繩索取芯技術在地浸工藝鉆孔施工中的應用

汪成勇，曾令，龔美鑫，溫得全

（1.核工業二〇三研究所，陜西西安710086；2.核工業二九〇研究所，廣東韶關512006）

1 概述

在地浸開采過程中，為了更詳細地了解目的層巖性的各方面特征，要求部分工藝鉆孔在目的層進行取芯工作，現行的取芯方法一是采用大直徑鉆桿、大直徑巖芯管取芯，二是采用巖芯鉆機先取芯再進行多級擴孔施工工藝孔。前者不需要進行多級擴孔，但取芯難度較大，且取芯需要頻繁提下大口徑鉆具，勞動強度大，且在礦層施工時泥漿容易堵塞礦層。重新調配巖芯鉆機進行取芯，需要進行多級擴孔，耗費大量人力、物力和財力，工藝鉆孔施工周期長，且成井質量較難控制。

我單位在結合現有地浸施工設備的基礎上，根據地質情況與施工條件，利用現有轉盤式鉆機和?127mm繩索取芯快速鉆探取芯，利用?127mm鉆桿(內徑?95.25mm)做外管，采用定制的S95型繩索取芯工具,與單點測斜儀的絞車配合進行取芯,巖芯采取率達到標準要求，勞動強度小，礦層污染較小，節省取芯成本，成井質量較好，同時能大幅縮短單孔成井工期。

2 工程概述

2.1 地層情況及特點

施工區在伊犁盆地蒙其古爾礦區，第四系覆蓋層礫石發育，厚度80~250m，鉆孔所遇地層為第三系、白堊系、侏羅系，巖石主要巖性為砂礫巖、粉砂巖、泥巖、泥質粉砂巖、炭質泥巖、煤等。鉆孔偏斜，鉆孔漏失和涌水，孔壁超徑與縮徑，孔內掉塊和卡鉆，是本區多發的孔內事故。施工區巖石可鉆性2~8級[1]。

2.2 目的層巖性及取芯要求

2.2.1 目的層巖性

施工區取芯目的層屬于侏羅紀系中、下統西山窯組下部與三工河組。西山窯組取芯段的巖性主要為含礫粗粒砂巖、粗粒砂巖，其次為中—細粒砂巖和砂礫巖，夾泥巖、粉砂巖或煤層透鏡體。三工河組取芯段巖性為細—粗粒砂巖、含礫粗粒砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖夾少量炭質泥巖與薄煤層。

2.2.2 取芯要求

（1）生產鉆孔設計取芯位置為目的層位含礦含水層，其鉆孔取芯段不低于30m，終孔口徑不大于95mm；

（2）含礦含水層的礦芯采取率不小于75%；巖芯（頂、底板）采取率不小于65%；

（3）使用新鮮的優質鉆井液，相關泥漿性能記錄完整；

（4）鉆孔質量達優良，班報表、簡易水文觀測記錄表等原始記錄完整。

2.3 工藝鉆孔技術要求

2.3.1 工藝鉆孔結構要求

取芯鉆孔均設計為抽液孔或雙功能鉆孔。要求開孔直徑?269mm，施工至含礦含水層頂板位置（潛水泵一般下放至230m左右），再采用變徑?151.1mm（或取芯口徑），施工至孔底，經過綜合測井，確定過濾器位置后按要求進行擴孔至孔底。

2.3.2 成井工藝要求

該地區地浸工藝孔主要質量指標驗收標準（部分）如表1所示，施工中須嚴格保證鉆孔質量滿足驗收標準具體施工要求[2]。

表1 鉆孔主要驗收指標表

3 設備、機具選擇

3.1 設備選擇

設備選型上，主要施工地浸工藝鉆孔，同時根據鉆孔取芯的目的和要求，鉆探設備儀器[3]如表2所示。

表2 投入的主要施工設備表

3.2 取芯鉆具及鉆頭選擇

根據地質取芯要求和預計取芯井段的地層巖性特點,我們選擇了S95的繩索取芯器[4]以及與之配套的?95mm鉆桿。該取芯器外管采用?108mm×10mm的管材，內管尺寸為89~76mm，鉆具外管總長6m，內管長2m。內管選用?89mm×5mm的無縫鋼管,保證了內外管的環空間隙,防止泥皮粘糊鉆桿內壁造成憋泵現象[5]。

全面鉆進選用?269.90mm和?244.50mm牙輪鉆頭；其取芯工具選配?108mm的自制繩索取芯鉆頭（見圖1），取芯鉆頭采用十翼階梯式刮刀PDC保徑鉆頭，保徑由合金條焊接在鋼制基體上而成，該鉆頭具有壽命長、制作成本低高的特點，同時能較好地滿足本地區松軟地層取芯的要求。其次鉆頭結構設計減少鉆頭與孔底的接觸面；鉆頭的水眼設計采用順時針小角度外傾，減少鉆井液流對巖芯沖蝕破壞[6]。

圖1 繩索取芯鉆頭示意圖（單位：mm）

4 鉆進工藝

上部利用轉盤鉆機碎巖機理，選擇“中轉速、高泵量、中鉆壓”規程，采用PDC牙輪鉆頭全面鉆進，使巖石產生體積破碎及時返出孔內;下部取芯段則將鉆具全部更換為S95繩索取芯鉆桿(加扶正器)和取芯鉆具，采用大環空、中泵量實現連續取芯，避免孔底重復破碎，從而實現快速鉆探目的[7]。

4.1 鉆孔結構

根據地浸工藝鉆孔結構要求及地層性質,取芯鉆孔均設計為地浸工藝鉆孔中的抽液孔，選擇三級井段結構，該鉆孔結構保證工藝要求，減少擴孔施工量，鉆孔結構穩定[8]。一級井段采用269.90mm牙輪或PDC鉆頭開孔，鉆進至320m，根據地質巖層情況確定下入護壁套管；二級井段更換244.50mm牙輪鉆頭，鉆進至設計礦層位頂板上部3m；三級井段更換?95mm鉆桿、S95取芯鉆具與取芯鉆頭，取芯至設計礦層底板以下3m。取芯結束后，采用215.9mm鉆頭對取芯段進行擴孔。

套管結構為管箍結構，一開井段采用?152mm×10mm，其中下泵位置放置3根?160mm×12mm，二開、三開井段采用?104mm×10mm，變徑處采用尼龍棒連接，礦層段采用環形骨架過濾器，水泥固井從礫料面至孔口。鉆孔結構設計見圖2。

圖2 鉆孔結構設計

4.2 鉆進工藝及鉆具組合

使用?269.90mm鉆頭施工至320.00m，再更換?244.50mm牙輪鉆頭施工至設計含礦含水層頂板位置上端，最后更換為取芯鉆頭配合S95繩索取芯鉆具進行取芯。

4.2.1 鉆進工藝及參數

鉆具組合及鉆進參數如表3、表4。

表3 各井段鉆具組合

表4 各層段鉆進參數

4.2.2 沖洗液設計

根據礦區地層情況，一開井段地層主要為洪沖積礫石、砂土且松散及褐紅色粘土，平均厚度200m；配方：鈉土8%、聚丙烯酰胺0.01%、燒堿0.03%、清水攪拌成原漿；泥漿性能為：密度1.12~1.18g/cm3，粘度30~35s，失水量14~18mL/30min，pH值8~10。

二開井段地層巖性主要是砂巖、煤層和部分泥巖，平均厚度150m；配方：鈉土1%、聚丙烯酰胺0.02%、燒堿、清水；泥漿性能：密度1.05~1.08g/cm3，粘度20~25s，失水量8~10mL/30min，pH值7~8。

取芯段地層有中、粗砂巖和少量砂質泥巖，平均厚度40m；配方：聚丙烯酰胺0.01%、純堿0.03%、清水；泥漿性能：密度1.03~1.05g/cm3，粘度18~20s，失水量8~12mL/30 min，pH值8~9[9]。

4.2.3 沖洗液液管理措施：

（1）施工現場配備旋流除砂器和振動篩，并配有泥漿罐、儲水罐、沉淀罐、廢漿坑，第四系地層砂石礫徑大，旋流除砂器容易堵塞水眼，可只依靠振動篩進行除砂，進入基巖層后同時使用旋流除砂器和振動篩，能更好地控制泥漿固相含量。

（2）泥漿在使用中，性能隨時在變化，每班利用現場配備的泥漿測試儀檢測泥漿性能，再根據地層變化，按照相應地層加入處理劑，將泥漿性能調整至合適范圍。將性能指標數據準確記錄在報表中。

（3）每班安排人員進行振動篩除砂、撈渣工作，維護泥漿固控設備。

（4）現場機班長必須掌握各種泥漿處理劑的性能及作用。

（5）現場泥漿材料和孔內事故處理材料應準備足量。

4.2.4 取芯鉆具操作要求

（1）按照地浸工藝鉆孔施工要求，進行一開、二開鉆孔施工，并施工至設計取芯位置，開始循環沖孔并替換新鮮泥漿，使孔內泥漿性能滿足取芯要求，同時鉆具起下鉆通暢，再進行起鉆更換取芯鉆具。

（2）下鉆前,檢查內外管組裝情況，確保設備與工具能正常運轉和使用，并放入內管認真檢查裝配間隙,在地面試運行打撈矛與內管結構保證順利打撈內管。

（3）下鉆前準確丈量各鉆具，同時應在打撈鋼繩上做個深度記號。

（4）若下鉆遇阻，應采用鉆桿通井，禁止采用取芯鉆具通井。

（5）起下鉆和使用吊鉗、旋繩裝卸鉆具時，操作平穩。

（6）初始下放取芯鉆具時需要邊下鉆邊循環，要均勻下鉆，下至取芯位置的最后一個單根，使用BW350/13型泥漿泵代替TBW1200/7C型泥漿泵先用小排量循環，逐步增大排量循環鉆井液沖洗井底再進行取芯作業。

（7）提起鉆具不超過50mm，提斷巖芯，卸開主動鉆桿。提斷巖芯后不得再將鉆具放到孔底試探。打撈器在沖洗液中的速度約1.5~2m/s，確認打撈成功后，試提打撈矛，再開動絞車正常提升。

4.2.5 取芯技術要求

（1）取芯鉆進前，技術人員需進行技術交底，做好相關孔內事故處理預案。

（2）取芯前做好相關數據丈量，保證取芯層位正確無誤。

（3）下入的打撈器和鋼絲繩都會對該絲扣造成磨損，在打撈巖芯前，應擰上喇叭形護絲套。

（4）投入內管后不能立即鉆進，根據內管總成在鉆桿柱內的下行時間與鉆孔深度、鉆孔傾角、沖洗液、泵壓等因素有關，一般采用35~40m/min的下降速度測算，待內管到位后先慢轉1~3min后，逐漸下放加壓至正常鉆壓進行取芯鉆進，鉆壓不允許超15kN。

（5）內管取出后，檢查卡簧與內管總成。鉆進至松散砂巖時更換爪簧卡取礦芯，降低巖芯脫落概率。

（6）根據不同地層情況進行調整鉆進參數，預計進入礦層后，為保證礦芯采取率，保持單回次鉆尺在1.8m以內[10]。

4.2.6 兩種鉆進應用效果

在同一礦區內，部分單位采用了XY-5/6鉆機進行取芯，再更換轉盤式鉆機進行擴孔施工。其優勢是運用了該地區成熟的普鉆取芯技術體系，取芯率高，不需要進行泥漿體系與更換鉆具配置。統計兩種施工方法的部分鉆孔見表5。

表5 部分取芯鉆孔數據統計

5 結語

通過對比在該礦區采用巖芯鉆機取芯再進行擴孔的方法，采用大口徑繩索取芯技術，避免多次擴孔鉆進，一次性成孔，較傳統方法縮短一半工期，大幅度提高了機臺效率；其次通過?127mm鉆桿作為外管降低孔內事故率，保證了鉆孔偏斜；采用適合繩索取芯鉆進沖洗液，減少了泥漿對水層的污染，保證了鉆孔出水量；通過繩索取芯施工的鉆孔各項指標均達到驗收標準。通過運用繩索取芯技術施工，積累了一定的經驗，對今后該地區鉆探施工有一定的指導意義。