童俊濤,呂文軍,陳明,曾令,王康,莫崇柳
(核工業(yè)二九〇研究所,廣東 韶關(guān) 512000)
廣東省仁化縣油洞地區(qū)鈾礦鉆探工程-長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)項(xiàng)目為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院國家重點(diǎn)基金項(xiàng)目,承擔(dān)鉆孔施工的單位為核工業(yè)二九〇研究所,主要目的為在廣東省仁化縣油洞地區(qū)開展深孔鉆探施工,進(jìn)行深部地質(zhì)研究工作,探索深部鈾成礦環(huán)境,揭示深部隱伏巖體、構(gòu)造、蝕變、礦化等產(chǎn)出特征[1-2]。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工鉆孔1個(gè),設(shè)計(jì)孔深1 500 m,實(shí)際終孔孔深1 709.32 m,施工天數(shù)142天,臺(tái)月效率417.12 m/臺(tái)月,在1 550 m 處發(fā)現(xiàn)了我國目前深度最深的工業(yè)鈾礦化,鉆孔各項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)格按照合同要求執(zhí)行。鉆孔位置位于廣東省韶關(guān)市仁化縣長江鎮(zhèn)油洞村,開孔方位角68°,開孔頂角10°,科學(xué)深鉆要求500 m 處鉆孔偏斜距離不超過15 m,1 000 m處鉆孔偏斜距離不超過30 m,1 500 m 處鉆孔偏斜距離不超過45 m。
長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)鉆孔位于諸廣南部長江礦集區(qū)長排地區(qū),北接棉花坑礦床,其地質(zhì)構(gòu)造位置處于長江斷陷帶中部,受油洞斷裂及黃溪水?dāng)嗔褞A持控制。區(qū)內(nèi)出露的主要巖體為長江巖體和油洞巖體,其次為中基性巖脈和石英正長巖;區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要有北東東、北北西、北西向3 組,其中北東東向?yàn)榭氐V構(gòu)造,北西向既是控礦構(gòu)造又是成礦構(gòu)造,北北西向(近南北向)為成礦構(gòu)造[3]。北東東向斷裂構(gòu)造不發(fā)育,主要由中基性巖脈充填,呈巖墻狀產(chǎn)出。
核工業(yè)二九〇研究所在工作區(qū)內(nèi)開展了多年施工研究工作,工作區(qū)鉆探施工揭露地層以印支期、燕山期花崗巖為主,見少量煌斑巖和輝綠巖;構(gòu)造巖以花崗碎裂巖、碎裂花崗巖、硅化碎裂巖、硅化構(gòu)造角礫巖為主[4]。
長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)鉆孔是廣東省仁化縣油洞地區(qū)鈾礦鉆探工程項(xiàng)目下的科研深孔,位于距仁化縣城48 km 的油洞地區(qū),于2019年11月3日開孔,2020 年1 月18 日—4 月15 日因春節(jié)疫情停工,2020 年7 月8 日終孔,終孔孔深1 709.34 m(表1)。
表1 長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)鉆孔基本數(shù)據(jù)表Table 1 Basic borehole data sheet of ChangJiang No.1 Deep Drill(GUSD-1)
開孔直徑φ130 mm,終孔直徑φ75 mm,其中φ95 mm 鉆進(jìn)至1 370 m,滿足φ95 mm 施工至1 000 m 以下的設(shè)計(jì)要求。
1)先采用φ130 mm 口徑硬質(zhì)合金鉆頭開孔,穿過表層到風(fēng)化層,下φ127 mm 套管;
2)換φ110 mm 口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn),穿過風(fēng)化層并繼續(xù)鉆進(jìn)至57.85 m,下φ108 mm 套管,以預(yù)防孔內(nèi)復(fù)雜情況,同時(shí)保障鉆孔偏斜度滿足設(shè)計(jì)要求;
3)下入φ108 mm 套管之后,換S95 口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn),鉆至1 370 m左右,下入φ91 mm套管;
4)下入φ91 mm 套管之后,換S75口徑金剛石鉆頭鉆進(jìn),至終孔1 709.34 m。
在整個(gè)施工過程中,根據(jù)工程地質(zhì)條件,下入3 層套管(φ127 mm、φ108 mm、φ91 mm)進(jìn)行護(hù)孔止漏(圖1)。
圖1 設(shè)計(jì)及終孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Comparison between the design and finished borehole structure
長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)采用的主要鉆探設(shè)備為:HXY-6A 鉆 機(jī)、HCX-18 型鉆塔、BW-300/16 型泥漿泵、2 m3泥漿攪拌桶,附屬設(shè)備主要有S114/6 型液壓管鉗1 臺(tái)、泥漿性能測(cè)試儀1套(圖2,圖3)。
圖2 長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)使用的主要設(shè)備照片F(xiàn)ig.2 Photos of main equipment used in ChangJiang No.1 Deep Drill(GUSD-1)
圖3 長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)平面部署圖Fig.3 Layout of ChangJiang No.1 Deep Drill(GUSD-1)
本次施工共選擇使用了37 個(gè)金剛石鉆頭,其中φ 95mm 金剛石鉆頭24 個(gè),平均進(jìn)尺54.75 m,φ75 mm 金剛石鉆頭11個(gè),平均進(jìn)尺30.82 m,φ95 mm金剛石鉆頭最高壽命127 m,φ75 mm金剛石鉆頭最高壽命82 m。
通過統(tǒng)計(jì)1 000 m深度后金剛石鉆頭的純鉆效率,發(fā)現(xiàn)S95 mm金剛石鉆頭的純鉆效率是S75 mm金剛石鉆頭的1.76倍,原因分析:一是在1 370 m深度處螺桿糾斜之后換S75口徑,并采取了控制鉆速等措施以達(dá)到防斜保直的目的[5];二是隨著頂漏鉆進(jìn)深度的增加,孔內(nèi)負(fù)荷增大,在采取降低轉(zhuǎn)速措施的同時(shí),鉆進(jìn)效率也相對(duì)降低;三是深部地層構(gòu)造蝕變發(fā)育,巖層軟硬不均衡,鉆頭適應(yīng)能力差,損耗較大。
鉆頭使用壽命統(tǒng)計(jì)分析:剔除最后一個(gè)未消耗完畢鉆頭,S95 mm 鉆頭使用平均壽命為55.17 m,S75 mm 金剛石鉆頭使用平均壽命為33.91 m。原因分析:一是隨著孔深增加,排粉難度大,導(dǎo)致孔內(nèi)含砂量增加,鉆頭消耗磨損快;二是S75 mm 金剛石鉆頭鉆進(jìn)過程中采取的控制鉆速等措施對(duì)鉆頭使用壽命會(huì)產(chǎn)生一定影響;三是深孔換徑后選用的鉆頭與鉆具匹配不太合理,導(dǎo)致壽命較低。
2019 年10 月—2020 年5 月,基 于2020 年度生產(chǎn)中科研項(xiàng)目,聯(lián)合諸廣項(xiàng)目部于GUSD-1 號(hào)鉆孔及2020年度諸廣礦集區(qū)290-1、290-2及290-9 號(hào)機(jī)首批鉆孔開展S95 型液動(dòng)沖擊器在斜孔中的應(yīng)用試驗(yàn),并開展應(yīng)用數(shù)據(jù)分析。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,使用液動(dòng)沖擊器與傳統(tǒng)工藝相比,平均鉆進(jìn)效率提高了5%,輔助維護(hù)時(shí)間平均提高了22.4%,不同鉆孔的輔助時(shí)間因孔深、地層、人員熟練度等因素差異較大[6](表2)。在易打滑地層進(jìn)行效率數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)使用液動(dòng)沖擊器效率明顯優(yōu)于普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),純鉆時(shí)效由0.52 m/h可提高至0.96 m/h,效率提升84.62%。
表2 液動(dòng)沖擊器與傳統(tǒng)工藝鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 2 Comparison of drilling efficiency between hydraulic impactor and traditional technique
在本次試用中發(fā)現(xiàn)了以下一些問題,并提出了解決問題的建議,為后續(xù)繼續(xù)改進(jìn)工藝提供參考:
1)在孔內(nèi)含砂量較高時(shí),每鉆進(jìn)4~5 回次,沖擊器堵死或磨損嚴(yán)重不能工作,建議加強(qiáng)泥漿凈化工作,嚴(yán)格控制固相含量;
2)所鉆進(jìn)巖層為致密易打滑的堅(jiān)硬巖層時(shí),液動(dòng)沖擊器相對(duì)普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)效提高84.62%,建議根據(jù)地層巖性,針對(duì)性搭配使用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝;
3)部分鉆桿因長期受管鉗擰卸,出現(xiàn)輕微變形情況,容易導(dǎo)致液動(dòng)沖擊器下入不暢,建議配備液壓管鉗使用,改善鉆桿擰卸狀態(tài)。
長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)設(shè)計(jì)為斜孔,設(shè)計(jì)孔深較深,使用人力拆卸鉆桿耗費(fèi)時(shí)間較多,勞動(dòng)強(qiáng)度較大。廠家設(shè)計(jì)液壓管鉗均為直孔使用,因此有必要開展斜孔用液壓管鉗的改造應(yīng)用。
原廠設(shè)計(jì)是用于直孔,液壓管鉗塔頂垂直于井口,液壓管鉗前后微調(diào)使用,液壓管鉗上下卡盤,直孔狀態(tài)下通過前后調(diào)整液壓管鉗的水平狀態(tài),實(shí)現(xiàn)與鉆桿成為90°夾角,管鉗才對(duì)鉆桿的損傷降到最低,液壓管鉗才能正常工作。在斜孔施工中,液壓管鉗要進(jìn)行進(jìn)一步的角度改裝,通過在液壓管鉗底部兩端增加調(diào)節(jié)螺桿,使液壓管鉗的工作卡盤與斜孔施工的鉆桿形成90°夾角,以實(shí)現(xiàn)在斜孔生產(chǎn)中的工作需求(圖2,圖4)。
圖4 液壓管鉗改進(jìn)設(shè)計(jì)圖Fig.4 Improved design drawing of hydraulic pipe wrench
通過分析人工與液壓管鉗擰卸鉆桿的起鉆時(shí)效與下鉆時(shí)效分析得出,液壓管鉗使用效率微高于人工方式(表3),卸扣時(shí)不需要人工搬管鉗,降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度。
表3 液壓管鉗與傳統(tǒng)方式效率分析Table 3 Efficiency analysis of hydraulic pipe wrench and traditional method
設(shè)計(jì)要求:長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)設(shè)計(jì)孔深1 500 m,方位角68°,傾角80°,孔終1 500 m 位置,鉆孔實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離的最大值不超過45 m。
實(shí)際情況:長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)實(shí)際開孔方位角66.6°,傾角80.8°,經(jīng)過上部兩次換徑鉆進(jìn)到57.85 m 并下入φ108 mm 套管之后,采用φ95 mm 金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至1 199.00 m。在1 195.00 m 處測(cè)得方位角為83.90°,傾角為77.46°,偏斜距為32.9 m。鉆孔若按現(xiàn)有的偏斜趨勢(shì),鉆進(jìn)至終孔孔深1 500 m 處偏斜距將達(dá)到53.71 m。繼續(xù)施工無法滿足設(shè)計(jì)要求,必須及時(shí)采取有效糾斜措施。本次糾斜使用4LZ-73-4φ73 mm(1.2°)彎螺桿鉆具配DXY-2型數(shù)字鉆孔定向儀和φ75 mm 金剛石糾斜鉆頭,通過分段糾斜法,成功將鉆孔偏斜糾至地質(zhì)設(shè)計(jì)要求[7-8],為后續(xù)施工留出偏斜余量,在1 300 m 內(nèi)將方位角控制在70°以下、傾角控制在80°左右(圖5)。
圖5 小口徑螺桿定向糾斜技術(shù)原理Fig.5 Technical principle of directional correction of small diameter screw
處理方案:
孩子的年齡和心智有其年齡段的特點(diǎn),不要過分強(qiáng)調(diào)一致性,不要和別的孩子硬性地比較,而要鼓勵(lì)自己的孩子成為他希望成為的那種人——“雖然和高考狀元不同,但媽媽認(rèn)為你同樣是可愛的”,這是在打好孩子的心理基礎(chǔ)。
1)采用φ75 mm 口徑鉆進(jìn)至1 245.00 m,采取巖心,為糾斜段補(bǔ)取巖心;
2)糾斜起始點(diǎn)定為1 199.00 m 左右,該孔段巖層巖石硬度適中(8 級(jí)),地層完整,為糾斜工作提供了有利的地層基礎(chǔ);
3)糾斜孔徑為φ75 mm,導(dǎo)斜孔徑為φ95 mm;
4)先降方位,后降頂角。因頂角需要的降量較?。?.54°),在降方位的同時(shí)也可以兼顧降頂角;
5)采用分段造斜法,即以15 m 左右長度進(jìn)尺進(jìn)行分段糾斜、導(dǎo)向擴(kuò)孔、穩(wěn)斜鉆進(jìn),控制每段糾斜進(jìn)尺2~3 m、將糾斜段孔徑導(dǎo)向擴(kuò)孔至95 mm、導(dǎo)斜擴(kuò)孔導(dǎo)斜進(jìn)尺10~15 m;
6)每糾斜一次測(cè)一次斜,并根據(jù)測(cè)斜結(jié)果調(diào)整下一次糾斜參數(shù)。
處理結(jié)果:長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)共進(jìn)行了6 次糾斜,方位角從原孔的83.90°糾至新孔1 280 m 處的65.4°,糾斜量18.5°;傾角從原孔的77.46°糾至新孔1 280 m 處的77.81°,糾斜量0.35°,達(dá)到既定的糾斜目標(biāo)(表4)。
表4 長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)測(cè)斜結(jié)果Table 4 Tested inclination results of ChangJiang No.1 Deep Drill(GUSD-1)
因地層硅化蝕變發(fā)育,石英含量增加,軟硬互層頻繁,研磨性增加,以往工作區(qū)使用S75 系列鉆頭均在1 000 m 以內(nèi)鉆孔深度,超過1 000 m 孔段未進(jìn)行使用試驗(yàn)。剛換徑S75 口徑時(shí),在1 370.29~1 552.46 m 孔段,使用S75 鉆頭8 個(gè),平均壽命僅22.77 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于諸廣其他工作區(qū)淺孔段S75 鉆頭平均壽命(65.68 m)。通過改進(jìn)鉆頭胎體配方,提高胎體硬度(HRC25-30),降低金剛石濃度(80%),增大金剛石目數(shù)(60 目),在1 552.46~1 709.34 m 孔段使用鉆頭3個(gè),平均壽命52.29 m。
在S95 口徑鉆進(jìn)至320~660 m 處時(shí),鉆遇中細(xì)?;◢弾r,石英含量達(dá)30%以上,鉆頭易發(fā)生打滑不進(jìn)尺現(xiàn)象,純鉆效率低,小時(shí)效率僅0.4 m/h。新鉆頭往往鉆進(jìn)1~2 m 后胎體就不能自銳,出現(xiàn)打滑不進(jìn)尺現(xiàn)象。使用常規(guī)磨石子工藝效果不佳,使用液動(dòng)沖擊器后,提高純鉆效率84.62%,解決了該地區(qū)打滑層鉆進(jìn)鉆頭不出刃問題。
GUSD-1 起下鉆共計(jì)62 次,其中因鉆頭消耗原因起下鉆37 次,因巖心堵卡、鋼絲繩斷等起下鉆12 次,因鉆孔定向糾斜起下鉆13 次,超過1 000 m 深度時(shí)起下鉆36 次。深孔起下鉆時(shí)間長,勞動(dòng)強(qiáng)度大,以往液壓管鉗適用于直孔,斜孔中使用較少。通過改造液壓管鉗,加裝角度調(diào)整裝置,改善液壓管鉗夾持狀態(tài),減輕了鉆工勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了起下鉆安全性能。
定向鉆進(jìn)需采用全面鉆進(jìn)碎巖方式,花崗巖硬度大,研磨性強(qiáng),初始定向時(shí)選用PDC 鉆頭和金剛石鉆頭全面鉆進(jìn),定向效率低,僅為0.2 m/h,改為表鑲金剛石鉆頭后可達(dá)0.4 m/h,效率提高50%。
鉆進(jìn)至816.4~822.3 m 處遇到大裂隙漏失地層,816.4 m 之后沖洗液失返。選擇常規(guī)處理方法,在沖洗液中加入適量聚丙烯銑胺、鋸末,堵漏效果較差,孔口依然沒有沖洗液上返。之后采取向孔內(nèi)灌水泥,待水泥固化之后,鉆穿水泥后,堵漏效果依然不理想,孔口依然不返沖洗液,選擇頂漏鉆進(jìn)至終孔[9]。
頂漏鉆進(jìn)難點(diǎn):
1)頂漏鉆進(jìn)易發(fā)生燒鉆事故。頂漏鉆進(jìn)中,鉆桿柱內(nèi)泥漿液面與孔內(nèi)液面有一個(gè)衡定壓差,壓差較低,鉆桿柱內(nèi)的泥漿一般處于不滿管狀態(tài),通過鉆頭的沖洗液流量不均勻,易發(fā)生燒鉆事故[10];
2)在繩索取心鉆進(jìn)中,孔內(nèi)沖洗液面低,投放內(nèi)管困難,用打撈器將內(nèi)管送到位之后,不能投放脫卡器,打撈器無法脫卡;
3)頂漏鉆進(jìn)中,漏失層上部鉆桿沒有沖洗液潤滑,與孔壁處于干摩擦狀態(tài)。這種狀態(tài)影響了孔壁的穩(wěn)定性,孔壁在地應(yīng)力的作用下處于失穩(wěn)狀態(tài),易發(fā)生孔內(nèi)坍塌、掉塊現(xiàn)象,導(dǎo)致卡鉆事故。干摩擦狀態(tài)也導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中鉆桿柱負(fù)荷增加,鉆桿柱承受的扭矩變大,加大了鉆桿的磨損,這些因素都會(huì)導(dǎo)致鉆桿脫扣事故的發(fā)生。
頂漏鉆進(jìn)處理方案:
1)注入潤滑減阻材料:通過在鉆桿柱與孔壁間注入潤滑減阻材料,能減低鉆桿與孔壁的摩擦、鉆機(jī)的負(fù)荷和鉆桿柱的扭矩,預(yù)防并減少孔內(nèi)事故的發(fā)生[11]。根據(jù)鉆孔地層情況、扭矩的大小來選用以下兩種材料。一是聚丙烯銑胺水溶液,適用于地層完整、孔深較淺的鉆孔。二是在鉆桿上涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂,適用于地層較破碎,孔深較深的地層。由于之前添加聚丙烯銑胺堵漏效果不理想,所以選擇在鉆桿上涂抹二硫化鉬鋰基潤滑脂。
2)鉆進(jìn)參數(shù)的選擇:在頂漏鉆進(jìn)中,鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)偏小,并在同一地層中鉆進(jìn)時(shí),保持穩(wěn)定的鉆進(jìn)參數(shù)(表5)。
表5 鉆進(jìn)參數(shù)表Table 5 Drilling parameter
3)較完整地層沖洗液選擇:一般較完整的地層主要采用聚丙烯酰胺低固相沖洗液(表6)。沖洗液性能指標(biāo):密度l.03~1.05 g/cm3,漏斗粘度為15~l6,pH 值為9~10。
表6 泥漿配方表Table 6 Mud formula
長江1號(hào)深鉆(GUSD-1)設(shè)計(jì)深度1 500 m,終孔深度1 709.34 m,圓滿完成設(shè)計(jì)工作量,創(chuàng)造了粵北地區(qū)鈾礦勘查鉆孔施工最深記錄。通過該鉆孔施工,積累了深孔施工經(jīng)驗(yàn),鍛煉了鉆探隊(duì)伍,為諸廣及我國鈾礦開辟第二找礦空間提供有力鉆探技術(shù)支撐。
1)深孔施工需注重井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),S75、S60 等小口徑施工深孔存在鉆孔質(zhì)量差、孔內(nèi)事故多發(fā)、鉆進(jìn)效果低的缺點(diǎn),深孔施工設(shè)計(jì)時(shí)上部孔段易采用S122 口徑及S95 口徑作為主要施工口徑,較大口徑施工上部孔段可以有效的減少孔內(nèi)事故的發(fā)生,保證鉆孔偏斜度的要求。
2)使用液動(dòng)沖擊器與傳統(tǒng)鉆進(jìn)工藝相比,鉆進(jìn)效率平均提高5%,輔助時(shí)間平均提高22.4%,使用液動(dòng)沖擊器在易打滑地層可提高鉆進(jìn)效率80%以上。液動(dòng)沖擊器更適合在油洞工作區(qū)細(xì)粒花崗巖地層使用,下一步聯(lián)同廠家優(yōu)化改進(jìn)沖擊結(jié)構(gòu),加強(qiáng)沖洗液維護(hù),延長使用壽命。
3)所進(jìn)行的斜孔施工液壓管鉗的改造,與傳統(tǒng)人工起下鉆相比,減少了深孔起鉆時(shí)間,下鉆時(shí)間基本相同,大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
4)首次成功在粵北花崗巖地區(qū)實(shí)施了小口徑螺桿定向鉆進(jìn)技術(shù)。鉆孔設(shè)計(jì)方位角為68°,傾角為80°,實(shí)際開孔方位角為66.6°,實(shí)際開孔傾角為80.8°。在1 195.00 m 處測(cè)得方位角為83.90°,傾角為77.46°,偏斜距為32.9 m。通過螺桿鉆具定向糾斜技術(shù),使用分段造斜法成功將方位角糾至65.4°,糾斜量18.5°,傾角糾至77.81°,糾斜量0.35°,取得了較好的效果。螺桿糾斜技術(shù)對(duì)方位角的修正較為明顯,且后續(xù)鉆進(jìn)不會(huì)發(fā)生再度大幅度偏斜,但螺桿糾斜對(duì)頂角的修正程度不足,鉆桿容易再度上彎。
5)積累了花崗巖地區(qū)大深度斜孔施工S95及S75 口徑頂漏鉆進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)。
長江1 號(hào)深鉆(GUSD-1)在816.4~822.3 m遇到一次較大漏失,采用常規(guī)堵漏無效后,頂漏鉆進(jìn)深度近900 m,創(chuàng)造了粵北花崗巖地區(qū)斜孔施工S95 及S75 口徑頂漏鉆進(jìn)最深記錄,為后續(xù)類似工程提供了技術(shù)參考。