胥 虹

(核工業(yè)天津工程勘察院，天津 寶坻 301800)

0 引言

貴州省是我國(guó)的礦產(chǎn)資源主要儲(chǔ)存地之一，然而構(gòu)造發(fā)育的喀斯特地貌，卻為鉆探工作帶來(lái)了很多困難。例如:灰?guī)r地層鉆進(jìn)不返水，鉆進(jìn)途中突然遇到溶洞等等。筆者在貴州省清鎮(zhèn)市犁倭鄉(xiāng)紅花寨、白浪壩鋁土礦勘探施工(以下簡(jiǎn)稱(chēng):貴州某鋁土礦勘探施工)中還遇到了在灰?guī)r中同時(shí)出現(xiàn)破碎漏孔坍塌掉塊的情況，使鉆進(jìn)施工難以進(jìn)行。針對(duì)這種復(fù)雜地層，經(jīng)過(guò)分析研究，決定采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)。套管跟進(jìn)技術(shù)多用在漂石或流沙層的鉆進(jìn)，一般鉆進(jìn)孔深只有十幾米，因此，在更深鉆孔中運(yùn)用是這次施工成功的關(guān)鍵。

1 工程概況

貴州某鋁土礦鉆探施工ZK3369孔的技術(shù)指標(biāo)為:傾角90°，開(kāi)孔直徑≥110 mm，終孔直徑≥75 mm，巖心采取率≥75%，礦心采取率≥80%，設(shè)計(jì)孔深280 m。

礦區(qū)地層剖面綜述如下。

(1)第四系(Q)，厚0～34.00 m。分布于緩坡溝谷地帶，為殘積、坡積、沖積層。由碎石和粘土組成，不整合覆蓋于各時(shí)代地層之上。

(2)棲霞組(P2q)，根據(jù)巖性特征分為3段。

第三段(P2q3):上部為淺灰、灰色厚層～塊狀含生物碎屑微晶灰?guī)r，含少量燧石結(jié)核和白云質(zhì)團(tuán)塊，下部為深灰色中厚層狀微晶生物灰?guī)r夾薄層泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，厚46.37～68.14 m;

第二段(P2q2):中上部為灰色塊狀細(xì)晶生物碎屑灰?guī)r，含燧石結(jié)核及條帶，且大致沿層分布，下部為薄～中厚層狀灰?guī)r夾泥質(zhì)生物碎屑灰?guī)r，底部6～8 m為灰色塊狀泥晶生物碎屑灰?guī)r。厚22.96～58.50 m;

第一段(P2q1):深灰色薄～中厚層狀生物碎屑灰?guī)r與灰黑色薄層生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r互層，具波狀層理，上部含燧石結(jié)核，厚17.64～49.16 m。

(3)梁山組(P2l)，厚9.59～46.27 m。

上部為黑色頁(yè)巖及粉砂質(zhì)粘土巖，含黃鐵礦結(jié)核。

中部為灰色中厚層狀細(xì)粒石英砂巖與灰色薄層狀粉砂質(zhì)粘土巖互層，由下而上石英砂巖增厚、增多。

下部為黑色粉砂質(zhì)粘土巖夾少量薄層泥質(zhì)白云巖，含細(xì)粒星散狀和結(jié)核狀黃鐵礦，不穩(wěn)定，時(shí)有尖滅。

(4)石炭系下統(tǒng)擺佐組(C1b)，厚 63.64～111.27 m。

淺灰、灰白色厚層～塊狀粗晶白云巖，下部25 m左右為細(xì)晶白云巖，底部3～8 m為深灰色中～細(xì)晶白云巖，含較多的灰綠色粘土巖團(tuán)塊及條帶，為見(jiàn)礦標(biāo)志層。

(5)九架爐組(C1jj)，厚0～25.09 m。

礦區(qū)內(nèi)隱伏于地下，按巖礦組合特征，可劃分為2段:

上段(鋁質(zhì)巖段):上部為灰綠色或雜色粘土巖，下部為灰色，灰白色鋁土礦或鋁土巖，鋁土巖多賦存于鋁土礦的上部或下部，常含黃色、暗灰色黃鐵礦結(jié)核和團(tuán)塊，厚0～19.67 m。

下段(鐵質(zhì)巖段):由暗紅色赤鐵礦、紫紅色鐵質(zhì)粘土巖、灰綠色綠泥石粘土巖組成，局部含黃鐵礦及菱鐵礦結(jié)核或團(tuán)塊，厚0～6.34 m。

(6)寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群(∈2－3ls)。

礦區(qū)內(nèi)隱伏于地下，為淺灰、肉紅色薄～中厚層狀細(xì)晶白云巖，夾少量黃綠色粘土質(zhì)頁(yè)巖，揭露厚73.38 m，未見(jiàn)底。

2 施工難點(diǎn)

2.1 前期施工情況

ZK3369孔前期鉆進(jìn)時(shí)選用了HXY－500型鉆機(jī)，BW150型泥漿泵，采用清水作為沖洗液。開(kāi)孔孔徑110 mm，鉆進(jìn)至16 m時(shí)遇到基巖，下好108 mm定向管后，換91 mm鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)1.1 m，孔底就開(kāi)始漏水。繼續(xù)鉆進(jìn)至22 m時(shí)發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，同時(shí)發(fā)現(xiàn)采取率只有30%，取上來(lái)的巖心只有個(gè)別成柱狀，大多數(shù)成塊狀，棱角鋒利(見(jiàn)圖1)。由此判斷該段地層掉塊嚴(yán)重，于是立即采用水泥封孔措施，水泥封孔時(shí)采用了速凝劑，然而水泥并未在鉆孔中堆積，連續(xù)2次封孔皆未取得成功，于是下入89 mm套管，套管在下到20 m時(shí)遇阻，采用強(qiáng)力下壓的方式下到22 m，采用S75繩索取心鉆具鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至28 m發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)負(fù)荷有所增加，取心后難以加桿，需要反復(fù)掃孔才能加桿鉆進(jìn)。一旦出現(xiàn)不再進(jìn)尺，起鉆就會(huì)發(fā)現(xiàn)鉆頭和擴(kuò)孔器已經(jīng)磨損嚴(yán)重，不能使用，更換鉆頭、擴(kuò)孔器后下鉆下到28 m時(shí)，又需要再次掃孔才能加桿鉆進(jìn)。隨著孔深增加鉆機(jī)負(fù)荷也越來(lái)越大，只能換低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。如此反復(fù)操作，由于鉆頭磨損嚴(yán)重，進(jìn)尺能力有限，連續(xù)幾天下來(lái)只能鉆至45 m，鉆頭和擴(kuò)孔器卻消耗無(wú)數(shù)。

圖1 取出的巖心

2.2 難點(diǎn)分析

面對(duì)著幾天工作毫無(wú)進(jìn)展，通過(guò)和地質(zhì)部門(mén)的共同探討分析，得出以下幾點(diǎn)看法。

(1)該孔漏孔嚴(yán)重，泥漿護(hù)壁堵漏措施無(wú)效，采用專(zhuān)門(mén)的堵漏技術(shù)也是徒勞，增加成本并且浪費(fèi)時(shí)間。

(2)該區(qū)地層可能遭受過(guò)強(qiáng)力構(gòu)造，導(dǎo)致巖心破碎，膠結(jié)力極差，坍塌掉塊現(xiàn)象明顯，如不隔離，鉆具難以繼續(xù)鉆進(jìn)。

(3)該區(qū)有燧石灰?guī)r地層，胎體硬度小于HRC25金剛石鉆頭才能進(jìn)尺，鉆進(jìn)效率本來(lái)就低，加上地層破碎，更增加了鉆進(jìn)難度。

(4)地質(zhì)部門(mén)推測(cè)，棲霞組第一段為深灰色薄～中厚層狀生物碎屑灰?guī)r與灰黑色薄層生物碎屑泥質(zhì)灰?guī)r互層，具波狀層理，該段地層比棲霞組第二、第三段的塑性強(qiáng)度大，膠結(jié)力好，理論形成褶皺構(gòu)造，不會(huì)縱向形成斷裂，地層穩(wěn)定，不會(huì)掉塊。由此推測(cè)破碎坍塌掉塊層厚度大概100 m左右。

結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和多年的施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)處理現(xiàn)有難題，其理論依據(jù)為:

(1)套管跟進(jìn)技術(shù)采用在普通套管前段安裝無(wú)內(nèi)徑鉆頭的鉆進(jìn)工藝，能在鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)下鉆進(jìn)擴(kuò)孔;

(2)因?yàn)樘坠芡鈴街槐瓤讖叫?～4 mm，可以阻止松散巖塊掉落，松散巖石與套管接觸面比使用鉆桿時(shí)候的接觸面要小，故而套管轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小，可以實(shí)現(xiàn)跟管鉆進(jìn);

(3)采用多層套管跟進(jìn)解決跟管鉆頭磨損而不進(jìn)尺和隨著孔深增加套管難轉(zhuǎn)動(dòng)的難題;

(4)采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)能夠保證取心率。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 設(shè)備及器具的選擇

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況以及施工技術(shù)的要求，選用YDXD－800BX型便攜式全液壓鉆機(jī)(自帶泥漿泵);配127 mm套管20 m，130 mm電鍍金剛石鉆頭1個(gè)，110 mm跟管鉆具一套(108 mm套管70 m，110 mm電鍍金剛石跟管鉆頭1個(gè))，91 mm跟管鉆具一套(89 mm套管100 m，91 mm電鍍金剛石跟管鉆頭1個(gè));S95、S75繩索取心鉆具各一套。其中鉆頭胎體硬度HRC25。

3.2 鉆進(jìn)施工

(5)進(jìn)入完整地層后采用S75繩索取心鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

套管級(jí)配見(jiàn)圖2。

圖2 套管級(jí)配圖

3.3 施工中遇到的問(wèn)題及解決措施

圖3 巖心從破碎到完整過(guò)渡照片

4 施工效益

ZK3369孔采用套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)后，經(jīng)過(guò)8天的鉆探施工順利完成了該孔的鉆探任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜地層鉆進(jìn)10.4 m/臺(tái)班的效率。最終孔深250.58 m，鉆孔孔斜2°00'，全孔采取率88%，礦心采取率高達(dá)99%，屬優(yōu)質(zhì)孔。該孔鉆進(jìn)中使用的套管最后都順利拔出，除跟管鉆頭磨損嚴(yán)重不能利用外，套管磨損輕微，可以再次利用，大大降低了施工成本。

5 結(jié)語(yǔ)

套管跟進(jìn)與繩索取心組合鉆探技術(shù)能在破碎漏孔坍塌掉塊的灰?guī)r地層中成功運(yùn)用關(guān)鍵在于以下5點(diǎn)。

(1)套管護(hù)壁解決地層破碎漏孔坍塌掉塊，膠結(jié)性差的特性。

(2)阻止套管轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力主要是掉塊與套管的摩擦阻力。由于有套管的護(hù)壁使之沒(méi)有大面積坍塌，接觸面積少，阻力就小，動(dòng)力就能傳遞給跟管鉆頭破巖做功。

(3)采用兩級(jí)套管跟進(jìn)方案，解決了因孔深的增加導(dǎo)致套管與孔壁摩擦阻力增加，動(dòng)力就不能傳遞給跟管鉆頭破巖做功，增加了套管跟進(jìn)的深度。

(4)廢機(jī)油的使用，減輕了套管摩擦阻力，增加了套管跟進(jìn)的深度

(5)采用了全液壓鉆機(jī)，因?yàn)槠?.3 m長(zhǎng)行程油缸，降低了套管跟進(jìn)鉆具和繩索取心因加桿而反復(fù)掃孔次數(shù)，提高了鉆進(jìn)效率。

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