錢書偉,張紹和,李 鋒,劉 杰
(1.北京中資環(huán)鉆探有限公司,北京100012;2.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙410083)
在巖心鉆探中,經(jīng)常會遇到極破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層。這類地層巖石破碎、松軟,在進入內(nèi)管前往往易被沖洗液沖蝕,進入內(nèi)管后也常常因卡簧卡不牢在打撈時掉落造成空管。國內(nèi)鉆探工作者已經(jīng)對該類地層鉆探取心技術(shù)進行了大量的研究,如各種取樣器的研制,繩索取心鉆具的推廣,單管、單管噴反、雙管以及無泵鉆具的使用,都提高了巖心鉆探的取心質(zhì)量,但巖心采取率仍然不能令人滿意[1]。針對該問題,本文以貴州道真新民鋁土礦礦區(qū)鉆探工作為例,討論了解決該類問題的技術(shù)方法。
貴州道真新民鋁土礦礦區(qū)地層自上而下為灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、鋁土礦層。上覆灰?guī)r地層風化強烈,并受擠壓后斷裂、裂隙和溶洞發(fā)育,巖石非常破碎,地層極不穩(wěn)定,鉆孔頻繁垮塌,容易發(fā)生卡鉆和埋鉆等孔內(nèi)事故,甚至經(jīng)常出現(xiàn)提鉆后“封門”現(xiàn)象。礦層頂板為炭質(zhì)泥巖,破碎,易垮塌,構(gòu)成對礦層巖心的嚴重污染。鋁土礦結(jié)構(gòu)疏松,硬度低,而且呈脆性,在鉆進中容易被碾碎,遇水形成泥糊,從而被沖洗液沖蝕,導(dǎo)致取心困難[2]。
前期完成的13個鉆孔中,礦心采取率勉強滿足地質(zhì)設(shè)計要求的僅有50%,臺月效率不到100 m,鉆探直接成本超過了1000元/m。
針對鉆探工程中出現(xiàn)的諸多技術(shù)難題,我們開展了“道真新民鋁土礦復(fù)雜地層綜合鉆探工藝研究”,采取各種施工方法,使用自行研制的繩索取心無泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝,取得了很好的效果。
道真新民鋁土礦礦區(qū)鉆探施工存在3大問題,即護壁困難、取心率低和礦心污染。因地層巖石破碎、軟弱,造成孔壁極不穩(wěn)定,提鉆后往往“封門”;另外由于巖石破碎、軟弱,巖心往往在進入內(nèi)管前就被沖洗液沖蝕,進入內(nèi)管的巖心也往往卡不牢,打撈巖心時在重力和內(nèi)管上部水壓的作用下脫落;該區(qū)的鋁土礦為土狀、灰白色,其上部是一層破碎的炭質(zhì)灰?guī)r,黑色,炭質(zhì)灰?guī)r坍塌后對礦心造成明顯污染,影響地質(zhì)編錄和評價[3]。
2.1.1 泥漿護壁
對于返水孔,采用泥漿護壁。為了提高護壁效果和鉆進效率,泥漿中的固相含量盡量少,所以采用造漿性能好的膨潤土,原漿的粘土含量控制在3%~5%。選擇中等分子量(300~500萬)的HPAM,既具護壁、提粘作用,又有選擇性絮凝作用;選用Na-CMC或水解聚丙烯腈降失水;同時加入少量天然植物膠和防塌劑。為了解決金剛石鉆進中鉆具鉆頭的潤滑問題,在上述泥漿中加入0.5% ~1%的皂化油或潤滑劑。
2.1.2 跟管鉆進
有的孔孔壁極不穩(wěn)定,漏失嚴重,泥漿護壁失效,則采取跟管鉆進工藝。每鉆進2~5 m,發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)有坍塌跡象時,即將套管(或大一級的繩索鉆桿)跟到孔底,再繼續(xù)鉆進。
2.1.3 水泥護壁
淺部地層可考慮套管護壁,但深部或受井徑限制的井段,必須進行人工造壁,較為簡單有效的護壁措施是灌注水泥漿液。水泥漿液凝固以后能形成較高強度的結(jié)石,與井壁具有良好的膠結(jié)性能,形成的新井壁具有一定的堅固性和持久性。為減少待凝時間,漿液中加一定比例的速凝劑[4]。
2.2.1 取心困難原因
(1)鋁土礦為土狀礦,軟弱,易被沖蝕。采用普通繩索取心鉆具取心,沖洗液出卡簧座下行時與進入鉆頭的巖心相遇而把巖心沖蝕掉。
(2)因巖石破碎、軟弱,進入內(nèi)管的巖心無法被卡簧卡住,打撈內(nèi)管時巖心在重力作用下掉落。
(3)礦層或破碎地層中,回次進尺一般為0.5~1.0 m,而普通內(nèi)管長度為3 m,內(nèi)管中巖礦心上部的水產(chǎn)生的壓力也會將巖心壓出內(nèi)管[5]。
2.2.2 取心措施
2.2.2.1 干燒
鉆進時盡量減小水量,以減小沖洗液對巖心的沖蝕。取心前停水干鉆5 min,再打撈內(nèi)管?;蚋纱嗖凰退摄@,為避免燒鉆,輕壓慢轉(zhuǎn),隔幾分鐘提動一下鉆具。
這種辦法比較老,在該礦區(qū)效果也不錯,取心率可達到85%以上,但巖心的原生結(jié)構(gòu)被破壞了,地質(zhì)工作者對此不太滿意。
2.2.2.2 繩索取心無泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝
為提高巖心采取率,我們研制了繩索取心無泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合鉆具,用這種組合鉆具工藝鉆進取得了很好的效果[6]。
如圖1所示,這種鉆具的內(nèi)管總成由繩索取心鉆具內(nèi)管總成除去內(nèi)管和卡簧座、卡簧,換接繩索取心無泵鉆具內(nèi)管及無泵接手,內(nèi)管由2節(jié)組成,下節(jié)1 m長,上下兩節(jié)內(nèi)管由無泵接手連接,上下內(nèi)管加無泵接手總長與普通繩索取心內(nèi)管長度一樣,這樣,可在不提大鉆的前提下實現(xiàn)普通繩索取心鉆具和繩索取心無泵鉆具的互換;外管總成不變,只把普通鉆頭換成超前側(cè)噴鉆頭。
圖1 無泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)圖
超前側(cè)噴鉆頭改變了沖洗液的流向,沖洗液從鉆頭側(cè)面噴出,保證了進入鉆頭的巖礦心不被沖蝕;鉆頭超前部分罩住尚未進入鉆頭的巖礦心,同時減弱了沖洗液的流速,有效地保護了鉆頭前部的巖礦石。
減短了內(nèi)管長度,又用無泵接手隔離了上部的水,大大減小了巖礦心上部的水壓,能有效提高采取率。無泵接手使下內(nèi)管處于密封狀態(tài),當巖礦心下滑時上部即形成負壓對巖其產(chǎn)生吸力,阻止其下滑。
在破碎、軟弱地層中鉆進取心,卡簧實際上已失去了作用。爪簧在巖心上行時張開,下行時收攏,保證巖心只能進不能出。
把無泵鉆具和繩索取心鉆具合二為一,既可提高巖礦心采取率,又可提高鉆進效率,穩(wěn)定孔壁,減輕勞動強度。
2.2.2.3 無泵反循環(huán)超前側(cè)噴繩索取心鉆具使用方法
(1)繩索取心無泵鉆進。當遇到極破碎、軟弱易沖蝕地層時,將內(nèi)管總成打撈上來,換成繩索取心無泵鉆具內(nèi)管總成(鉆頭可用普通繩索取心鉆頭)進行無泵鉆進。
無泵鉆進不用水泵送水,通過鉆具上下串動及無泵接手的作用在孔底形成局部反循環(huán)。無泵鉆進的鉆進參數(shù)是鉆壓、轉(zhuǎn)速、串動頻率和串動高度。鉆壓不宜過大,一般為2~4 kN,否則可能造成巖心堵塞或糊鉆。轉(zhuǎn)速也不宜過快,以便保護巖礦心,一般在100~200 r/min。串動頻率一般為5~10次/min,串動高度一般為15~20 cm,視孔底巖粉多少和孔壁穩(wěn)定程度而定。鉆進過程中要不停地串動鉆具,并且快提快落,以增強反循環(huán)的抽吸效果。鉆進結(jié)束,用打撈器打撈內(nèi)管取心。
通過鉆具上下串動形成孔底局部反循環(huán),由于極破碎巖層中存在粒徑接近內(nèi)外管環(huán)狀間隙的細小顆粒,如果進入內(nèi)外管間隙,會導(dǎo)致內(nèi)外管機械摩擦增大,甚至內(nèi)管完全卡死無法打撈。防堵錐網(wǎng)可以有效的隔離這些細小顆粒,把它們過濾在內(nèi)管之中,從而提高鉆具的壽命,防止卡內(nèi)管。
采用繩索取心無泵鉆進能很好地保證取心率,不需提大鉆。但進尺較慢且要求孔內(nèi)水位必須高于無泵接手1~3 m,否則無法形成孔底局部反循環(huán)。
(2)超前側(cè)噴鉆頭+繩索取心無泵鉆具鉆進。當遇到極破碎、軟弱易沖蝕地層時,普通繩索取心鉆進因沖洗液對巖礦心的沖蝕大,巖礦心在進入內(nèi)管前就被沖蝕,造成取心率低;繩索取心無泵鉆進進尺較慢,且孔內(nèi)水位太低時不能實施。在這種情況下,可用繩索取心無泵鉆具+超前側(cè)噴鉆頭組合工藝,用正常的鉆進參數(shù)鉆進。
用這種組合工藝技術(shù)滿足了在極破碎、軟弱地層中施工提高取心率的需要,在不需增加鉆探設(shè)備和實施繩索取心鉆進工藝的前提下,采取率達到95%以上。
該區(qū)的鋁土礦為土狀、灰白色,其上部是一層破碎的炭質(zhì)灰?guī)r,黑色。炭質(zhì)灰?guī)r坍塌后對礦層造成明顯污染,影響地質(zhì)編錄和評價。
為避免礦心污染,我們采取了以下措施。
2.3.1 孔底打撈巖礦心
進入礦層后,加鉆桿和打撈巖心時都保持鉆頭不離開孔底。只要鉆頭不離開孔底,上部圍巖即使掉塊也進不到礦心里面去,從而可保證礦心不被污染。有2個辦法可實現(xiàn)孔底加鉆桿和取心。
辦法一:用繩索取心鉆桿做主動鉆桿,加鉆桿和打撈巖礦心時卸掉水接頭,從主動鉆桿上部加鉆桿和下打撈器打撈。
辦法二:準備2~4根1 m長的短鉆桿,10個鉆桿公母接手,一個易反接手。一進入礦層就將易反接手接到主動鉆桿下面(礦層以上返出的沖洗液為黑色,一進入礦層就變成乳白色),以后通過短鉆桿、鉆桿接手、易反接手調(diào)節(jié)鉆桿長度,保持主動鉆桿不進入地面以下,則鉆頭就可以不離開孔底。
具體操作方法:剛進入含礦層,即將主動鉆桿提出地面,卸掉主動鉆桿,加易反接手和短鉆桿、鉆桿接手,使主動鉆桿處于最高位置,繼續(xù)鉆進。當主動鉆桿到孔口后,卸掉主動鉆桿,加3~4個鉆桿接手繼續(xù)鉆進。當易反接手以上的接手總長超過1 m后,孔內(nèi)反出易反接手,卸下鉆桿接手,用1 m的短鉆桿替換鉆桿接手;當易反接手以上的短鉆桿和接手總長超過3 m后,孔內(nèi)反出易反接手,換3 m的鉆桿,易反接手接到新加的3 m長鉆桿的上部。如此操作,直到打穿含礦層。
2.3.2 先護壁再鉆進
施工到含礦層頂板后,提出鉆具,用套管或水泥保護好上部孔壁后再鉆進含礦層。這樣,礦層上部的圍巖已保護好,不會產(chǎn)生掉塊污染下部的礦心。
巖心鉆探中有很多的施工方法和工藝,每種方法都有其適應(yīng)范圍,沒有一種方法能適應(yīng)所有的地層,特殊地層應(yīng)用特殊的施工方法。
針對道真礦區(qū)的破碎、軟弱易沖蝕地層,我們采取以上施工方法取得明顯的效果,平均臺月效率從100 m提高到300多米,巖礦心采取率達85%以上,大大降低了鉆探成本。
[1]李世忠.鉆探工藝學(中冊)[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.
[2]胡郁樂,張紹和.鉆探事故預(yù)防與處理知識問答[M].湖南長沙:中南大學出版社,2009.
[3](91)中色地字第0831號,巖心鉆探技術(shù)規(guī)程[S].
[4]錢書偉,王如春.巖心鉆探水下灌注水泥方法探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(1):18-21.
[5]柯玉軍.嚴重漏失破碎地層鉆孔綜合施工方法及效果[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2009,36(10):34-38.
[6]張紹和,錢書偉,都志斌,等.一種適用于極破碎、軟弱地層的取心鉆具:中國,CN201220098821.X[P].2012-10-24.