李偉剛
近幾年來(lái),地勘行業(yè)市場(chǎng)下滑,地質(zhì)項(xiàng)目萎縮,在這種情況下,我公司借助國(guó)家一帶一路發(fā)展的契機(jī),同時(shí)為了適應(yīng)國(guó)有地勘單位的改革,大力發(fā)展國(guó)際項(xiàng)目?,F(xiàn)就我在巴西孔戈尼亞爾錳礦區(qū)的鉆探施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)普鉆技術(shù)的應(yīng)用做交流探討。
礦區(qū)位于巴西米納斯州的西南部,處于巴拉那(帕拉伊巴)盆地的邊緣部位,屬于淺海-濱海相沉積。礦區(qū)地層為單一斜層,呈北東向展布,傾角15°~30°,區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖出露,無(wú)褶皺,有少量的斷裂出露。礦區(qū)錳礦石為黑色,隱晶、纖狀結(jié)構(gòu),角礫狀構(gòu)造或塊狀構(gòu)造。該礦石受動(dòng)力作用影響較強(qiáng),巖石破碎,裂隙發(fā)育,構(gòu)造角礫發(fā)育;巖石中有益組分為硬錳礦+軟錳礦,主要以軟錳礦為主,硬錳礦僅占少量,隱晶質(zhì)錳礦集合體呈膠狀、皮殼狀;無(wú)益組分為錳鐵質(zhì)+泥硅質(zhì),礦物顆粒細(xì)??;巖石中礦物分布較均勻,巖石總體組構(gòu)較均一。錳礦體的賦礦巖性為長(zhǎng)石石英砂巖,錳礦體的展布和地層一致,呈整合接觸。
圖1 錳礦體露天采場(chǎng)
礦區(qū)主要巖性為石英砂巖,區(qū)內(nèi)地層主要巖性有石英砂巖、白云母長(zhǎng)石砂巖、氧化錳礦、第四系紅土層,含礦段巖層厚度約20m ~50m。巖性有粉砂巖、絹云母粉砂巖、凝灰質(zhì)板巖、長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖板巖、石英巖,錳礦體賦存于含錳的絹云母長(zhǎng)石石英片巖或石英砂巖中。
第四系覆蓋層厚度大,膠結(jié)性差,遇水松散,且?jiàn)A雜有不同程度的活石滾石現(xiàn)象;富含石英顆粒的砂巖層段,懸浮能力差,屬于不穩(wěn)定復(fù)雜地層,施工難度大。下部片麻巖地層較穩(wěn)定,進(jìn)尺較快。
該項(xiàng)目礦區(qū)采用HZ-130YY 型鉆機(jī)(甲方提供)施工,甲方只提供普鉆鉆桿,當(dāng)?shù)嘏鋫鋯蝿?dòng)雙管鉆具,故采用普通上鉆取芯工藝。
使用∮91 復(fù)合片鉆頭開(kāi)孔,然后下入∮89 套管做為井口管,再換用∮42金剛石鉆頭,連接鉆具、鉆桿使用泥漿鉆進(jìn)上鉆取芯。
干燒開(kāi)孔——下套管(2m 以上)——地面配好鉆具——調(diào)好泥漿性能——下鉆——開(kāi)泵送泥漿——鉆進(jìn)——卡斷巖心——上鉆取芯——記錄——下鉆——繼續(xù)鉆進(jìn)、加桿鉆進(jìn)…。
轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵量要視設(shè)備情況、實(shí)鉆地層性質(zhì)、井底使用的鉆頭類(lèi)型、進(jìn)尺速度合理調(diào)整確定,不同的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)對(duì)巖(礦)心采取質(zhì)量有很大的影響。因此,對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇,既要考慮提高鉆進(jìn)速度的要求也要考慮取芯的要求。
(1)轉(zhuǎn)速是提高鉆速的主導(dǎo)因素,是影響取芯效率的關(guān)鍵因素。一般情況下,鉆速隨轉(zhuǎn)速的增加而增加,轉(zhuǎn)速過(guò)高,鉆具受離心力作用大,其振動(dòng)、擺動(dòng)也大,轉(zhuǎn)速過(guò)低,則鉆速也低,同時(shí)轉(zhuǎn)速的提高又受設(shè)備的能力、鉆桿柱的強(qiáng)度及孔內(nèi)情況的影響,且隨鉆速的增加,泵量必須與之相適應(yīng)。泵量過(guò)小,排粉不凈,導(dǎo)致孔底巖粉淤積,巖屑重復(fù)破碎,鉆頭冷卻不良,引起燒鉆;泵量過(guò)大,又易沖毀巖心,造成回次取芯率低。
(2)鉆壓在金剛石鉆進(jìn)中是輔助要素,切忌靠盲目增加鉆壓取得鉆速。使用時(shí)加在鉆頭上的壓力必須高于所鉆地層巖石的抗壓強(qiáng)度,而低于金剛石本身的抗壓強(qiáng)度。鉆壓過(guò)低,鉆頭浮在巖層面上,不能形成對(duì)巖石的體積破碎;鉆壓過(guò)高,易造成孔斜,同時(shí)還受鉆具、鉆桿強(qiáng)度的限制。
(3)金剛石鉆進(jìn)取芯時(shí),因井底面積大,破碎下來(lái)的巖屑多,所以需要加大的泵量,泵量越大,流速增加,沖刷力也大;但是不能過(guò)大,泵量過(guò)大會(huì)造成鉆具內(nèi)壓高而降低鉆進(jìn)壓力,同時(shí)增加鉆具振動(dòng),降低孔內(nèi)井壁穩(wěn)定,易造成孔內(nèi)坍塌等事故,泵量過(guò)低會(huì)造成井內(nèi)巖粉排不干凈,產(chǎn)生多次研磨,降低鉆頭壽命,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)包鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故,因此要根據(jù)孔內(nèi)情況選擇合適的循環(huán)方式。
泥漿體系的選擇及性能的好壞,直接關(guān)系到鉆進(jìn)成孔過(guò)程的順利與否。泥漿體系必須有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆進(jìn),有利于取全取準(zhǔn)地質(zhì)和工程等資料,有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)礦層,有利于減少對(duì)鉆具套管及設(shè)備的腐蝕,有利于環(huán)境保護(hù)。泥漿體系一般分為清水潤(rùn)滑沖洗液、無(wú)固相聚合物沖洗液、低密度流體沖洗液等。清水適合于孔壁穩(wěn)定、低速轉(zhuǎn)及淺孔施工,清水沖孔,能快速冷卻鉆具,鉆進(jìn)效率較高,但對(duì)孔壁無(wú)保護(hù)作用,對(duì)鉆具潤(rùn)滑性較差;潤(rùn)滑沖洗液適用于高轉(zhuǎn)速深孔鉆進(jìn),泥漿沖洗液應(yīng)用于孔壁不穩(wěn)定的鉆孔和鉆速快、巖粉多且顆粒粗的鉆孔;無(wú)固相聚合物沖洗液是高分子聚合物的水溶液,具有膠結(jié)護(hù)壁好、相對(duì)密度小、鉆速高等特點(diǎn),應(yīng)用廣泛;低密度流體沖洗液主要用于缺少地區(qū)和鉆孔沖洗液嚴(yán)重漏失的地層。
圖2 下入井口鉆桿示意圖
本地區(qū)開(kāi)孔使用清水灌澆鉆頭,下入套管后使用泥漿。配方:1m3水+20 公斤膨潤(rùn)土+1 公斤CMC(甲方現(xiàn)場(chǎng)只2 種泥漿材料)。此配方較簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)使用便于維護(hù),基本可以滿足地層使用。
按配方配制時(shí),先把土充分水化,CMC 充分溶解配成膠液,然后在攪拌桶中充分?jǐn)嚢?,使之性能達(dá)到比重1.3g/cm3,粘度26s 左右,失水量20ml/h。
注意:每次取芯上鉆過(guò)程中必須進(jìn)行注漿操作,防止抽垮地層;每次停轉(zhuǎn)等待過(guò)程中,必須對(duì)井內(nèi)進(jìn)行灌漿作業(yè),穩(wěn)定井壁。
Zk1605 鉆孔事故處理經(jīng)過(guò):
8 月12 日下午13 時(shí)1605 孔下套管3.9m 后換46mm 鉆具加桿鉆進(jìn),井內(nèi)開(kāi)始返上紅色泥土水,繼續(xù)鉆進(jìn)加桿鉆至11.25 米,井內(nèi)返上粗顆粒砂巖巖粉,繼續(xù)使用清水鉆進(jìn)。
14 時(shí)30 分加桿鉆進(jìn)至13.25m,井內(nèi)粗顆粒砂巖巖粉大量返上,單根鉆至井底15.95m,拉上導(dǎo)桿,停泵,解鉆桿,上拉單根2.25m,接上立根4.5m,下鉆至加桿鉆桿離井口1m 處遇阻,班長(zhǎng)強(qiáng)力抽拉,來(lái)回上下至井口30cm 無(wú)法下鉆,亦無(wú)法上鉆。
15 時(shí)加大泵量,勉強(qiáng)合車(chē)(井口距離不夠)強(qiáng)力轉(zhuǎn)動(dòng),3min后水泵調(diào)壓閥打開(kāi)自動(dòng)泄壓,動(dòng)力柴油機(jī)熄火。
15 時(shí)30 分,合車(chē)不開(kāi)泵空轉(zhuǎn),根據(jù)導(dǎo)桿長(zhǎng)度計(jì)算,鉆具距離井底65cm,來(lái)回反復(fù)轉(zhuǎn)、停,轉(zhuǎn)拉,轉(zhuǎn)頂,因?qū)U油缸無(wú)有效上頂標(biāo)尺,20min 后無(wú)效果,熄火解開(kāi)導(dǎo)桿。
16 時(shí),用卷?yè)P(yáng)機(jī)向上拉緊鉆桿,眾人合力搬動(dòng)管鉗上盤(pán)井內(nèi)鉆桿,邊用鋼絲繩向上拉邊用加力管鉗繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),30min 后鉆桿上升16cm,離開(kāi)井口46cm,后無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),亦無(wú)法拉動(dòng)。
17 時(shí),從礦部拿來(lái)20 噸千斤頂2 個(gè),用木板兩邊搭好支架,保證鉆桿受力平衡,用墊插支撐受力,經(jīng)過(guò)多次嘗試,向上頂出鉆桿50cm,此時(shí)鉆桿距離井口96cm。
13 日上午7 時(shí),繼續(xù)用千斤頂提升鉆桿10cm,后反彈無(wú)法繼續(xù),亦無(wú)法人力轉(zhuǎn)動(dòng)。
8 時(shí),經(jīng)過(guò)丈量判斷鉆桿4.5m 下部已進(jìn)入井口套管(下套管3.9m),故在井口用管鉗反轉(zhuǎn),在井下解開(kāi)鉆桿,上鉆后發(fā)現(xiàn)從井下第二根鉆桿扣處解開(kāi),此時(shí)井內(nèi)留一根鉆桿4.5m 和鉆具2m。
9 時(shí),現(xiàn)場(chǎng)果斷決定下鉆。換用單根2.25m 加一根4.5m 鉆桿,合車(chē)連接主動(dòng)鉆桿(導(dǎo)桿4.2m),計(jì)算機(jī)上殘尺剩余1.45m(鉆桿絲扣0.04m),做好紅色標(biāo)記,緩慢下鉆到底。
10 時(shí),井口異響鉆桿接觸,人力緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)上扣,后用鋼絲繩上拉,反復(fù)多次嘗試,柴油機(jī)憋車(chē),判斷井下對(duì)口成功。迅速開(kāi)水泵,打壓至2kg/m2,水泵穩(wěn)定,持續(xù)5min后,半離合狀態(tài)慢轉(zhuǎn),控制不能反轉(zhuǎn),反復(fù)10min 后,井底水路通,地面返上砂粒,繼續(xù)沖井底15min 后,快速上鉆,井內(nèi)鉆桿、鉆具全部拉上來(lái),從鉆桿壁磨損情況判斷井底4.8m 以下全部砂粒,鉆桿平口臺(tái)階已經(jīng)磨平,鉆具外管全部磨光。
當(dāng)日11 時(shí),清洗鉆具,整理機(jī)場(chǎng),井內(nèi)事故處理成功。
該地區(qū)0m ~5m 為硬質(zhì)錳礦石,上部為紅色黏土層,下段為松散石英砂巖層,在泥土層和松散層段,孔徑擴(kuò)大,易斷鉆桿,這恰恰是普鉆的優(yōu)點(diǎn),鉆進(jìn)效率高,事故率低。
普通取芯鉆進(jìn)適宜鉆進(jìn)易風(fēng)化砂泥巖等軟弱地層、巖芯破碎的復(fù)雜地層,鉆進(jìn)效率比繩索取芯鉆進(jìn)高,泥巖縮徑影響不大,孔內(nèi)事故便于處理??摄@性1 級(jí)~5 級(jí)地層,效率很高;對(duì)粘度、固相要求不高,鉆桿為地質(zhì)專(zhuān)用管材、加工精度不高、易彎曲,成本較低。
輔助時(shí)間長(zhǎng),頻繁上下鉆勞動(dòng)強(qiáng)度大;受取芯管長(zhǎng)度限制,不能較大間斷連續(xù)取芯;受鉆桿尺度影響,不能滿眼鉆進(jìn),孔深和采取率均受影響。
圖3 鉆桿平口臺(tái)階磨平圖
圖4 清洗前后鉆具圖
鉆進(jìn)硬地層效率低,鉆頭壽命短,易孔斜,勞動(dòng)強(qiáng)度大,采取率低,鉆探成本高。
普鉆多采用單層巖心管、泥漿直接沖蝕巖芯、采取率不高;多采用合金鉆頭,鉆頭破碎巖石振動(dòng)大、巖心易碎、易堵;卡料卡取或干燒法取芯,巖心易脫落,成功率不高;每回次提鉆、振動(dòng)大、泥漿壓力等因素影響下巖心易脫落,輔助時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大;對(duì)孔壁破壞較大,易孔斜,孔內(nèi)事故率高。
(1)根據(jù)地層具體情況選擇合適的鉆井類(lèi)型,目前較先進(jìn)的是繩索取芯鉆進(jìn),也可采用普鉆與繩索取芯相結(jié)合的方法,可以提高鉆進(jìn)效率。
(2)鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)切忌用清水鉆進(jìn),重視泥漿技術(shù),特別是復(fù)雜地層。(3)機(jī)場(chǎng)應(yīng)配備常用的事故處理工具,如絲錐、套銑鉆頭等。(4)鉆探施工過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際情況選取合適的鉆進(jìn)參數(shù)和泥漿配比方案,預(yù)防孔內(nèi)事故。
(5)處理井內(nèi)事故必須頭腦冷靜、思路清晰,切忌盲目蠻干。
鉆探工程屬于地下施工工程,鉆孔地下各種復(fù)雜情況隨時(shí)會(huì)發(fā)生并影響工程質(zhì)量和進(jìn)度,做好孔內(nèi)事故的預(yù)防工作,采取有效可行的預(yù)防措施,對(duì)地層情況進(jìn)行全面分析,制定合理可行的施工組織技術(shù)方案,經(jīng)常檢測(cè)泥漿各項(xiàng)指標(biāo)和檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況,多觀察鉆進(jìn)過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象,確保精心組織、精心施工減少和避免事故的發(fā)生,提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
普鉆涉及的面比較廣泛,它不僅僅能夠適應(yīng)于提鉆取心的固體巖心鉆探工作,還適應(yīng)工建勘查、道橋工程、鈾勘、水井等等較大口徑鉆孔的施工。無(wú)論何種鉆探取芯方法,都是利用各種施工技術(shù)和方案,不斷提高預(yù)防和處理事故的技術(shù)水平。對(duì)于復(fù)雜地層沒(méi)有唯一或者萬(wàn)能的解決辦法,只有根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)處理工具水平,采取最行之有效的方案解決處理問(wèn)題,以上是我針對(duì)該地區(qū)該鉆孔的一些方法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),與同行們交流分享。