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        小型鉆機普鉆技術(shù)應用淺析

        2022-05-31 14:54:44李偉剛
        中國金屬通報 2022年3期
        關(guān)鍵詞:孔內(nèi)錳礦井口

        李偉剛

        1 概述

        近幾年來,地勘行業(yè)市場下滑,地質(zhì)項目萎縮,在這種情況下,我公司借助國家一帶一路發(fā)展的契機,同時為了適應國有地勘單位的改革,大力發(fā)展國際項目?,F(xiàn)就我在巴西孔戈尼亞爾錳礦區(qū)的鉆探施工經(jīng)驗,對普鉆技術(shù)的應用做交流探討。

        2 項目基本情況

        2.1 礦區(qū)地質(zhì)情況

        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)無巖漿巖出露,無褶皺,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。該礦石受動力作用影響較強,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;無益組分為錳鐵質(zhì)+泥硅質(zhì),礦物顆粒細??;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

        2.2 巖性及地層性質(zhì)

        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、長石石英砂巖、長石砂巖板巖、石英巖,錳礦體賦存于含錳的絹云母長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,且夾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)定復雜地層,施工難度大。下部片麻巖地層較穩(wěn)定,進尺較快。

        3 鉆進工藝

        3.1 鉆進方法

        該項目礦區(qū)采用HZ-130YY 型鉆機(甲方提供)施工,甲方只提供普鉆鉆桿,當?shù)嘏鋫鋯蝿与p管鉆具,故采用普通上鉆取芯工藝。

        3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

        使用∮91 復合片鉆頭開孔,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、鉆桿使用泥漿鉆進上鉆取芯。

        3.3 工藝過程

        干燒開孔——下套管(2m 以上)——地面配好鉆具——調(diào)好泥漿性能——下鉆——開泵送泥漿——鉆進——卡斷巖心——上鉆取芯——記錄——下鉆——繼續(xù)鉆進、加桿鉆進…。

        3.4 鉆進參數(shù)

        轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵量要視設備情況、實鉆地層性質(zhì)、井底使用的鉆頭類型、進尺速度合理調(diào)整確定,不同的鉆進技術(shù)參數(shù)對巖(礦)心采取質(zhì)量有很大的影響。因此,對鉆進技術(shù)參數(shù)選擇,既要考慮提高鉆進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)速過高,鉆具受離心力作用大,其振動、擺動也大,轉(zhuǎn)速過低,則鉆速也低,同時轉(zhuǎn)速的提高又受設備的能力、鉆桿柱的強度及孔內(nèi)情況的影響,且隨鉆速的增加,泵量必須與之相適應。泵量過小,排粉不凈,導致孔底巖粉淤積,巖屑重復破碎,鉆頭冷卻不良,引起燒鉆;泵量過大,又易沖毀巖心,造成回次取芯率低。

        (2)鉆壓在金剛石鉆進中是輔助要素,切忌靠盲目增加鉆壓取得鉆速。使用時加在鉆頭上的壓力必須高于所鉆地層巖石的抗壓強度,而低于金剛石本身的抗壓強度。鉆壓過低,鉆頭浮在巖層面上,不能形成對巖石的體積破碎;鉆壓過高,易造成孔斜,同時還受鉆具、鉆桿強度的限制。

        (3)金剛石鉆進取芯時,因井底面積大,破碎下來的巖屑多,所以需要加大的泵量,泵量越大,流速增加,沖刷力也大;但是不能過大,泵量過大會造成鉆具內(nèi)壓高而降低鉆進壓力,同時增加鉆具振動,降低孔內(nèi)井壁穩(wěn)定,易造成孔內(nèi)坍塌等事故,泵量過低會造成井內(nèi)巖粉排不干凈,產(chǎn)生多次研磨,降低鉆頭壽命,嚴重時出現(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。

        3.5 泥漿的使用

        泥漿體系的選擇及性能的好壞,直接關(guān)系到鉆進成孔過程的順利與否。泥漿體系必須有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆進,有利于取全取準地質(zhì)和工程等資料,有利于發(fā)現(xiàn)和保護礦層,有利于減少對鉆具套管及設備的腐蝕,有利于環(huán)境保護。泥漿體系一般分為清水潤滑沖洗液、無固相聚合物沖洗液、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,鉆進效率較高,但對孔壁無保護作用,對鉆具潤滑性較差;潤滑沖洗液適用于高轉(zhuǎn)速深孔鉆進,泥漿沖洗液應用于孔壁不穩(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)護壁好、相對密度小、鉆速高等特點,應用廣泛;低密度流體沖洗液主要用于缺少地區(qū)和鉆孔沖洗液嚴重漏失的地層。

        圖2 下入井口鉆桿示意圖

        本地區(qū)開孔使用清水灌澆鉆頭,下入套管后使用泥漿。配方:1m3水+20 公斤膨潤土+1 公斤CMC(甲方現(xiàn)場只2 種泥漿材料)。此配方較簡單,現(xiàn)場使用便于維護,基本可以滿足地層使用。

        按配方配制時,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攪拌,使之性能達到比重1.3g/cm3,粘度26s 左右,失水量20ml/h。

        注意:每次取芯上鉆過程中必須進行注漿操作,防止抽垮地層;每次停轉(zhuǎn)等待過程中,必須對井內(nèi)進行灌漿作業(yè),穩(wěn)定井壁。

        4 工程案例

        Zk1605 鉆孔事故處理經(jīng)過:

        8 月12 日下午13 時1605 孔下套管3.9m 后換46mm 鉆具加桿鉆進,井內(nèi)開始返上紅色泥土水,繼續(xù)鉆進加桿鉆至11.25 米,井內(nèi)返上粗顆粒砂巖巖粉,繼續(xù)使用清水鉆進。

        14 時30 分加桿鉆進至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,班長強力抽拉,來回上下至井口30cm 無法下鉆,亦無法上鉆。

        15 時加大泵量,勉強合車(井口距離不夠)強力轉(zhuǎn)動,3min后水泵調(diào)壓閥打開自動泄壓,動力柴油機熄火。

        15 時30 分,合車不開泵空轉(zhuǎn),根據(jù)導桿長度計算,鉆具距離井底65cm,來回反復轉(zhuǎn)、停,轉(zhuǎn)拉,轉(zhuǎn)頂,因?qū)U油缸無有效上頂標尺,20min 后無效果,熄火解開導桿。

        16 時,用卷揚機向上拉緊鉆桿,眾人合力搬動管鉗上盤井內(nèi)鉆桿,邊用鋼絲繩向上拉邊用加力管鉗繼續(xù)轉(zhuǎn)動,30min 后鉆桿上升16cm,離開井口46cm,后無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動,亦無法拉動。

        17 時,從礦部拿來20 噸千斤頂2 個,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)過多次嘗試,向上頂出鉆桿50cm,此時鉆桿距離井口96cm。

        13 日上午7 時,繼續(xù)用千斤頂提升鉆桿10cm,后反彈無法繼續(xù),亦無法人力轉(zhuǎn)動。

        8 時,經(jīng)過丈量判斷鉆桿4.5m 下部已進入井口套管(下套管3.9m),故在井口用管鉗反轉(zhuǎn),在井下解開鉆桿,上鉆后發(fā)現(xiàn)從井下第二根鉆桿扣處解開,此時井內(nèi)留一根鉆桿4.5m 和鉆具2m。

        9 時,現(xiàn)場果斷決定下鉆。換用單根2.25m 加一根4.5m 鉆桿,合車連接主動鉆桿(導桿4.2m),計算機上殘尺剩余1.45m(鉆桿絲扣0.04m),做好紅色標記,緩慢下鉆到底。

        10 時,井口異響鉆桿接觸,人力緩慢轉(zhuǎn)動上扣,后用鋼絲繩上拉,反復多次嘗試,柴油機憋車,判斷井下對口成功。迅速開水泵,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,從鉆桿壁磨損情況判斷井底4.8m 以下全部砂粒,鉆桿平口臺階已經(jīng)磨平,鉆具外管全部磨光。

        當日11 時,清洗鉆具,整理機場,井內(nèi)事故處理成功。

        5 施工經(jīng)驗及建議

        5.1 普鉆優(yōu)點

        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,孔徑擴大,易斷鉆桿,這恰恰是普鉆的優(yōu)點,鉆進效率高,事故率低。

        普通取芯鉆進適宜鉆進易風化砂泥巖等軟弱地層、巖芯破碎的復雜地層,鉆進效率比繩索取芯鉆進高,泥巖縮徑影響不大,孔內(nèi)事故便于處理??摄@性1 級~5 級地層,效率很高;對粘度、固相要求不高,鉆桿為地質(zhì)專用管材、加工精度不高、易彎曲,成本較低。

        5.2 普鉆缺點

        輔助時間長,頻繁上下鉆勞動強度大;受取芯管長度限制,不能較大間斷連續(xù)取芯;受鉆桿尺度影響,不能滿眼鉆進,孔深和采取率均受影響。

        圖3 鉆桿平口臺階磨平圖

        圖4 清洗前后鉆具圖

        鉆進硬地層效率低,鉆頭壽命短,易孔斜,勞動強度大,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、振動大、泥漿壓力等因素影響下巖心易脫落,輔助時間長、勞動強度大;對孔壁破壞較大,易孔斜,孔內(nèi)事故率高。

        5.3 建議

        (1)根據(jù)地層具體情況選擇合適的鉆井類型,目前較先進的是繩索取芯鉆進,也可采用普鉆與繩索取芯相結(jié)合的方法,可以提高鉆進效率。

        (2)鉆探施工現(xiàn)場切忌用清水鉆進,重視泥漿技術(shù),特別是復雜地層。(3)機場應配備常用的事故處理工具,如絲錐、套銑鉆頭等。(4)鉆探施工過程中,根據(jù)實際情況選取合適的鉆進參數(shù)和泥漿配比方案,預防孔內(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。

        6 結(jié)語

        鉆探工程屬于地下施工工程,鉆孔地下各種復雜情況隨時會發(fā)生并影響工程質(zhì)量和進度,做好孔內(nèi)事故的預防工作,采取有效可行的預防措施,對地層情況進行全面分析,制定合理可行的施工組織技術(shù)方案,經(jīng)常檢測泥漿各項指標和檢查設備運轉(zhuǎn)情況,多觀察鉆進過程中所出現(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)濟效益。

        普鉆涉及的面比較廣泛,它不僅僅能夠適應于提鉆取心的固體巖心鉆探工作,還適應工建勘查、道橋工程、鈾勘、水井等等較大口徑鉆孔的施工。無論何種鉆探取芯方法,都是利用各種施工技術(shù)和方案,不斷提高預防和處理事故的技術(shù)水平。對于復雜地層沒有唯一或者萬能的解決辦法,只有根據(jù)實際情況和現(xiàn)場處理工具水平,采取最行之有效的方案解決處理問題,以上是我針對該地區(qū)該鉆孔的一些方法和現(xiàn)場經(jīng)驗,與同行們交流分享。

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