龔恩德，鄧祖保，馬 敏，喻榮華

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327 地質(zhì)隊(duì)，安徽 合肥 230011）

0 引言

從近年施工的復(fù)雜巖層來(lái)看，水敏性地層多次封水泥固壁，在同徑狀態(tài)下透孔時(shí)易被掃掉，固壁效果較差，鉆孔裸露時(shí)間較長(zhǎng)，最后造成坍塌，無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆孔護(hù)壁、固壁最有效的辦法是下套管，但在深部復(fù)雜地層中，為了確保鉆孔能鉆進(jìn)到預(yù)定深度，在進(jìn)行套管層次和鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，多采用多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)并預(yù)留足夠多的套管層次，造成鉆進(jìn)成本急劇增加；如采用下飛管措施，一方面較難控制，另一方面必須改變鉆孔結(jié)構(gòu)。

自1998 年以來(lái)，美國(guó)的威德福公司開(kāi)發(fā)出膨脹管技術(shù)并成功用于石油鉆井中，在2003 年前后進(jìn)入我國(guó)石油部門試驗(yàn)使用，發(fā)展成為一種能夠有效解決油氣井鉆探和巖心鉆探中地層復(fù)雜情況的新興技術(shù)，但受套管直徑制約，該技術(shù)多應(yīng)用于油氣井勘探、井管修復(fù)等領(lǐng)域，難以應(yīng)用到小口徑巖心鉆探中。

針對(duì)強(qiáng)水敏、易坍塌的復(fù)雜地層，采用一種能夠適用于小口徑巖心鉆探的孔內(nèi)膨脹管技術(shù)，不改變鉆孔結(jié)構(gòu)，下入孔內(nèi)套管操作簡(jiǎn)單可靠，不僅節(jié)約泥漿等處理費(fèi)用，也可以大大提高鉆進(jìn)效率，是一種有效的處理此類地層的手段。

1 自張式膨脹管護(hù)壁原理與工藝流程

1.1 護(hù)壁原理

自張式膨脹管護(hù)壁技術(shù)是指采用具有彈性的鋼管作為膨脹管，借助膨脹管投入器（內(nèi)置膨脹管）退出機(jī)構(gòu)將膨脹管定位于擴(kuò)孔的復(fù)雜地層孔段并解除外管約束，膨脹管依靠自身彈性張開(kāi)實(shí)現(xiàn)鉆孔護(hù)壁［1-4］。自張式膨脹管護(hù)壁主要分為擴(kuò)孔與膨脹管下入兩個(gè)工藝流程，第一是在鉆孔中需要設(shè)置膨脹管的孔段進(jìn)行擴(kuò)孔；第二是用鉆桿將特制的膨脹管投入器（內(nèi)置外徑不大于投送器內(nèi)徑的膨脹管）下入到預(yù)定孔段，利用鉆桿內(nèi)循環(huán)沖洗液壓力退出膨脹管投入器，內(nèi)置膨脹管在預(yù)定孔段張開(kāi)［5-7］。

1.2 擴(kuò)孔與投送工具

1.2.1 擴(kuò)孔工具

如圖1 所示，擴(kuò)孔鉆具主要是利用鉆柱內(nèi)高壓沖洗液為動(dòng)力，推動(dòng)活塞下行，活塞推動(dòng)刀片伸出，然后回轉(zhuǎn)進(jìn)行擴(kuò)孔。核心構(gòu)件為缸套、柱塞、擴(kuò)孔片，缸套為空心圓筒狀，上部容納柱塞的最粗部位，下部容納復(fù)位彈簧。上部?jī)?nèi)徑為標(biāo)準(zhǔn)圓，中下部?jī)?nèi)徑在標(biāo)準(zhǔn)圓的兩側(cè)各加一條方形內(nèi)瀉水槽，以便正常擴(kuò)孔時(shí)沖洗液能順利流通；柱塞是由多個(gè)圓柱體和圓錐體組合的長(zhǎng)圓柱狀體。上部直徑最大，以便接受沖洗液的壓力。下部各個(gè)小直徑圓柱體和圓錐體是為了將擴(kuò)孔片推出［8-9］。擴(kuò)孔片為方柱狀體。在與巖石接觸處，鑲焊有金剛石復(fù)合片。此外為了保證核心部件能夠順利工作，配有壓縮彈簧，保證水泵卸壓后柱塞能夠復(fù)位以方便擴(kuò)孔片收回而將鉆具提出孔外。

圖1 擴(kuò)孔鉆具結(jié)構(gòu)與工作原理Fig.1 Structure and working principle of reaming drill tool

1.2.2 膨脹管

膨脹管材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，管徑根據(jù)膨脹后的外徑確定。如圖2 所示沿軸向?qū)⑵淝懈畛梢粭l上下貫通的切割縫，然后卷制成外徑≯70 mm 的膨脹管并放入外徑76 mm 膨脹管投送器外管中。膨脹管投入器下入到預(yù)定孔深，利用沖洗液壓力（設(shè)計(jì)5～6 MPa）將投送器外管退出，膨脹管在解除外管約束后利用其本身的彈性自動(dòng)張開(kāi)并基本恢復(fù)至原坯管徑，停泵后，膨脹管投送器提出孔外。如遇不連續(xù)復(fù)雜地層孔段或是孔段較長(zhǎng)，可重復(fù)多次下入該膨脹管［10］。

圖2 膨脹管材Fig.2 Expansion tube material

1.2.3 膨脹管投送器

膨脹管投送器結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。核心構(gòu)件為活塞、滑桿、外管和外管接頭。活塞為空心圓筒狀，內(nèi)部設(shè)置了壓縮彈簧、通水球閥座，下鉆時(shí)可通水；活塞在球閥座位置設(shè)有水平方向通水孔，是沖洗液進(jìn)入外部密封空間的通道；活塞上部為絲扣，安裝時(shí)與滑桿接頭連接，活塞下部設(shè)置密封圈座便于安裝密封圈?；瑮U是一根外表光滑的空心圓桿，兩端是絲扣，下端連接滑桿接頭，上端連接卸水閥接頭體。外管是一根內(nèi)外光滑的空心圓管，內(nèi)部容納用特殊方法壓入的自張式膨脹性套管，兩端是絲扣，上端連接外管接頭，下端連接防墜器防止自張式膨脹性套管在下鉆時(shí)墜落。為了避免提鉆時(shí)出現(xiàn)拔活塞現(xiàn)象，在滑桿上部加裝有卸水接頭，提鉆時(shí)由孔口投入鋼球閥，由于鉆桿內(nèi)的水柱下壓球閥，球閥下行壓縮球閥座和彈簧，鉆桿內(nèi)的沖洗液通過(guò)泄水孔排出。

圖3 自張式膨脹管投入器的3 種狀態(tài)Fig.3 Three states of the self-expanding tube injector

當(dāng)裝有膨脹性套管的投入器準(zhǔn)確下到擴(kuò)孔部位時(shí)，利用沖洗液的能量推動(dòng)約束膨脹性套管的外管上行，解除約束的膨脹性套管在其自身張力作用下自然彈開(kāi)而固定在對(duì)應(yīng)的擴(kuò)孔段?？衫帽脡鹤兓瘉?lái)判斷膨脹性套管是否彈出，當(dāng)投入器外管正常退出時(shí)，壓力從大到小逐漸變化（克服膨脹性套管與外管的摩擦阻力和鉆孔深度的背壓）。如果膨脹性套管沒(méi)有彈出，則水泵處于憋泵狀態(tài)。提鉆時(shí)利用卸荷閥卸去鉆桿內(nèi)部水柱的背壓，防止出現(xiàn)提鉆拔活塞現(xiàn)象［11］。

1.3 工藝流程

（1）擴(kuò)孔：利用泥漿泵輸送的高壓沖洗液的壓力將擴(kuò)孔刀片推出并借助鉆具回轉(zhuǎn)作用進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔結(jié)束后，沖洗液停止循環(huán)，擴(kuò)孔刀片在彈簧回彈和孔壁擠壓作用下縮回。可借助于泵壓變化來(lái)判定擴(kuò)孔刀片是否伸出，若擴(kuò)孔刀片無(wú)法伸出，則擴(kuò)孔鉆具內(nèi)沖洗液將無(wú)法排出，導(dǎo)致泥漿泵憋壓；若擴(kuò)孔刀片順利伸出，則泵壓表將顯示在一個(gè)大致穩(wěn)定的數(shù)值范圍（設(shè)計(jì)在1 MPa 左右）。擴(kuò)孔刀片主材為金剛石復(fù)合片，主要考慮在5 級(jí)以下軟巖層擴(kuò)孔，可將孔徑76 mm 擴(kuò)至92 mm。

（2）投入器安裝：首先，用特殊方法將自張式膨脹性套管壓入外管內(nèi)，在外管下部連接防墜器。其次，在活塞下部裝入Y 型密封圈和上下密封圈座，在活塞上部裝入壓縮彈簧和球閥座，并連接滑桿接頭。然后，將滑桿從外管接頭中心穿過(guò)，滑桿下端與外管接頭連接如圖4 所示，上端與卸荷閥接頭連接。再將裝好密封圈和滑桿的活塞組件從外管的上端輕輕錘擊裝入外管，用自由鉗上緊外管與外管接頭。最后，在卸荷閥接頭體內(nèi)裝入壓縮彈簧和卸荷閥座等。鉆具組裝完畢，量好尺寸就可以下孔。

圖4 滑桿與外管接頭Fig.4 Sliding bar and outer pipe joint

（3）脹管：將鉆具下到預(yù)定孔深時(shí)，接主動(dòng)鉆桿之前將?20 mm 鋼球閥投到鉆桿內(nèi)，然后連接主動(dòng)鉆桿并下到欲脹管的精確位置鎖定。開(kāi)泵觀察泵壓表變化，泵壓從小到大，此時(shí)泵壓稍降又上升到最大，然后泵壓呈波浪狀下降到最小，此為投入器工作正常狀態(tài)。開(kāi)泵若出現(xiàn)憋泵，中途無(wú)泵壓下降，則活塞卡死。不論投入器工作是否正常，開(kāi)泵送水結(jié)束后都必須提鉆［12］。

（4）提鉆：將主動(dòng)鉆桿提到孔口卸開(kāi)，向鉆桿內(nèi)投入?40 mm 卸水鋼球閥，掛上提引器打開(kāi)夾持器并用大錘輕輕敲擊鉆桿，試提孔內(nèi)鉆桿，如果提不動(dòng)，再輕輕敲擊鉆桿并用自由鉗轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿，一般情況下都可順利提起鉆桿。

（5）投入器的卸開(kāi)檢查：在地面先用清水沖洗外表，然后用自由鉗將外管拆卸。如果內(nèi)管沒(méi)有排出，也需要將外管拆卸，檢查活塞部位是否卡死。

2 自張式膨脹管膨脹理論分析計(jì)算

在材料力學(xué)上可以把鉆孔內(nèi)膨脹管的橫截面看作曲梁受力彎曲問(wèn)題進(jìn)行分析：取膨脹管的橫截面并建立坐標(biāo)（如圖5 所示），鉆孔內(nèi)徑為r，自然狀態(tài)的膨脹管外徑為r+Δr，忽略軸心因管材的彈性變形而發(fā)生的軸心位置的變化及鉆孔中水壓的影響，則管材受彎曲作用時(shí)，其曲率變化為（1/r）-（1/r+Δr）。

圖5 材料受力狀態(tài)示意Fig.5 Schematic diagram of material stress state

因材料力學(xué)曲梁彎曲變形公式有：1/ρ=M/EJ（ρ為曲率半徑，1/ρ為曲梁彎曲變形后的曲率），所以在此有：（1/r）-（1/r+Δr）=M/EJ，運(yùn)算后略去高階變量，有：

如圖5 所示，弧所對(duì)應(yīng)的中心角φ，設(shè)p為膨脹管環(huán)上所承受的單位面積的壓力，M為外力作用在C 截面的彎矩。

則Mφ=ps·（s/2）·b=（p/2）·s2b=（pb/2）·［2rsin（φ/2）］2=2pbr2·sin2（φ/2）。

代入（1）式得：Mφ/EJ= Δr/r2=（12/Ebh3）·2pbr2·sin2（φ/2）。

故：EΔrh3=（24pr4）·sin2（φ/2）

變形后：

式中：p——鉆孔壁對(duì)膨脹管的壓力，Pa；s——弧長(zhǎng)，m；r——鉆孔半徑，m；E——材料的彈性模量，GPa；J——材料的慣性矩，J=bh3/12，m4；b——管子長(zhǎng)度，m；h——管子壁厚，m。

在式（2）中，當(dāng)φ=π 時(shí)，則可以推出：

根據(jù)公式：σ=My/J，W=J/y，推出作用在C 截面的最大彎曲應(yīng)力為：σmax=Mmax/W。

所以有：

式中：y——所選截面的縱坐標(biāo)軸，m；W——材料的抗彎截面模量，W=bh2/6，m3；b——管子長(zhǎng)度，m；h——管子壁厚，m。

結(jié)合式（3）、（4）試算結(jié)果，?。?/p>

代入式（3）得：

代入式（4）得：

通過(guò)理論計(jì)算說(shuō)明：p較小，是個(gè)與sin2（φ/2）成反比變化的量，管材在鉆孔中膨脹后給孔壁的壓力較小且隨角度變化。由外部約束引起的σmax較大，且是個(gè)與sin2（φ/2）成正比變化的量，最大值接近強(qiáng)度極限σb（Q235 通常取480 MPa），這和宏觀分析與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致：管材的內(nèi)力介于彈性極限和強(qiáng)度極限之間即只能靠塑性變形來(lái)保持狀態(tài)［13］。

理論分析是為了更好的接近和指導(dǎo)實(shí)踐及材料的選型，

從以上推導(dǎo)可以得出：

即外部約束和材料的幾何尺寸Δr（半徑的前后變形量）、h（所選管材的壁厚）、r（鉆孔半徑）等因素對(duì)p、σ的影響較大（材料的力學(xué)性能是在外力作用下產(chǎn)生的）。而φ對(duì)p、σ影響與材料的選擇沒(méi)有關(guān)系，它僅表達(dá)的是內(nèi)力與所選擇坐標(biāo)的客觀狀況。如果僅用一個(gè)力（最大力或平均力）來(lái)表述膨脹管在鉆孔中的狀態(tài)都不如用上述兩個(gè)表達(dá)式更真實(shí)［14-15］。

綜上，如能選擇彈性極限σs遠(yuǎn)大于Q235 的彈簧鋼材料制造管材，其效果會(huì)遠(yuǎn)高于目前的狀態(tài)，但其加工或采購(gòu)的難度都較大。膨脹管制作中，選用材質(zhì)為Q235 的?100 mm 直縫焊管，壁厚0.7 mm，將管材沿軸向剖開(kāi)并按?90 mm 的外徑裁去多余部分。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及野外生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 室內(nèi)膨脹管試驗(yàn)

室內(nèi)膨脹試驗(yàn)采用直徑較大的、壁厚為0.7 mm的優(yōu)質(zhì)薄壁鋼管，將其沿軸向切割一條貫通縫，通過(guò)卷管機(jī)械將其卷成直徑70 mm 的周向部分套疊管子，并將該管壓入專用膨脹管投送器的外管內(nèi)進(jìn)行水壓試驗(yàn)（見(jiàn)圖6）。試驗(yàn)采用BW-150 型泥漿泵，按一擋泵量32 L/min、最大泵壓為6 MPa 進(jìn)行流量和壓力控制，約需2～3 min 完成。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證，膨脹管均能彈開(kāi)至原直徑（即?89 mm），基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 膨脹管的制作與安裝Fig.6 Manufacture and installation of expansion casing

試驗(yàn)過(guò)程中，兩次遇到泵壓升高至8 MPa 膨脹管未能退出投入器外管的狀況，經(jīng)事后檢查，確定是由于在卷制膨脹管過(guò)程中，未將管口倒角，造成膨脹管管端頂入水壓接頭部位而與外管卡死［16-18］（見(jiàn)圖7）。

圖7 膨脹管管端出現(xiàn)的問(wèn)題Fig.7 Problems at the end of expansion pipe

3.2 野外試驗(yàn)應(yīng)用

3.2.1 鐘山何家大嶺礦區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用

鐘山何家大嶺鐵礦SZK901 孔，該鉆孔開(kāi)孔孔徑110 mm，下入5 m 孔口管，用?91 mm 口徑鉆進(jìn)至35 m，下入?89 mm 套管，換?77 mm 金剛石繩索取心鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至孔深80～85 m 時(shí)揭露有凝灰質(zhì)泥巖（見(jiàn)圖8），該層巖石松散，遇水極易坍塌，是強(qiáng)水敏地層?？紤]到該段巖層易坍塌、掉塊，且水泥封堵固壁的效果不理想，所以選擇在該孔段進(jìn)行膨脹管護(hù)壁操作試驗(yàn)。

圖8 SZK901 孔凝灰質(zhì)泥巖段的巖心Fig.8 Cores of the SZK901 hole tuffaceous mudstone

首先，下入擴(kuò)孔鉆具將80.89～84.89 m 孔段擴(kuò)孔至?91 mm，掃孔，卸開(kāi)主動(dòng)鉆桿回水卸壓，使擴(kuò)孔刀具收回，提鉆。然后，用鉆桿下入膨脹管投入器（內(nèi)置膨脹管），下入底端位置為84.29 m，開(kāi)泵彈出膨脹管固定在擴(kuò)孔段，最大泵壓為5.5 MPa，開(kāi)泵時(shí)間2 min。最后，下入該孔段取心鉆進(jìn)鉆具組合，鉆頭直徑為76.8 mm，擴(kuò)孔器直徑為77.3 mm，下鉆至92 m 孔深，未遇到任何障礙，提鉆。

下入膨脹管后開(kāi)始鉆進(jìn)作業(yè)，泵壓從原先的4～5 MP 降至3～4 MP，直到鉆進(jìn)結(jié)束，該孔未出現(xiàn)任何異常問(wèn)題，終孔孔深為438.64 m，本次試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

3.2.2 小包莊礦區(qū)試驗(yàn)應(yīng)用

小包莊礦區(qū)位于安徽省廬江縣羅河鎮(zhèn)羅河鐵礦區(qū)外圍的廬江、樅陽(yáng)交界處，通過(guò)普查鉆探揭露，礦區(qū)地層特別復(fù)雜。該礦區(qū)地層主要為粗安巖、角礫巖、凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)粉砂巖等火山巖，這幾類巖石都存在強(qiáng)蝕變，特別是凝灰?guī)r，屬于強(qiáng)水敏（遇水膨脹）巖層，鉆進(jìn)過(guò)程中極易出現(xiàn)垮塌、掉塊現(xiàn)象，施工稍不注意，就會(huì)產(chǎn)生糊鉆、燒鉆、埋鉆和卡鉆等事故。

小包莊礦區(qū)SZK801 孔，設(shè)計(jì)孔深為1200 m。鉆進(jìn)施工中在392.3～396.8 m 處發(fā)現(xiàn)易膨脹、坍塌的凝灰?guī)r，確定在392.5～396.5 m 孔段先進(jìn)行擴(kuò)孔然后下入膨脹性套管。擴(kuò)孔前先進(jìn)行換漿，以免泥沙將擴(kuò)孔鉆具內(nèi)活塞卡死無(wú)法活動(dòng)，下入擴(kuò)孔鉆具到預(yù)定位置后，開(kāi)泵進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，泵壓約為6.0 MPa，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)間約110 min，擴(kuò)孔長(zhǎng)度為4 m。提鉆然后下入膨脹管投入器（內(nèi)置膨脹管），下入底端位置為396.2 m，開(kāi)泵彈出膨脹管，最大泵壓約為5.5 MPa，開(kāi)泵時(shí)間約2 min。為了保證膨脹管固結(jié)，下入膨脹管后在該孔段采用水泥封固，一天后進(jìn)行透孔，隨后進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)，順利鉆進(jìn)至1210.15 m結(jié)束。

小包莊礦區(qū)SZK402 孔，該孔設(shè)計(jì)孔深為1000 m。鉆孔在415～422 m 處遇易膨脹、坍塌的凝灰?guī)r。擴(kuò)孔孔段為415～422 m，下擴(kuò)孔鉆具至415 m 開(kāi)泵進(jìn)行擴(kuò)孔，泵壓為3～4.5 MPa，擴(kuò)孔時(shí)間為110 min。分兩次下入膨脹管機(jī)具，第一次下入至412 m 時(shí)遇阻，上下活動(dòng)鉆具后通過(guò)，下入底端位置為418.2 m，開(kāi)泵彈出膨脹管至對(duì)應(yīng)擴(kuò)孔段，最大泵壓約為6.0 MPa，開(kāi)泵時(shí)間約3 min。第二次下入膨脹管機(jī)具至底端位置421.8 m，開(kāi)泵彈出膨脹管至對(duì)應(yīng)擴(kuò)孔段，開(kāi)泵最大泵壓約為5.5 MPa，開(kāi)泵時(shí)間約3 min。為了保證兩根膨脹管之間的搭接，下入炮彈鉆頭至膨脹管部位，緩慢回轉(zhuǎn)至422 m，未遇任何障礙，然后采用水泥封固，第三天下入正常鉆進(jìn)用金剛石鉆具。鉆頭直徑為76.8 mm，擴(kuò)孔器直徑為77.3 mm，順利下鉆至孔底鉆進(jìn)，直至1061.21 m 終孔。

4 結(jié)論及建議

（1）自張式膨脹管護(hù)壁技術(shù)作為地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域鉆孔護(hù)壁的一種新技術(shù)新方法，施工操作簡(jiǎn)單、可靠、易于定位，適用于多孔段水敏性、易坍塌地層的護(hù)壁，可為今后類似鉆探工程提供借鑒。

（2）通過(guò)試驗(yàn)研究，膨脹管自張性能受制作管材的材質(zhì)、尺寸、厚度等影響不能充分發(fā)揮，影響護(hù)壁效果，鋼材廠家應(yīng)進(jìn)一步做好管材的保障與供給。

（3）進(jìn)一步加強(qiáng)深孔、超深孔應(yīng)用研究，擴(kuò)大使用范圍，為深部地質(zhì)找礦提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。