何玉云，訾 兵，王發(fā)民，曹學斌，何 林

（1.寧夏核地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

近年來，隨著地質(zhì)勘查技術(shù)手段的發(fā)展，物探測井技術(shù)方法在地質(zhì)勘探領(lǐng)域得到了廣泛的應用［1］。以往在鉆遇復雜地層時，為了完成鉆探施工任務，需要下鋼套管對孔壁進行保護［2］，但是，下入鋼套管對后期物探測井的測量信號有一定的屏蔽作用［3］，不利于物探儀器在孔內(nèi)正常工作，因此，需要采用一些對物探儀器信號屏蔽較弱的材料作為鋼材套管的替代材料。PVC（聚氯乙烯）類材質(zhì)的套管在這方面具有一定的適應性［4-6］，得到了很好的應用。PVC-U（硬聚氯乙烯）是以聚氯乙烯樹脂為主要原料，加入適量的穩(wěn)定劑、潤滑劑、填充劑、增色劑等加工而成。其物化性能優(yōu)良，耐化學腐蝕，流體阻力小，耐老化，使用壽命長，應用成本低。與常規(guī)鋼材質(zhì)地質(zhì)套管相比，PVC-U類材質(zhì)的套管抗拉強度和抗剪強度較低［7-8］，抗沖擊強度低，在地質(zhì)鉆孔淺孔使用時風險較低，但在中深孔使用時，對PVC-U套管的材質(zhì)和下管工藝要求較高［9-11］，需要做好前期準備工作。本文就內(nèi)蒙古棋盤井煤礦區(qū)一口中深孔的PVC-U套管的下管工藝進行探討。

1 工程概況

1.1 工程基本要求

該工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)，目的是對內(nèi)蒙古棋盤井鎮(zhèn)某礦區(qū)地質(zhì)異常體進行探查，查清陷落柱或斷層、構(gòu)造發(fā)育及水文地質(zhì)情況。布置一眼鉆孔（直孔），設(shè)計深度535 m，覆蓋層及基巖風化層為鋼套管，進入基巖后為裸孔［12］，按照地質(zhì)設(shè)計要求，終孔后全孔下入內(nèi)徑≮70 mm的PVC-U套管，PVC-U套管下入孔內(nèi)設(shè)計深度后要保持完整、不變形、不破損且能保證瞬變儀器探管（直徑38 mm、長度4 m）安全順利進出鉆孔為原則?？椎撞荒苡谐猎苊釶VC-U套管和瞬變儀器探管［13］不能到達終孔深度。

1.2 地層巖性

地層巖性見表1。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計及地層特點，加之鉆孔布置于地質(zhì)陷落柱的中心位置，地層巖性整體比較破碎。

表1 地層巖性特點Table 1 Formation lithology

1.3 施工難點和注意事項

PVC-U套管在小口徑中深孔中使用較少（常規(guī)采用鋼材質(zhì)地質(zhì)套管），主要因為安放PVC-U管存在多方面風險隱患：一是PVC-U材質(zhì)密度低（約1.5 g/cm3），鉆孔沖洗液產(chǎn)生的浮力致使PVC-U套管不易下沉安放到位；二是PVC-U套管抗拉強度低，如果地層縮徑或垂直度偏差過大，安放過程中受阻導致下放不到位，上拉提管容易斷裂，同時如果接頭連接不牢固容易發(fā)生脫節(jié)造成孔內(nèi)事故；三是PVC-U套管抗剪強度低，安放過程如果碰撞沖擊過大，可能造成管壁破損而導致鉆孔報廢。

該礦區(qū)地層以礫巖為主，夾雜砂巖和砂質(zhì)泥巖，整體上比較破碎，不利于鉆孔孔壁穩(wěn)定，對順利下入PVC-U套管帶來了一定的難度。

為降低以上風險及隱患，開工前研究分析風險隱患產(chǎn)生的原因，針對每個工序制定防范措施和工藝方法，保證PVC-U套管一次安放到位。

2 施工過程及技術(shù)措施

2.1 鉆進方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

該鉆孔采用XY-6B型立軸式鉆機施工，配備BW260/7型泥漿泵，開鉆時間2020年6月15日，完鉆時間7月18日。一開采用?60 mm地質(zhì)鉆桿+? 89 mm單管取心鉆具+?113 mm復合片取心鉆頭鉆進至15 m，提鉆換?190 mm擴孔鉆頭［14-15］擴孔至15 m，下?146 mm鋼套管；二開換?60 mm地質(zhì)鉆桿+?89 mm單管取心鉆具+?113 mm復合片取心鉆頭鉆進至設(shè)計深度，繼續(xù)鉆進5 m作為砂袋，防止掉塊和巖粉沉降影響套管不能下入孔底的現(xiàn)象發(fā)生。由于受PVC-U管材質(zhì)所限，加之孔深超過500 m，為了防止下套管過程中發(fā)生遇阻等復雜情況，確保一次下放到位，因此，下入外徑90 mm PVC-U套管之前采用?133 mm擴孔鉆頭進行了擴孔，終孔口徑為133 mm，具體鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Borehole structure

2.2 鉆進工藝

為確?？妆诜€(wěn)定和施工過程順利，鉆進沖洗液采用北京探礦工程研究所研制的成膜沖洗液體系，該體系護壁效果良好，有效防止了鉆孔坍塌掉塊，保證鉆孔孔壁穩(wěn)定；同時，合理控制鉆進參數(shù)，確保鉆孔百米垂直度偏差＜1°，降低下管過程中套管壁與孔壁之間的摩擦阻力和碰撞沖擊；終孔后更換沖洗液，調(diào)整沖洗液參數(shù)，含砂量＜3%，沖洗液密度1.04 g/cm3，粘度22～24 s，以降低孔內(nèi)沖洗液對PVC-U套管的浮力和孔底沉渣厚度。

2.3 鉆孔直徑探測

采用?113 mm復合片取心鉆頭鉆進至設(shè)計深度后，為確保下套管順利，采用?133 mm擴孔鉆頭進行了全孔擴孔，采用物探測井測量鉆孔直徑和垂直度，測井結(jié)果顯示，鉆孔傾角為3.8°，鉆孔斷面直徑133～165 mm。鉆孔孔徑曲線見圖2。

圖2 鉆孔孔徑曲線Fig.2 Caliper logging curve of the hole

3 PVC-U套管技術(shù)改造及下管工藝

3.1 PVC-U套管技術(shù)參數(shù)

按照地質(zhì)設(shè)計要求，選用的PVC-U套管需能承受1.6 MPa的公稱壓力，且內(nèi)徑≮70 mm，根據(jù)調(diào)研，按照《給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材》（GB/T 10002.1—2006）國家標準，外徑90 mm的PVC-U管內(nèi)徑為76.6 mm，既可以滿足內(nèi)徑的要求也滿足承壓要求，最終選用外徑90 mm的PVC-U管作為該鉆孔的套管。PVC-U管主要技術(shù)指標：外徑90 mm，壁厚6.7 mm，公稱壓力1.6 MPa，彎曲度≤1%，且內(nèi)外表面光滑、無明顯劃傷、凹陷及可見雜質(zhì)，不透光，切割斷面平整。

3.2 PVC-U套管技術(shù)改造

有些地下水監(jiān)測井和水井已經(jīng)開始使用PVCU井管作為成井管材，由于地下水監(jiān)測井和水井的孔徑較大，PVC-U套管選擇余地較大，更容易滿足施工需要。而地質(zhì)巖心鉆探多為小口徑鉆進，終孔口徑較小，一般采用鋼管作為套管，PVC-U套管的施工經(jīng)驗較少。加之該鉆孔布置在地質(zhì)陷落柱上，鉆遇地層比較破碎，容易出現(xiàn)掉塊和卡鉆現(xiàn)象，因此，對順利完成535 m PVC-U套管下管帶來了一定的難度。由于本次施工采用的是連接類型為R型的PVC-U管，其主要用于建筑垂直給水或地面平鋪給水，使用時，R型接頭凹槽部位會安裝橡膠圈，達到連接固定效果，另外，垂直給水安裝時PVC-U管是自下而上安裝，并且在墻壁上會有固定。該連接方式不適合鉆孔內(nèi)使用，故需進行一定的技術(shù)改造。

原有PVC-U套管管體外徑90 mm，接頭位置隆起部位最大外徑110 mm，理論環(huán)孔間隙11.5 mm，不利于下入孔徑133 mm的鉆孔，由于地層破碎，繼續(xù)擴孔勢必增加施工難度和風險，因此對PVC-U套管接頭進行了改進。具體做法是用切割機鋸掉R型接頭，改用內(nèi)徑90 mm、壁厚6 mm、長度100 mm的管箍將套管對接，再用粗砂紙對切掉R型接頭的PVC-U管兩端進行打磨處理，以增加摩擦阻力，并涂抹PVC-U專用膠，對接后在接箍段1/4位置均布4個?5 mm螺釘眼孔，上下兩層共8個，連接成長度14 m的立根，在下入孔內(nèi)時在孔口處用12 mm長的M6平頭螺絲固定，提高PVC-U套管連接部位抗拉強度和扭矩并保證連接垂直度。R型PVC-U套管加工改進前后實物見圖3。

圖3 R型PVC-U套管改進前后實物Fig.3 “R” PVC-U casing before and after improvement

改進后的PVC-U套管接箍外徑102 mm，鉆孔孔徑133 mm，理論環(huán)空間隙15.5 mm，加之鉆進過程中孔壁受到?jīng)_洗液沖刷等因素的影響，實際孔徑大于理論孔徑，測井結(jié)果顯示，由于地層破碎，部分孔段孔徑明顯增大，因此改進后的PVC-U套管能夠滿足孔徑方面的技術(shù)要求。

3.3 下管工藝

為了確保PVC-U套管下管順利，既要考慮鉆孔孔徑是否滿足下管要求，又要考慮PVC-U套管連接是否牢靠，同時要確保下管全過程PVC-U套管不被破壞，另外還要考慮沖洗液產(chǎn)生的浮力對下入PVC-U套管的影響。滿足孔徑和連接方面的問題已經(jīng)解決，保護PVC-U套管下入過程不被破壞和平衡沖洗液浮力是后續(xù)需要考慮的主要問題。

（1）在裸眼孔段下入PVC-U套管，由于受孔壁的摩擦，PVC-U套管很容易被撞擊或擠壓，有可能出現(xiàn)“卡鉆”現(xiàn)象，不能確保PVC-U套管完好無損的下入孔底，一旦出現(xiàn)上述情況，需要重新起拔PVC-U套管，起拔后的套管不能二次使用，勢必造成成本的增加，起拔過程遇阻也可能造成PVC-U套管斷裂導致鉆孔報廢，為此，技術(shù)人員在PVC-U套管前段加工了一個長度50 cm，最大外徑90 mm，最小外徑60 mm，帶有錐度的尼龍導向錐頭（見圖4），以減少下入PVC-U套管過程中孔壁對套管的刮擦或卡頓。

圖4 尼龍導正錐頭Fig.4 Nylon guide cone head

（2）根據(jù)出廠參數(shù)，PVC-U套管的質(zhì)量為2.734 kg/m，外徑90 mm，壁厚6.7 mm，內(nèi)徑76.6 mm，由此可以計算出PVC-U套管材料密度為：

式中：ρs——PVC-U套管材料密度，g/cm3；m——PVC-U套管米重，取2.734 kg/m；v——每米PVCU套管的材料體積，m3；d——PVC-U套管直徑，取0.09 m；δ——PVC-U套管壁厚，取0.0067 m。

由上述計算可知，PVC-U套管材料密度為1.56 g/cm3，終孔后孔內(nèi)沖洗液密度1.04 g/cm3，PVC-U套管材料密度大于沖洗液密度，有利于套管下放。

同時，為了平衡沖洗液產(chǎn)生的浮力，加工了一根9 m長的“濾水管”（見圖5），每隔15 cm對向打?10 mm小孔，保證PVC-U套管下放過程中沖洗液的內(nèi)外連通，以減少沖洗液對套管產(chǎn)生的浮力。

圖5 濾水管Fig.5 Screen pipe

（3）在下入PVC-U套管前對沖洗液參數(shù)進行了調(diào)整［16］，此次鉆進采用的是北京探礦工程研究所研制的成膜沖洗液體系［17］，設(shè)計密度1.04～1.07 g/cm3，失水量6～8 mL/30min，該體系性能優(yōu)良，可以有效保護破碎地層的巖心和孔壁，鉆進至540 m時，測得循環(huán)時孔口沖洗液密度1.15 g/cm3，重新配置2.0 m3密度1.04 g/cm3沖洗液進行循環(huán)換漿，循環(huán)2 h后測得孔口沖洗液密度為1.04 g/cm3。

（4）下管前仔細檢查每根PVC-U管的質(zhì)量，有破損或裂縫的嚴禁下入孔內(nèi)。下放過程對準鉆孔中心，輕拉慢放，以管材自重下沉，如果下放遇阻輕輕回轉(zhuǎn)PVC-U套管，嚴禁強行下壓。

3.4 套管柱受力情況分析

PVC-U套管柱在孔內(nèi)的受力主要來自套管自重產(chǎn)生的軸向拉力，且軸向拉力在套管柱上自下而上逐漸長大，在孔口處套管所承受的軸向拉力最大，是危險截面，其拉力用F0表示：

式中：q——套管單位長度的名義重力，取26.79 N/m；L——套管長度，取535 m；F0——井口處套管的軸向拉力，經(jīng)計算得14.33 kN。

實際上，套管下入孔內(nèi)是處在沖洗液環(huán)境中，套管要受到?jīng)_洗液的浮力，各處的受力要比在空氣中的拉力小。

因此，考慮浮力時的拉力Fm為：

式中：ρd——沖洗液密度，取1.04 g/cm3；ρs——PVC-U套管材料密度，取1.56 g/cm3。

通過計算，套管柱在沖洗液環(huán)境下，孔口處套管承受的最大軸向拉力為4.78 kN。

為了檢驗改進后的連接方式是否滿足套管柱孔口位置承受的最大軸向拉力，在將PVC-U套管下入孔內(nèi)之前做了現(xiàn)場拉力試驗，將兩根改進后的PVC-U套管按設(shè)計方案連接，在鉆機上進行了軸向拉力試驗。具體方式是：將連接后的兩根PVC-U套管一端固定在孔口處，一端用夾板固定后用鉆機卷揚機慢慢提升，鉆機拉力表指針達到10 kN時停止拉升，保持2 h完好無損。由此可見，經(jīng)過改進后的套管，材質(zhì)及連接方式能避免最大軸向拉力引起的疲勞破壞。

4 應用效果探討

根據(jù)設(shè)計方案，在孔口處用夾板固定PVC-U套管，涂抹PVC-U專用膠，連接后用12 mm平頭螺絲固定，每次連接固定后等待15 min，確保PVC-U專用膠粘結(jié)牢靠，再依次下入孔內(nèi)，下放過程中，完全靠套管自重產(chǎn)生的重力下降，由于沖洗液浮力的影響，套管下降比較緩慢，因此，整個套管柱受拉力引起的破壞程度大大降低，PVC-U套管下管方式及連接固定見圖6。

圖6 PVC-U套管下管方式及連接固定Fig.6 Running-in-hole mode and connection of PVC-U casing

由于此次采用的是長度7 m的PVC-U套管，為了節(jié)約下管時間，事先在地面進行了對接，每兩根單根對接在一起組成長度14 m的立根，鉆塔二層平臺高度13.5 m，比較便于人員操作，整個下管過程耗時10 h，下入深度535 m，下管過程順利，沒有出現(xiàn)遇阻和卡鉆等復雜情況。完成PVC-U套管下管工作后，在孔口用夾板固定PVC-U套管，以防止晃動，配合科研人員開展了一系列孔內(nèi)科學實驗。完成孔內(nèi)科學試驗后，為了保證礦區(qū)采礦安全，防止發(fā)生透水等事故，根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，對PVC-U套管進行了起拔，具體做法是將夾板固定在接箍處，用卷揚機慢慢拉升，邊起拔邊拆卸，整個起拔過程順利，起拔后按要求對鉆孔進行了水泥封孔處理。

5 結(jié)論

（1）采用PVC-U管作為科學實驗孔的套管，物探儀器在孔內(nèi)受到的干擾較小，出入安全，具有很好的應用前景。

（2）相比鋼套管而言，PVC-U套管抗外擠強度、屈服強度和抗拉強度等都比較弱，在小口徑中深孔使用時，一定要有嚴格的設(shè)計方案。對接頭改進并進行抗拉強度驗證，下管過程中采用尼龍導向錐頭配合“濾水管”的方式，可順利完成小口徑深孔PVC-U套管的下管工作。

（3）給水用硬聚氯乙烯（PVC-U）管材可以作為科學實驗鉆孔進行孔內(nèi)實驗的保護套管，能否作為鉆進時保護孔壁和封堵漏失地層，有待進一步驗證。