鉆探施工論文:鉆探施工工藝研究
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本文作者：劉亞斌作者單位：青海省第一地質礦產勘查院
(1)上巖組斑點狀碳質絹云千枚巖、碳質絹云千枚巖層理發育，巖石傾角大，硬度低，其構造破碎帶巖石酥松破碎，且有長度不均的黑色泥質巖段。在這種巖體中形成鉆孔后，巖體原始的力學平衡狀態被破壞，若鉆孔傾角大，受重力作用，以及泥漿沖刷、提下鉆的抽吸作用，鉆進過程中易出現坍塌掉塊、縮徑現象，成孔困難，巖心堵塞現象十分嚴重，取心難度大、采取率低。(2)下巖組白云石大理巖和條帶狀白云石大理巖硅化嚴重，巖石堅硬完整致密，研磨性低，可鉆性級別高，鉆效低。
鉆探工程要求
全孔巖心采取率不低于95%;終孔直徑不小于96mm(HQ);鉆孔設計頂角30～40°，每30m及終孔測斜一次。頂角每百米允許誤差為3°，方位角每百米允許誤差為5°。
主要施工工藝
1鉆探設備
使用寶長年公司生產的LF70全液壓動力頭鉆機，配備額定壓力7.0Mpa的全液壓泥漿泵。LF70鉆機使用96mm(HQ)口徑，施工時理論鉆進能力為542m，鉆機可鉆進頂角范圍0～45°內的任意鉆孔，非常適合礦區大角度鉆孔的鉆探施工。為了彌補鉆機處理事故強力起拔能力低的弱點，現場配備了液壓千斤頂，起拔能力75t。
2孔身結構
全孔繩索取心鉆進。使用122mm(PQ)口徑開孔，下108mm套管隔住第四系，以96mm口徑終孔。下套管過程中，在108mm套管入巖部分的外壁上涂抹黃油，并密封好孔口，為便于終孔后起拔套管。
3鉆進參數選擇
鉆壓:孕鑲金剛石繩索取心鉆頭壓力的確定，按照單位壓力40～80kg/cm2計算。寶長年LF70鉆機孔底壓力的確定需要讀到鉆壓表上的兩個數值。開始鉆進時，將油缸慢速給進控制閥至于鉆進位置，鉆具緩慢回轉向孔底接近但未接觸孔底時(懸吊狀態)，鉆壓表顯示的值為孔內鉆具總重量與油缸下行給進力之和。當鉆頭完全接觸孔底時，由于存在地層反作用力，鉆壓表顯示的數值會減小為另一個值，這兩個數值的差值稱為失壓值，失壓值乘以油缸有效面積(45cm2)即為孔底鉆壓。一般來說，在一定范圍內鉆速是隨著鉆壓的增大而增加的，但與此同時，單位進尺金剛石的耗量也隨鉆壓的增大而增大［1］。過大的鉆壓會使金剛石耗量急劇增大，導致鉆頭使用壽命降低，影響繩索取心工藝優勢的發揮。轉速:金剛石鉆進是以高切削頻率表面疲勞破碎和小體積量體積破碎為主要碎巖機理，所以轉速是金剛石鉆進工藝中保證鉆進效率的重要因素。對于轉速的確定，按普通金剛石鉆頭鉆進的圓周速度(孕鑲鉆頭1.5～3.0m/s)計算轉速。根據地層情況，巖石完整時，可適當開較高的轉速，當地層復雜時，要將轉速控制在一定的范圍內。泵量:繩索取心鉆進時鉆柱與孔壁之間的環空間隙小，沖洗液上返流速快，加之孕鑲金剛石鉆頭所切削出的巖屑粒徑極小，所以一般而言，泵量的大小只要保證鉆頭冷卻、能夠排出巖屑即可，過大的泵量除了會抵消一定的鉆壓以外，還極易沖垮松散破碎地層，導致巖心缺失，不利于鉆進。鉆進參數的具體選擇可參見表1。
4沖洗液的配制及維護
根據鉆孔在不同孔段巖層變化及孔壁的完整程度，及時、靈活、有效地選用和調配使用不同類型和性能的沖洗液，并適時做好沖洗液的凈化、監控及維護管理工作，是保證順利鉆進的首要條件［2］。開孔鉆進第四系覆蓋層時，沖洗液配方為1m3水+2%磺化瀝青(DLSAS)+2‰PAM。通過現場使用發現，DLSAS在覆蓋層巖心表面形成一層薄而韌的泥皮，巖心自內管取出時幾乎為一個整體，證明DLSAS具有極佳的防塌護壁護心效果。鉆進完整地層時，使用無固相沖洗液，配方為1m3水+1‰～2‰PAM。使用無固相沖洗液時，常由于巖屑沉淀不佳而導致沉淀箱中的沖洗液變成巖粉漿，從而導致泵壓高、孔內巖粉無法排出，甚至發生燒鉆事故，影響正常鉆進。現場解決這個問題的方法除了合理布置地面循環系統外，還應要求班組勤換沖洗液，勤加清理沉淀箱以保證正常鉆進。鉆進酥松破碎、膠結性差、縮徑等遇水不穩定地層時，對沖洗液的要求更高。要保證沖洗液失水量低、一定的粘度、良好的抑制性和剪切稀釋性。現場使用腐植酸鉀(KHm)－磺化瀝青(DLSAS)－高效植物膠復合低固相泥漿作為復雜地層沖洗液，配方為4%鈉土+1‰HV－CMC+4‰KHm+1%DLSAS+2‰植物膠。在配置時，按照先無機、后有機的順序加入，并保證有充足的攪拌時間。該配方在鉆進酥松破碎的碳質絹云千枚巖時取得了理想的應用效果。此外，鉆進時，將轉速控制在400r∕min之內，將有效消除鉆桿內固相顆粒掛壁結垢問題。設置沖洗液循環系統時，要保證循環槽的長度、坡度及檔板數量。防止沖洗液在循環槽中流速過高、沖洗液所攜帶的巖粉無法通過降速與結構破壞作用而順利的凈化沉除［3］。
5鉆孔漏失治理
在勘探區上下兩巖組的鉆進過程中，均出現了不同程度的漏失情況，我們以“預防為主，隨鉆堵漏”作為解決鉆孔漏失的主導思想，以801堵漏劑作為主要堵漏材料，根據經驗，提前判斷漏失層位，在沖洗液中加入一定量的801隨鉆堵漏劑預防漏失。當出現鉆孔漏失時，視漏失量的大小，加入1%～4%的801隨鉆堵漏劑，1%的磺化瀝青粉，并增加PAM的含量，配置成高粘漿液隨鉆堵漏。在勘探區使用該方法進行鉆孔漏失的治理，實用性與經濟性俱佳。
6鉆頭的使用
根據在礦區地層巖石硬度、研磨性及完整度，并結合實際使用經驗，基本以8#Q系列繩索取心半合管底噴鉆頭作為主打鉆頭。在厚度較大、完整、硅化嚴重的白云質大理巖及白云質條帶狀大理巖時，則選用胎體硬度較低的10#鉆頭，底唇面均為尖齒環形。使用新金剛石鉆頭時要進行初磨，一般先輕壓(正常鉆壓的1/3以內)、慢轉(200r/min左右)5～10min，再采用正常鉆進參數進行鉆進。在每個回次鉆進開始時，也要對鉆頭進行磨銳。
7測斜與巖心定向技術
使用單點照相測斜儀，儀器羅盤技術參數:斜孔方位角0～360°，傾角0～90°，直孔方位角0～360°，傾角0～90°。該儀器具有結構簡單、使用方便、測量精確度高等特點。為便于測斜，在測斜儀外保護管上焊接了可以直接與打撈器鋼絲繩接頭連接的母扣，有效減少了測斜輔助時間。為了適合在斜孔內測量，在測斜儀外保護管上部加工了扶正器，使測斜儀可以探出鉆頭并懸吊在鉆頭內臺階處進行測量，保證了測量數據的準確性。2011年，使用HQ\HQ3ActⅡ型隨鉆巖心定向儀，共完成鉆孔60個，在其中57個鉆孔共3848個回次進行了巖心定向，有3472個回次定向操作成功，巖心定向成功率達到了90%。該儀器是設計與HQ\HQ3繩索取心鉆具配合在斜孔中使用的巖心定向儀器，當HQ3口徑鉆進時可以通過連接在內管總成上的ACT測量儀器(定向工作儀)進行巖心定向測量工作，回次鉆進結束后將內管打撈起來，使用地表控制儀器與ACT測量儀器對接，經過數據對比后可確定出巖心管內巖心在孔內原始狀態下重力低邊的位置，從而完成對巖心實際空間產狀的測量。每套儀器可配備兩套HQ3內管總成使用，除增加一定的操作輔助時間外，對鉆進深度和純進尺速度沒有任何影響。
8上巖組酥松破碎、斷層泥巖段施工工藝
使用HQ3半合管+底噴鉆頭鉆進工藝。在使用時，內管與鉆頭臺階的距離要小于普通繩索取心內管與鉆頭臺階的距離，在1mm以內，保證足夠的沖洗液由鉆頭底面噴嘴流出，不會沖刷巖心導致巖心缺失;在取心率低的地層采用短回次(0.5～1.0m)、低參數鉆進(鉆壓≯10kN，轉速≯400r∕min，泵量≯70L∕min)，以保證采取率;發生巖心堵塞要立即打撈內管，保證巖心不磨損、不燒鉆;起下鉆速度要均勻，不可猛起猛放，下鉆時，應先下外管，再下內管，以防止抽吸壓力過大從而增加孔壁失穩的可能性，保證孔壁穩定;使用腐植酸鉀(KHm)－磺化瀝青(DLSAS)–高效植物膠、復合低固相泥漿為沖洗液，并保證沖洗液的性能，嚴禁與PAM無固相沖洗液在裸眼狀態下頻繁更替使用;及時回灌沖洗液，保證液柱壓力能夠平衡孔壁應力;
9下巖組硬巖層施工工藝
使用胎體硬度相對較軟的10#鉆頭鉆進。適當加大鉆壓強迫鉆頭進尺，迫使胎體磨損金剛石出露，待正常后立即恢復原來鉆壓，但要注意過度加壓會導致鉆孔彎曲度增加;磨料選用機場周圍挑選的未風化的石英巖，碎至6～7cm3，一般一次投入10～15粒，保證孔底壓力12kN左右，低轉速、小泵量，10～20轉后將鉆頭提離孔底，反復8～10次后再正常給水鉆進［4］。孔底磨鉆頭法效果明顯，但鉆頭磨損很快，使用需慎重，且輔助時間長、成本高，投入時應將磨料逐一投入，不可一次性全部投入，以免在鉆桿內架橋。
結語
(1)在青龍灘勘探區的鉆探施工中，通過加強鉆探技術的優化和改進，采用有效、合理的技術措施，相繼解決了硬巖鉆進、鉆孔坍塌、松散破碎層取心等技術難題，有效降低了孔內事故率，保障了鉆探施工生產。(2)成功應用了巖心定向技術，拓寬了施工技術范圍，增強了施工隊伍的技術能力及市場競爭力。今后將重點解決繩鉆巖心堵塞問題，以求進一步提高鉆進效率。
