張建國(中國煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院,廣東 廣州510440)

1 前言

巖心是礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中了解礦產(chǎn)資源分布和強(qiáng)度、成分等信息的第一手資料,取心作為拿到巖心最直接有效的方式,是地質(zhì)找礦、詳查鉆探施工的必用手段,取心的準(zhǔn)確程度直接決定著地質(zhì)找礦、地質(zhì)詳查的準(zhǔn)確程度。但在遇到節(jié)理發(fā)育、松散破碎、巖體松軟等情況時(shí),容易發(fā)生鉆進(jìn)堵心和退鉆脫落等情況,導(dǎo)致取心率低,影響工程進(jìn)度、取心質(zhì)量。因此,深入研究取心堵心問題,對現(xiàn)有鉆具優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考,針對性地提出堵心預(yù)防措施,為復(fù)雜地層條件下的取心工作提供參考。

2 堵心地質(zhì)特征

通過研究對比大量取心堵心情況,堵心是復(fù)雜地層取心工作的常見問題,且易發(fā)生堵心的復(fù)雜地層具有相互類似的巖體賦存情況,往往出現(xiàn)在泥巖、頁巖夾層較厚,砂礫巖尤其是破碎程度較高的地層區(qū)域,部分堵心情況比較嚴(yán)重,且出現(xiàn)概率較高。

從取心的種類及區(qū)域分布來看,取心目標(biāo)巖層及取心地區(qū)、地質(zhì)類型相互有較大差別,但堵心情況發(fā)生時(shí)所處的地層具有高度相似性,往往呈現(xiàn)出巖層裂隙較為發(fā)育,有的出現(xiàn)泥化現(xiàn)象,有的破碎程度較高,或者巖層質(zhì)地松軟、含水比例大,該類型地層條件下的鉆進(jìn)難以形成柱狀巖心,鉆頭內(nèi)部往往形成間斷的巖塊、空隙分布,且呈劈裂狀。有些區(qū)域地層泥化嚴(yán)重,巖心因吸水膨脹,最終變形破裂,也會形成堵心情況發(fā)生。

3 堵心成因分析

3.1 地質(zhì)原因

根據(jù)上述分析可知,造成堵心的大多數(shù)原因都是因?yàn)閺?fù)雜地層條件下,出現(xiàn)巖體松軟、破碎、膠結(jié)化等情況,最終導(dǎo)致巖泥被擠入鉆頭空心部位,或是堵住鉆具管狀結(jié)構(gòu),造成堵心。

3.2 鉆具原因

因?yàn)槿⌒墓ぷ餍枨?復(fù)雜地層取心時(shí)常用的鉆頭有單動雙管、單動三管等類型,其結(jié)構(gòu)上均為雙管結(jié)構(gòu),正常情況下,巖心與鉆頭或內(nèi)管之間有一定間隙,但在遇到軟巖、巖心破裂、遇水膨脹、巖心振動粉碎等情況時(shí),巖泥會進(jìn)入縫隙,導(dǎo)致縫隙被迅速填充,最終鉆具堵心,若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn),很容易造成鉆頭磨損嚴(yán)重、鉆桿扭斷的情況[1-2]。

最常發(fā)生堵心的位置有兩處,一是鉆頭內(nèi)臺階和鉆桿內(nèi)管的接口卡簧與巖心的間隙處,另一處是鉆桿內(nèi)管和巖心的間隙處,鉆具堵心具體位置如圖1所示。其中,發(fā)生第一處堵心主要是因?yàn)榭ɑ蓛?nèi)表面有紋路或淺槽,巖心轉(zhuǎn)動經(jīng)過時(shí),容易被擊打、摩擦,在巖體強(qiáng)度不高的情況下,容易粉碎或卡死,造成堵心;第二處主要是因?yàn)殂@具內(nèi)管表面本身未經(jīng)處理,較為粗糙,且直徑小、長度大,巖心與管壁摩擦形成的泥水、粉末等會增大堵心的可能心,加之內(nèi)管易發(fā)生彎折,導(dǎo)致內(nèi)管處堵心。

圖1 鉆具堵心示意圖

3.3 施工管理水平

堵心的發(fā)生,若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并通過調(diào)整轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)及時(shí)處理,可以有效避免或延遲堵心情況的發(fā)生,更可以有效避免鉆具的破壞。若工人在施工過程中,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)扭力變化,或根據(jù)巖心情況提前判斷復(fù)雜地層的出現(xiàn)位置,采取應(yīng)對措施,可以有效減少堵心情況的發(fā)生。

4 堵心預(yù)防措施

4.1 優(yōu)化鉆頭

根據(jù)復(fù)雜地層取心時(shí)鉆頭處易發(fā)生堵心類型的情況,考慮在鉆頭內(nèi)部平整度、防進(jìn)水、施工管理、鉆進(jìn)效率方面進(jìn)行優(yōu)化。在遇到復(fù)雜地層取心施工時(shí),應(yīng)選擇鉆頭質(zhì)量較高、強(qiáng)度較大、內(nèi)外光滑度高的鉆頭,若市場上鉆頭無法滿足施工現(xiàn)場需求,則通過二次加工,增加鉆頭內(nèi)部光滑度。為防止部分易膨脹巖體出現(xiàn)遇水膨脹,鉆頭的選擇以隔液式為主,在鉆頭釋放沖洗液時(shí),沖洗液可從鉆頭側(cè)面或底部噴入,減少沖洗液對巖心的沖蝕,尤其在遇到松散破碎程度高或是遇水膨脹性較強(qiáng)的巖體,可有效防止巖體水化膨脹,造成堵心情況發(fā)生。施工管理方面,應(yīng)堅(jiān)持“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則,加強(qiáng)對取心前期的準(zhǔn)備及取心時(shí)的管理工作。在施工前,應(yīng)盡可能收集附近區(qū)域鉆探施工的詳細(xì)資料,對地層分布做到心中有數(shù),對復(fù)雜地層提前做好防堵心預(yù)案措施,選擇合適的鉆頭及參數(shù),采用最適合的鉆進(jìn)速度及扭力,以提高取心成功率[3-4]。

4.2 優(yōu)化鉆具

1)堵心預(yù)警

為了在發(fā)生堵心情況時(shí),及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵心嚴(yán)重程度并及時(shí)干預(yù),可考慮通過在鉆具內(nèi)布置傳感器等方法實(shí)現(xiàn)堵心的預(yù)警功能,防止在堵心發(fā)生后,未能察覺而繼續(xù)施工鉆進(jìn),造成巖心被擠壓、磨碎,甚至導(dǎo)致鉆頭被磨損、損壞。堵心時(shí),因巖心的擠壓受力,傳遞至內(nèi)管,內(nèi)管受力向上位移,進(jìn)而推動閥體移動,造成鉆具或內(nèi)管局部位置斷面減小,致使沖洗液流動阻力增大,反映到注液泵處表現(xiàn)為液壓增大,壓力表讀數(shù)增大,利用此原理,可通過在壓力表處設(shè)置傳感器、報(bào)警裝置,設(shè)置預(yù)警值,當(dāng)壓力增大到某一數(shù)值后,報(bào)警裝置啟動,發(fā)出預(yù)警。當(dāng)然,注液泵壓力過大的原因,也可能是因?yàn)殂@孔受壓變形、巖體膨脹變形擠壓等引起,但無論是哪種原因造成預(yù)警發(fā)出,終究是有破壞取心完整度的情況發(fā)生,都應(yīng)及時(shí)退鉆取心,防治丟心或巖心擠壓磨損[5-8]。

2)內(nèi)管優(yōu)化

內(nèi)管是發(fā)生堵心的另一高頻率位置,若性能較弱,極易發(fā)生堵心。鉆具的內(nèi)管一方面是存放巖心的容器,與巖心的接觸時(shí)間最長,要足夠光滑,避免巖心進(jìn)入時(shí)阻力過大;另一方面還要傳遞動力,要有足夠強(qiáng)度,抗彎、抗扭,防止因?yàn)閮?nèi)管變形、彎折導(dǎo)致的巖心斷裂、劈裂情況發(fā)生。

優(yōu)化內(nèi)管方式有以下幾種,第一,提高巖心光滑度的方法,主要是減小阻力的處理,可以通過增加內(nèi)管內(nèi)表面噴涂光滑涂層、二次加工打磨光滑等方式,降低內(nèi)管內(nèi)表面的摩擦系數(shù),最大可能降低巖心進(jìn)入時(shí)的阻力,防止堵心。增加涂層的方式方法有多種,目前使用較多的效果較好的噴涂產(chǎn)品有類金剛石碳涂層、鎢合金涂層、聚四氟乙烯等,通過電鍍、高溫噴涂等加工過程,將涂層材料附著在內(nèi)管內(nèi)表面。涂層在降低摩擦阻力的同時(shí),可有效增加內(nèi)管的隔水能力,可提升內(nèi)管防銹蝕、耐磨等性能,在深部取心巖體溫度較高時(shí),還可以有效隔絕熱量。對于提高強(qiáng)度方面,通過選用密度小、強(qiáng)度高的合金材料,或通過在內(nèi)管外表面設(shè)置低密度螺紋等方式,增加內(nèi)管抗彎性能,防止堵心情況發(fā)生。在內(nèi)管的現(xiàn)場管理方面,要杜絕施工時(shí)為了取心或退鉆,就大力敲擊內(nèi)管外表,以求振動退鉆、取心,要通過增加液壓或水力取心設(shè)備,預(yù)防破壞內(nèi)管的行為發(fā)生,同時(shí),可以有效增加取心完整度。第二,解決堵心可用的方法還有多層襯管式差動設(shè)計(jì),當(dāng)內(nèi)管發(fā)生堵心時(shí),巖心可以帶動最內(nèi)層襯套旋轉(zhuǎn)上移,內(nèi)管液壓隨之發(fā)生變化,進(jìn)而通過注液泵的液壓變化來判斷堵心是否已經(jīng)被消除,通過這種方式,有效利用內(nèi)管內(nèi)部空間,設(shè)置多層襯套,可連續(xù)多次解決堵心的自動解除,防止堵心情況發(fā)生[9]。

3)單動機(jī)構(gòu)優(yōu)化

單動機(jī)構(gòu)的性能對取心性能的可靠性具有決定性作用。單動機(jī)構(gòu)性能差的話,在取心時(shí),內(nèi)管會與外管同步轉(zhuǎn)動,在復(fù)雜地層取心條件下,內(nèi)外雙管的振動旋轉(zhuǎn),會加快巖心的破碎速度,若巖體強(qiáng)度較小、破碎程度較高時(shí),還會加速擠壓、填充縫隙,致使巖心最終與內(nèi)管成為一體,形成堵心。而且,內(nèi)外管的同步轉(zhuǎn)動,會造成內(nèi)管與巖心、以及巖心破碎后的塊狀相互摩擦碰撞,給內(nèi)管造成破壞,降低使用壽命。

優(yōu)化單動結(jié)構(gòu)的方式有以下幾種,一是在鉆具中下位置布置內(nèi)管校正裝置,通過配置較小的旋轉(zhuǎn)阻力,使內(nèi)管及單動機(jī)構(gòu)同向同轉(zhuǎn),提升同心轉(zhuǎn)動時(shí)間,以此來提高軸承的作用,內(nèi)外管的相對穩(wěn)定轉(zhuǎn)動,也使得巖心進(jìn)入內(nèi)管更加容易。二是為了降低內(nèi)管中心不穩(wěn)造成的位置偏移現(xiàn)象,可考慮使用二級單動機(jī)構(gòu),通過降低內(nèi)管隨外管旋轉(zhuǎn)的概率,來提高單動機(jī)構(gòu)的可靠性。三是確保每次取心工作結(jié)束后,及時(shí)查看單動機(jī)構(gòu)軸承的磨損情況,若出現(xiàn)磨損過度或痕跡較重情況,應(yīng)及時(shí)更換軸承,以防出現(xiàn)因單動機(jī)構(gòu)卡死造成堵心或磨損。

4)割心機(jī)構(gòu)優(yōu)化

通常情況下,鉆具的割心機(jī)構(gòu)往往是由卡簧、巖心爪、攔簧等配件,以及組合形式構(gòu)成,尤其是在復(fù)雜地層取心時(shí),這些部件成為必備。這些部件在與內(nèi)管搭配設(shè)置時(shí),應(yīng)盡可能地防止臺階、凹槽等不平滑的形狀出現(xiàn),避免因割心機(jī)構(gòu)的布置失誤,導(dǎo)致巖心進(jìn)入內(nèi)管受阻?？煽紤]采用隱藏式的布置,降低割心機(jī)構(gòu)阻礙巖心進(jìn)入的可能性,避免堵心情況發(fā)生。

4.3 沖洗液性能優(yōu)化

在鉆具中噴入沖洗液的目的,主要是為了清潔孔底、帶走巖屑、冷卻鉆頭、潤滑鉆具、保護(hù)孔壁。尤其是在復(fù)雜地層取心時(shí),防止因鉆進(jìn)或巖心破碎形成的巖屑、巖粉、巖泥等沉淀至縫隙,造成巖心移動受阻、形成堵心。在遇到泥巖、頁巖、煤層等易遇水膨脹的巖體內(nèi)鉆進(jìn)時(shí),沖洗液可以有效防止巖心遇水膨脹、脹大、變形開裂,進(jìn)而有效防止堵心情況發(fā)生。優(yōu)化方式:向沖洗液中添加濾失量小的鉀基沖洗液、LBM 沖洗液等,以提升沖洗液對水化作用的抑制效果。

4.4 取心工藝優(yōu)化

通過大量的實(shí)踐案例分析可知,從取心施工開始到堵心狀況出現(xiàn),堵心的位置、時(shí)間、方式各式各樣,但其中的共同點(diǎn)就是,巖心在管內(nèi)已存入足夠長度、保留足夠長時(shí)間,以致被損壞的概率增大。復(fù)雜地層取心時(shí),施工本身就存在很多不確定因素,若巖心在內(nèi)管儲存時(shí)間太長,必然會引起破壞,降低取心質(zhì)量,因此,有效預(yù)防堵心,是提高取心效率、提高取心質(zhì)量的必然選擇。在復(fù)雜地層進(jìn)行取心作業(yè)時(shí),要提前做好預(yù)防措施,想方設(shè)法獲取類似地層的地質(zhì)詳查資料,提出針對性的預(yù)案措施。在施工過程中,要根據(jù)地層實(shí)際,不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速、注液壓力、取心間隔等參數(shù),做到工藝隨實(shí)際因地制宜。在軟巖內(nèi)鉆進(jìn)時(shí),要盡可能降低轉(zhuǎn)速,防止速度過快造成巖心的擠壓破壞。在相對破碎、裂隙發(fā)育的地層鉆進(jìn)時(shí),要降低鉆壓,以免完整的巖心受壓破壞,同時(shí)也要降低轉(zhuǎn)速,防止大幅度振動造成的巖心破碎。泵量也應(yīng)隨著鉆進(jìn)進(jìn)度做對應(yīng)調(diào)整,強(qiáng)度較大區(qū)域鉆進(jìn)時(shí)可適當(dāng)增大泵量,以獲取足夠沖擊力,在采用隔液鉆頭情況下,可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整泵量,但遇到松散破碎地層時(shí),要適當(dāng)降低泵量,以防巖心被沖擊破碎。取心施工過程要做好現(xiàn)場管理,實(shí)時(shí)觀察鉆進(jìn)效率變化,通過巖屑上返情況及時(shí)作出調(diào)整,若鉆進(jìn)變慢、上返量增大,要考慮堵心的可能性,隨之改變鉆壓、轉(zhuǎn)速。若判定堵心情況發(fā)生,要及時(shí)停止作業(yè)、退鉆取心,以防磨損鉆頭、磨損巖心。割心作業(yè)要盡可能地選擇巖心狀態(tài)較好且較為完成的區(qū)段,防止脫落。取心退鉆要慢、穩(wěn),防止過快造成的振動,導(dǎo)致巖心破壞或脫落。總之,在復(fù)雜地層條件下的取心工作,要按實(shí)際情況,做好預(yù)案,及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù),做好現(xiàn)場管理,不斷改善施工工藝,進(jìn)一步預(yù)防堵心情況發(fā)生。

5 結(jié)論

通過對復(fù)雜地層條件下的取心作業(yè)進(jìn)行全方位的研究分析,歸納概括出發(fā)生堵心的主要特征及重點(diǎn)因素,從優(yōu)化鉆頭、優(yōu)化鉆具、優(yōu)化沖洗液、優(yōu)化施工工藝等多個(gè)方面對防止堵心情況的發(fā)生提出了具體措施。

(1)堵心是復(fù)雜地層取心作業(yè)施工時(shí)最為常見的問題之一,發(fā)生概率較大,尤其是在遇到松散破碎、軟弱變形、水敏巖體等地層時(shí)發(fā)生堵心的概率更大。

(2)根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù),堵心的主要發(fā)生位置,集中在巖心與鉆頭、巖心與內(nèi)管間,主要是因?yàn)閹r心因振動或其他原因?qū)е缕扑?、泥化現(xiàn)象,使巖心進(jìn)入鉆頭或內(nèi)管阻力增大,在持續(xù)的旋進(jìn)壓力下,縫隙被不斷填充,最終導(dǎo)致堵心。

(3)復(fù)雜地層取心施工時(shí),可選用隔液設(shè)計(jì)的鉆頭,能有效降低沖洗液浸泡、沖蝕巖心的概率,選用水化抑制性能較好的沖洗液,對水化膨脹巖體下的取心有利,能減少堵心出現(xiàn)。

(4)要避免堵心發(fā)生,需要在施工管理策略上,以預(yù)防為主、防治結(jié)合,加強(qiáng)對施工現(xiàn)場的把控,隨鉆進(jìn)進(jìn)度及地層巖性變化,及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù),不斷改良施工工藝,有效防止堵心發(fā)生,從而提高回次進(jìn)尺長度及取心鉆進(jìn)效率。