房 勇， 錢 鋒

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

1 概述

復(fù)雜地層鉆探因其地層穩(wěn)定性差，鉆孔垮塌、掉塊、縮徑和超徑等鉆進(jìn)故障非常普遍，嚴(yán)重影響鉆探工程質(zhì)量和鉆探效率。套管護(hù)壁是緩解復(fù)雜地層鉆進(jìn)的有效措施，但地質(zhì)鉆探屬于探索性工作，實際與設(shè)計往往不相符，施工中，由于復(fù)雜地層的深度和厚度的不可預(yù)見性，裸孔鉆進(jìn)難有效穿越復(fù)雜地層，即使鉆穿地層，提鉆和下套管過程中，鉆孔垮塌等故障難免，導(dǎo)致套管難下至有效孔深，長期以來，復(fù)雜地層鉆進(jìn)難的問題普遍存在。

針對復(fù)雜地層孔壁不穩(wěn)定及其故障特征，地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)運而生。即采用專用套管代替繩索鉆桿，進(jìn)行隨鉆下套管，通過一道工序完成傳統(tǒng)鉆進(jìn)方法需要“裸孔取心鉆進(jìn)”和“下套管”兩道工序才能完成的施工作業(yè)，大大地消除傳統(tǒng)頻繁起下鉆導(dǎo)致的鉆進(jìn)故障和孔內(nèi)事故，提高綜合鉆探效率、降低綜合鉆探成本、改善鉆探施工環(huán)境和降低勞動強(qiáng)度、促進(jìn)安全生產(chǎn)。為實現(xiàn)地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)這一種鉆探新方法，需要在繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)的平臺上，研究開發(fā)可代替繩索取心鉆桿和傳統(tǒng)技術(shù)套管的專用套管。

2 設(shè)計思路及原則

專用套管在地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)實施期間，鉆進(jìn)時作為繩索取心鉆桿使用，具有傳遞鉆壓、扭矩及傳遞沖洗液的通道功能；鉆進(jìn)結(jié)束后，作為技術(shù)套管留在孔內(nèi)，恢復(fù)護(hù)壁套管功能，所以，專用套管必需具備繩索取心鉆桿及護(hù)壁套管的功能，即專用套管應(yīng)遵循以下設(shè)計原則：

(1)滿足套管取心鉆具的鉆進(jìn)要求，即能作為鉆桿，傳遞足夠的鉆壓和扭矩給孔底套管取心鉆具，使后者能充分破碎巖石。

(2)具有滿足套管取心鉆具的主鉆具投送和打撈的內(nèi)徑空間。

(3)套管柱內(nèi)腔作為沖洗液的輸送通道，要求單根套管之間的連接不能漏水。

(4)套管尺寸執(zhí)行地質(zhì)巖心鉆探相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

(5)套管連接有助于快速起下鉆。

3 結(jié)構(gòu)及材料選型

遵循套管設(shè)計原則，根據(jù)《金剛石巖心鉆探鉆具設(shè)備》(GB/T 16950-1997)、《金剛石繩索取心鉆探鉆具設(shè)備》(GB/T 16951-1997)標(biāo)準(zhǔn)，《地質(zhì)巖心鉆探鉆具》(GB/T 16950-2014)國家標(biāo)準(zhǔn)、《地質(zhì)巖心鉆探金剛石鉆頭》(DZT 0277-2015)和《地質(zhì)巖心鉆探金剛石擴(kuò)孔器》(DZ/T 0278-2015)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用繩索取心鉆桿的結(jié)構(gòu)類型，單根套管由上接頭、管體和下接頭組成，見圖1。

圖1 專用套管結(jié)構(gòu)示意圖

為使專用套管的各項技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，我們在室內(nèi)對不同材料、螺紋形式及熱處理工藝的套管接頭副進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拉伸及抗扭試驗，為套管的材料、結(jié)構(gòu)、螺紋形式及熱處理工藝的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

套管鉆進(jìn)使用的專用套管，既要有普通套管的護(hù)壁功能，又必須具備繩索鉆桿功能，所以，套管結(jié)構(gòu)采用繩索鉆桿基本結(jié)構(gòu)類型。選用3種不同的材料：R780、45MnMoB、30CrMnSiA，2種不同形式的螺紋：對稱螺紋和非對稱螺紋，以及不同的熱處理工藝：正火和調(diào)質(zhì)，進(jìn)行接頭副加工。由于測試設(shè)備能力的限制，我們將接頭副縮小為外徑71 mm，進(jìn)行了12組(36副)的?71 mm接頭副結(jié)構(gòu)拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1。

考慮地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)工藝的特殊性，在鉆進(jìn)過程中，專用套管既要有普通套管的護(hù)壁功能，又必須具備繩索取心鉆桿的功能，即套管鉆進(jìn)中使用的專用套管的性價比及綜合性能應(yīng)該介于繩索取心鉆桿和普通套管之間。根據(jù)套管接頭副結(jié)構(gòu)拉伸試驗所得試驗數(shù)據(jù)分析，45MnMoB的?71 mm接頭正火、對稱螺紋條件下的抗拉能力380 kN左右，?114.3 mm接頭抗拉能力將大幅提高。

表1 ?71 mm接頭副結(jié)構(gòu)拉伸試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)以上分析，專用套管采用繩索鉆桿基本結(jié)構(gòu)類型；材料為45MnMoB材料，調(diào)質(zhì)HRC28～32；對稱螺紋結(jié)構(gòu)。

4 拉伸和抗扭試驗

4.1 拉伸試驗

確定了套管的材料、螺紋連接形式和熱處理工藝后，加工了?114 mm的套管接頭成品樣具，再次進(jìn)行了拉伸結(jié)構(gòu)試驗。由于拉伸試驗設(shè)備(微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī))能力的限制，在達(dá)到試驗設(shè)備承載的極限噸位后，即自動卸載。最大抗拉能力達(dá)到965.26 kN。

得出試驗數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析對比，最終確定材料、螺紋形式和熱處理工藝。最終得出的專用套管接頭副的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)為：試驗時室內(nèi)溫度20 ℃，室內(nèi)濕度70%，材料選用45MnMoB，對稱螺紋，調(diào)質(zhì)HRC28～32熱處理工藝，上屈服點965.26 kN，最大拉力965.26 kN。

4.2 抗扭試驗

專用套管的抗扭試驗，我們通過鉆機(jī)對試驗樣具施加扭力，記錄所需的壓力數(shù)據(jù)，再通過公式T=1510P(T——扭矩，N·m；P——壓強(qiáng)，MPa)計算出螺紋的扭矩，其試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 專用套管接頭副扭矩試驗數(shù)據(jù)

通過本次對專用套管接頭副的扭矩試驗，證明了該套管在最大扭矩19932 N·m的作用下(在達(dá)到最大扭矩時，公母螺紋連接尚未破壞)，能保證公母螺紋連接的強(qiáng)度，驗證了該套管連接處的穩(wěn)定習(xí)性和可靠性。

4.3 試驗小結(jié)

(1)通過采用3種不同材料、2種不同螺紋及2種不同的熱處理工藝加工的?71 mm套管接頭副進(jìn)行的結(jié)構(gòu)拉伸試驗，確定了選用45MnMoB作為套管材料，對稱螺紋作為套管的連接形式以及熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理HRC28～32，其上屈服點和最大拉力介于550～580 kN。

(2)進(jìn)行的?114.3 mm套管接頭副結(jié)構(gòu)拉伸試驗，雖未達(dá)到能致使套管接頭破壞的軸向最大拉力，但試驗證明使用該材料、螺紋和調(diào)質(zhì)處理的套管接頭副在965.26 kN拉力下，能保證套管接頭的強(qiáng)度。

通過套管接頭副抗扭試驗，抗扭能力(大于19 kN·m)可以滿足地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)的工藝要求。

5 生產(chǎn)試驗

研制的專用套管于2015年5月24日至2015年6月19日，在若爾蓋整裝勘查區(qū)ZK12-1鉆孔進(jìn)行應(yīng)用，由四川省金核地質(zhì)勘探工程有限公司4號機(jī)組承擔(dān)。套管鉆進(jìn)從33.96 m開始，鉆至270.12 m結(jié)束，順利完成ZK12-1孔(鉆孔設(shè)計)的?114 mm孔段的鉆探任務(wù)，隨鉆將套管下到并固定在相對完整的砂巖地層中，為下部孔段施工創(chuàng)造了良好的條件。

5.1 試驗條件

5.1.1 礦區(qū)概況

若爾蓋礦區(qū)位于海拔3100～4060 m的川西北高原，勘查區(qū)地形相對高差較大，山坡很陡，屬于高海拔艱險地區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候?qū)俑咴瓪夂颍曜罡邭鉁?9 ℃，最低氣溫-26 ℃，年平均氣溫3.7 ℃，氣溫變化大。機(jī)臺用電通過聯(lián)網(wǎng)供電實現(xiàn)，另外配備有發(fā)電機(jī)組隨時可應(yīng)急使用，機(jī)臺用水通過水泵從河溝泵送至機(jī)臺。

5.1.2 地層情況

礦區(qū)巖層主要為砂巖、板巖和炭質(zhì)板巖的互層，為泥質(zhì)，砂狀和板狀構(gòu)造，時有小斷層(泥質(zhì))，換層非常頻繁；地層傾角70°～80°，裂隙發(fā)育，巖石破碎，試驗孔段巖石完整度RQD值大多低于30%，極少數(shù)能達(dá)到40%。礦區(qū)地層異常復(fù)雜，鉆孔施工中，鉆孔漏失、垮塌、孔斜、斷鉆桿、埋鉆卡鉆等現(xiàn)象，被鉆探工程師稱為“五毒俱全”的復(fù)雜地層(頻繁發(fā)生孔漏、孔垮、孔斜、斷鉆和埋鉆等)，鉆探施工非常困難。

ZK12-1全孔地層主要是板巖較破碎，性軟易碎夾有黃鐵礦，易垮塌掉塊、漏失，而硅質(zhì)巖部分較完整，巖石性硬，可鉆性級別7級；設(shè)計孔深750 m，0～230 m斜直孔，頂角5°，方位角199°；230～270 m孔段，造斜至頂角13°～5°(方位199°)；270 m至終孔，斜直孔鉆進(jìn)。實施套管鉆進(jìn)孔段的地層情況，見表3。

表3 套管鉆進(jìn)孔段地層情況

5.1.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

ZK12-1孔鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示，?150 mm開孔，開孔頂角5°，方位角199°。進(jìn)行合金/普通金剛石取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至較完整基巖層，孔深預(yù)計40 m；進(jìn)行?130 mm換徑，鉆進(jìn)大約2 m，開始?114 mm套管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至孔深200 m左右(實際鉆至270.12 m)，將鉆柱(套管)留在孔內(nèi)護(hù)壁；換徑為?96 mm普通金剛石鉆進(jìn)，大約30 m深度后開始定向鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)后繼續(xù)?96 mm普通金剛石單動雙管取心鉆進(jìn)；鉆進(jìn)至500 m左右下入?91 mm套管，后換徑為?76 mm，進(jìn)行普通金剛石單動雙管鉆進(jìn)至終孔。

圖2 ZK12-1孔鉆孔結(jié)構(gòu)

5.1.4 設(shè)備及工藝條件

XY-5型立軸鉆機(jī)、BW-350型泥漿泵、18 m四腳塔；直徑10 mm卷揚鋼繩、?114 mm打撈器、木馬夾持器、普通切口提引器，配專用提頭提升鉆桿、聚磺沖洗液。

5.2 試驗情況

ZK12-1鉆孔設(shè)計頂角5°(斜直孔)，實際開孔頂角9°。根據(jù)地層較復(fù)雜的情況，鉆進(jìn)回次進(jìn)尺一般控制在2～2.5 m。

換?114 mm套管鉆進(jìn)之前，采用?130 mm鉆具由?146 mm換徑為?127 mm，進(jìn)尺2.4 m，為換徑導(dǎo)向創(chuàng)造條件?？咨?3.96 m，換徑采用?114 mm套管鉆進(jìn)，鉆孔直徑122 mm。

將?114 mm套管取心鉆具的副鉆具直接與?114 mm套管連接，作為繩索取心鉆桿柱，采用繩索取心鉆桿下鉆方法將套管下入鉆孔(見圖3)，鉆柱底端距孔底距離≥(主鉆具長度+500 mm)后，將套管鉆進(jìn)主鉆具采用打撈器送到孔底，進(jìn)行套管取心鉆進(jìn)。

圖3 下套管(下鉆)

2015年5月14日16:30-6月19日20:00，從33.96 m套管鉆進(jìn)至270.12 m，根據(jù)地層復(fù)雜程度以及孔內(nèi)工況調(diào)節(jié)鉆進(jìn)參數(shù)，采用表4中鉆進(jìn)參數(shù)。

表4 ?114 mm套管鉆進(jìn)參數(shù)

由于地層變層頻繁，裂隙較發(fā)育，巖石性硬，易漏失破碎，易垮塌掉塊，導(dǎo)致鉆速較低，在孔深39.97～160.02 m孔段，鉆速基本維持1 m/h左右，最高達(dá)到1.8 m/h，其中在孔深94.82～95.22 m孔段遇到硅灰?guī)r，巖石堅硬,致密度高，鉆速最低0.2 m/h。在孔深160.02～270.12 m孔段，鉆速基本維持1 m/h以上，最高達(dá)到3.8 m/h。在套管鉆進(jìn)試驗孔段，由于地層復(fù)雜，鉆速在0.2～0.65 m/h的較為常見。

本次試驗總進(jìn)尺236.16 m，隨鉆下入專用套管共267.31 m，共用時624 h，純鉆時間247.17 h，平均小時效率0.96 m，回次數(shù)165次，平均回次進(jìn)尺1.43 m，最大回次進(jìn)尺3.8 m，臺月效率295.2 m，取出巖心共194.56 m，巖心采取率82.4%，巖心直徑68 mm，試驗采取的巖心見圖4，起大鉆2次，提鉆間隔：126.06 m(17 d)和103.3 m。

圖4 試驗采取的巖心

鉆孔測斜數(shù)據(jù)，見表5，鉆孔孔斜滿足規(guī)范要求。

表5 ZK12-1孔試驗孔深測斜數(shù)據(jù)

套管鉆進(jìn)試驗結(jié)束后，通過打撈器提出主鉆具，直接將專用套管留在孔內(nèi)作為護(hù)壁套管，隨后換徑為?96 mm普通金剛石繼續(xù)鉆進(jìn)。小結(jié)：在野外生產(chǎn)試驗期間，鉆進(jìn)過程中，專用套管作為繩索取心鉆桿使用，從試驗開始至試驗結(jié)束，經(jīng)受破碎、堅硬地層及表5各種鉆進(jìn)參數(shù)等較惡劣條件的考驗；并作為傳遞泥漿的通道，經(jīng)受最大泵壓(憋泵近6 MPa)的考驗，其連接處無明顯漏水現(xiàn)象，套管磨損正常，無任何異?，F(xiàn)象。試驗結(jié)束后專用套管留在孔內(nèi)作為套管，恢復(fù)套管護(hù)壁功能。

6 結(jié)語

專用套管的成功研制，其穩(wěn)定的性能及技術(shù)指標(biāo)，為地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)的實現(xiàn)，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。通過室內(nèi)試驗的驗證及野外生產(chǎn)的應(yīng)用，證明了專用套管完全能滿足地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)的要求。其既滿足繩索取心鉆桿的要求，在完成鉆進(jìn)后也可做技術(shù)套管使用，在“五毒俱全”的復(fù)雜地層(孔壁易垮塌和掉塊、堅硬與軟地層頻繁換層、裂隙發(fā)育、漏失、易斜、取心困難等)和斜孔等惡劣鉆進(jìn)工藝條件下，專用套管作為繩索取心鉆桿，經(jīng)受鉆進(jìn)過程中傳遞回轉(zhuǎn)扭矩、鉆壓的考驗；并作為傳遞沖洗液的通道，經(jīng)受住持續(xù)高泵壓的考驗；在完成鉆進(jìn)任務(wù)后，無需起鉆直接作為技術(shù)套管下在孔內(nèi)，保證了上部孔段的穩(wěn)定，為下部鉆孔施工創(chuàng)造了良好的施工條件。目前地質(zhì)勘探套管鉆進(jìn)技術(shù)正處于推廣應(yīng)用階段，其配套的專用套管還需不斷的試驗和改進(jìn)，為套管鉆進(jìn)技術(shù)提供基礎(chǔ)研究。