李曉晨， 陳曉君， 楊宏勝， 黎 波

(1.四川省金核地質(zhì)勘查工程有限公司，四川 成都 610000; 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 礦區(qū)概述

若爾蓋礦區(qū)鈾資源儲(chǔ)量豐富，但是礦區(qū)內(nèi)地層極其復(fù)雜，巖石破碎、松散，且裂隙發(fā)育，局部有斷層泥，一旦鉆至這類地層，就會(huì)出現(xiàn)全漏失，孔壁失穩(wěn)，礦心采取困難等情況，且僅靠頂漏鉆進(jìn)，漿液無法長(zhǎng)期供應(yīng)，泥漿成本極高，受高原氣候條件影響，水泥凝固又極為緩慢，漏失嚴(yán)重，堵漏困難，嚴(yán)重影響鉆探效率。地層漏失一直是礦區(qū)鉆探施工的重大技術(shù)難題，尋找有效、快速解決不同工況下漏失問題技術(shù)方法一直是礦區(qū)鉆探技術(shù)工作的重點(diǎn)。

ZK4-5鉆孔位于礦區(qū)內(nèi)向陽西溝，機(jī)場(chǎng)海拔3845 m，設(shè)計(jì)孔深900 m，設(shè)計(jì)傾角80°，方位角190°。該孔采用XY-5型鉆機(jī)實(shí)施金剛石繩索取心鉆進(jìn)施工。鉆遇地層為羊腸溝組上段(S1y2)，巖性主要為灰黑色硅質(zhì)巖、灰黑色含炭灰?guī)r、深灰色硅質(zhì)灰?guī)r、灰黑色含炭硅質(zhì)灰?guī)r；灰?guī)r中裂隙發(fā)育，巖石較為破碎。鉆孔結(jié)構(gòu)一開?130 mm至60 m，二開?95 mm繩索取心鉆進(jìn)至360 m，漏失嚴(yán)重下?89 mm套管；三開?76 mm繩索取心鉆進(jìn)。在鉆至390.63 m時(shí)，鉆具放空，孔內(nèi)泥漿全漏失，放空段為390.63～391.53、391.80～397.03 m。事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)多次采用水泥漿封堵，但收效甚微。由于二開孔段地層破碎，套管無法拔起，只能現(xiàn)場(chǎng)采用水泥堵漏技術(shù)，對(duì)鉆孔事故段進(jìn)4次封堵，孔內(nèi)水泥塞位于385 m處，但鉆至387 m處仍然處于全漏失狀態(tài)，事故段內(nèi)所取的水泥心塊破碎嚴(yán)重，繼續(xù)向下鉆進(jìn)，在397 m處開始鉆遇巖層，并打撈起完整巖心，繼續(xù)鉆進(jìn)至404 m。為保證后續(xù)鉆進(jìn)的順利，需要在鉆孔結(jié)構(gòu)受限制的條件下解決鉆孔的漏失問題，在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所技術(shù)支持下，應(yīng)用小口徑膨脹波紋管技術(shù)對(duì)該孔的漏失段進(jìn)行封堵。

2 膨脹波紋管工作原理

膨脹波紋管是將圓形管材經(jīng)過冷壓或冷拔產(chǎn)生塑形變形而加工成的波紋管材，在應(yīng)用位置再通過液壓或者機(jī)械壓二次塑形還原成近圓形管材，以此在不改變整體孔徑的條件下封隔復(fù)雜地層的目的。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所自主研發(fā)的小口徑膨脹波紋管護(hù)壁技術(shù)突破了膨脹波紋管成型、選材、小口徑等技術(shù)難題，為地質(zhì)勘探提供了一項(xiàng)理想的鉆孔事故處理方案。

3 膨脹波紋管護(hù)壁設(shè)計(jì)

3.1 膨脹波紋管

ZK4-5孔所采用的膨脹波紋管為10瓣梅花形，壁厚3 mm，原始外徑為70 mm，膨脹后外徑為84～87 mm。

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所取巖心及鉆探班報(bào)表所記錄的鉆進(jìn)反應(yīng)情況，該孔387～390 m的巖心較為破碎，不適合作為波紋管的懸掛段，在考慮后續(xù)施工的穩(wěn)定性后，對(duì)本次波紋管護(hù)壁施工流程為：確定堵漏位置→設(shè)計(jì)波紋管長(zhǎng)度→密封段硫化處理→對(duì)接下入波紋管→堵漏段擴(kuò)孔作業(yè)→液壓膨脹→波紋管切頭去尾→機(jī)械膨脹修整→常規(guī)取心鉆進(jìn)。

膨脹波紋管堵漏位置為387.00～397.50 m；設(shè)計(jì)波紋管護(hù)壁段長(zhǎng)度共計(jì)14 m；孔內(nèi)位置385.3～399.3 m。波紋管上懸掛段位置385.5～387 m，共計(jì)1.5 m，懸掛力>50 kN。波紋管下懸掛段位置397.5～399 m，共計(jì)1.5 m，懸掛力>50 kN。為保證波紋管懸掛的穩(wěn)定性，對(duì)事故孔段上下較為完整的孔段進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度385～400 m，擴(kuò)孔孔徑由?77 mm增加至?89 mm，共計(jì)15 m。該段設(shè)計(jì)示意圖見圖1。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備

XY-5型鉆機(jī)、BW250型泥漿泵、17 m斜直兩用塔、?73 mm繩索鉆桿、波紋管專用下入工具、液壓增壓設(shè)備等。

3.4 施工難點(diǎn)及處理措施

本次施工涉及高原施工、大裂隙、斜孔、全漏失等因素，孔內(nèi)情況相當(dāng)復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解的情況，本次施工難點(diǎn)及處理方案主要有以下幾點(diǎn)。

3.4.1 高原焊接

圖1 ?89/75 mm膨脹波紋管護(hù)壁設(shè)計(jì)示意圖

礦區(qū)地處高原，空氣含氧量較低，可能對(duì)波紋管焊接造成影響。針對(duì)高原焊接的可靠性，需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多組波紋管封堵、對(duì)接焊接實(shí)驗(yàn)。確保焊接可靠性達(dá)到100%方可進(jìn)行施工。

3.4.2 斜孔、大裂隙

受該孔斜孔及大裂隙的影響，給擴(kuò)孔施工及波紋管的下入帶來較大的挑戰(zhàn)，根據(jù)膨脹波紋管施工設(shè)計(jì)，做如下處理方案：

(1)該孔設(shè)計(jì)傾角達(dá)80°，對(duì)擴(kuò)孔施工要求更高，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，擬采用分段、從下往上擴(kuò)孔方式，最大限度地降低鉆具在孔內(nèi)的擺動(dòng)，提高擴(kuò)孔質(zhì)量。

(2)針對(duì)大裂隙及斜孔的下入，將通過波紋管下入工具及波紋管對(duì)接工具最大限度地保證波紋管對(duì)接的垂直度；當(dāng)上述工具無法滿足波紋管的焊接垂直度時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可借助波紋管調(diào)直工具進(jìn)行調(diào)整。

3.4.3 波紋管膨脹打壓

為保證護(hù)壁施工滿足后續(xù)施工要求，對(duì)本次波紋管膨脹壓力設(shè)計(jì)為20～21 MPa，此時(shí)波紋管內(nèi)徑可達(dá)到78～81 mm。施工中如出現(xiàn)膨脹力無法達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，處理方案如下：

(1)膨脹壓力在17～20 MPa，此時(shí)可根據(jù)波紋管膨脹變形曲線判斷，波紋管內(nèi)徑已能滿足切頭、通管作業(yè)，可繼續(xù)進(jìn)行切頭、通管處理。

(2)膨脹壓力<17 MPa，施工中如果膨脹壓力未能達(dá)到17MPa，多次嘗試仍未改善，則可對(duì)波紋管進(jìn)行破壞提起。可通過多功能下入器具將波紋管扭轉(zhuǎn)變形后提起，分析原因后再做處理。

3.4.4 懸掛可靠度

本次膨脹波紋管施工后，鉆孔還需進(jìn)尺長(zhǎng)度>450 m，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的上下1.5 m懸掛能滿足后續(xù)施工要求；考慮大裂隙及斜孔的存在，若后續(xù)鉆桿的擾動(dòng)致波紋管懸掛失效，可采取如下處理方案：

(1)波紋管懸掛失效但仍可滿足施工要求，可密切關(guān)注鉆孔反映，降低各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)。

(2)波紋管懸掛失效無法滿足施工要求，所用波紋管壁厚為3 mm，下入磨銑工具，即可快速將波紋管處理掉。

4 膨脹波紋管護(hù)壁施工

4.1 波紋管的現(xiàn)場(chǎng)焊接與地面實(shí)驗(yàn)

由于在海拔近3900 m的高原環(huán)境進(jìn)行施工，對(duì)波紋管的焊接是一項(xiàng)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場(chǎng)需對(duì)波紋管的焊接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打壓，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及情況如下。

(1)需實(shí)驗(yàn)波紋管封堵焊接及波紋管對(duì)接焊接的可靠性。

(2)現(xiàn)場(chǎng)焊接打壓壓力需在常規(guī)實(shí)驗(yàn)水平大于20 MPa，方可入井施工。

經(jīng)過地面多次焊接及地面打壓實(shí)驗(yàn)檢測(cè)確認(rèn)，打壓壓力保持22 MPa，波紋管基本撐開，最小內(nèi)徑達(dá)79 mm，可滿足鉆孔的后續(xù)施工要求(參見圖2)。

4.2 膨脹波紋管施工

4.2.1 膨脹波紋管下入前的準(zhǔn)備

(1)擴(kuò)孔。為保證波紋管懸掛的穩(wěn)定性，對(duì)事故孔段上下較為完整的孔段用專用擴(kuò)孔工具進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度 385～400 m，擴(kuò)孔孔徑?89 mm，共計(jì)15 m。

(2)膨脹套管貼懸掛膠條。為保證套管在孔內(nèi)位置固定，對(duì)套管兩頭貼懸掛膠條，上下膠條各長(zhǎng)1.5 m，距管頭(管尾)0.3 m。

(3)波紋管打壓實(shí)驗(yàn)。在地表對(duì)膨脹套管進(jìn)行打壓實(shí)驗(yàn)，初步確定膨脹極限壓力為21 MPa。

4.2.2 下入膨脹波紋管及打壓膨脹

(1)波紋管對(duì)接。本次施工所需波紋管長(zhǎng)度為14 m，將在地面準(zhǔn)備好的2根7 m長(zhǎng)的波紋管焊接后送入鉆孔施工。

為保證對(duì)接后管材的垂直度，先將波紋管的對(duì)接口做平口處理，確保對(duì)接面的平整度；然后采用波紋管專用加持對(duì)接工具，將對(duì)接口調(diào)垂后進(jìn)行焊接處理，焊接完成后做12 h保養(yǎng)。

(2)下入膨脹波紋管。經(jīng)過12 h焊接位置保養(yǎng)后，將膨脹波紋管緩慢送入鉆孔，下入時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)卡瓦+波紋管專用下入工具下入(參見圖3)。

圖3 膨脹波紋管對(duì)接、保養(yǎng)及下入

(3)膨脹打壓。膨脹波紋管到位后，連接泥漿泵及增壓器，做好打壓準(zhǔn)備。分配一人觀察增壓器行程，至1.4 m位置報(bào)警關(guān)泵；一人觀察壓力表每增加1 MPa報(bào)數(shù)一次，至設(shè)計(jì)壓力報(bào)警停泵；一人管理泥漿泵，聽到報(bào)警后停泵。技術(shù)人員隨時(shí)觀測(cè)。

開始打壓后，鉆桿內(nèi)壓力增加較慢，在增壓器到達(dá)行程恢復(fù)行程期間(要將增壓器中的水排凈)，發(fā)現(xiàn)鉆桿有泄壓現(xiàn)象；進(jìn)行了5次增壓流程后最高達(dá)到實(shí)際膨脹壓力為17 MPa，考慮鉆孔為大漏失鉆孔，技術(shù)人員判斷此時(shí)波紋管的實(shí)際膨脹壓力已達(dá)到21 MPa，可進(jìn)行下一步工作。

(4)切頭、通管、切尾。進(jìn)行切頭、通管后下入鉆具完成切尾作業(yè)。將主動(dòng)鉆桿接入鉆桿，鉆壓10 kN，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)；立軸有明顯不受力下降顯示，判斷切頭成功，繼續(xù)通管；反復(fù)緩慢通管至波紋管底部，上部管內(nèi)起下鉆具通暢后進(jìn)行切尾；切尾完成后波紋管尾部進(jìn)行修復(fù)。

過程完成后，將鉆具提至波紋管上1～2 m處，做下放入井實(shí)驗(yàn)，鉆具均順利通過膨脹波紋管位置，起鉆更換常規(guī)鉆具鉆進(jìn)。

4.3 施工效果

膨脹施工結(jié)束后，更換常規(guī)鉆具鉆進(jìn)，漏失情況由全漏失變?yōu)槊啃r(shí)消耗約0.41 m3，順利進(jìn)行鉆進(jìn)施工至終孔。

5 結(jié)語

(1)通過本次施工，應(yīng)用膨脹套管技術(shù)成功對(duì)14 m波紋管進(jìn)行加壓膨脹，封隔了10.5 m放空漏失地層，解決了該段漏失問題。

(2)膨脹波紋管掛壁性能良好，后續(xù)施工期間沒有發(fā)生起下鉆卡碰情況。

(3)該技術(shù)對(duì)空放類大裂隙封堵的施工周期為3～5 d，封堵效率及成功率較水泥封堵高。同時(shí)膨脹套管技術(shù)應(yīng)用是在?75 mm鉆孔中完成的，對(duì)鉆孔整體結(jié)構(gòu)影響較小。

(4)膨脹波紋管堵漏技術(shù)為礦區(qū)堵漏及鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新思路。