試驗(yàn)后，為了保證礦區(qū)采礦安全，防止發(fā)生透水等事故，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求，對PVC-U套管進(jìn)行了起拔，具體做法是將夾板固定在接箍處，用卷揚(yáng)機(jī)慢慢拉升，邊起拔邊拆卸，整個(gè)起拔過程順利，起拔后按要求對鉆孔進(jìn)行了水泥封孔處理。

5 結(jié)論

（1）采用PVC-U管作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)孔的套管，物探儀器在孔內(nèi)受到的干擾較小，出入安全，具有很好的應(yīng)用前景。

（2）相比鋼套管而言，PVC-U套管抗外擠強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等都比較弱，在小口徑中深孔使用時(shí)，一定要有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)方案。對接頭改進(jìn)并進(jìn)行抗拉強(qiáng)度驗(yàn)證，下管過程中采用尼龍導(dǎo)向錐頭配合“濾水管”的方式，可順利完成小口徑深孔PVC-U套管的下管工作。

（3）給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材可以作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)實(shí)驗(yàn)的保護(hù)套管，能否作為鉆進(jìn)時(shí)保護(hù)孔壁和封堵漏失地層，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。