小型鉆機(jī)普鉆技術(shù)應(yīng)用淺析

李偉剛

1 概述

近幾年來(lái)，地勘行業(yè)市場(chǎng)下滑，地質(zhì)項(xiàng)目萎縮，在這種情況下，我公司借助國(guó)家一帶一路發(fā)展的契機(jī)，同時(shí)為了適應(yīng)國(guó)有地勘單位的改革，大力發(fā)展國(guó)際項(xiàng)目。現(xiàn)就我在巴西孔戈尼亞爾錳礦區(qū)的鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)普鉆技術(shù)的應(yīng)用做交流探討。

2 項(xiàng)目基本情況

2.1 礦區(qū)地質(zhì)情況

礦區(qū)位于巴西米納斯州的西南部，處于巴拉那（帕拉伊巴）盆地的邊緣部位，屬于淺海-濱海相沉積。礦區(qū)地層為單一斜層，呈北東向展布，傾角15°～30°，區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿巖出露，無(wú)褶皺，有少量的斷裂出露。礦區(qū)錳礦石為黑色，隱晶、纖狀結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造或塊狀構(gòu)造。該礦石受動(dòng)力作用影響較強(qiáng)，巖石破碎，裂隙發(fā)育，構(gòu)造角礫發(fā)育；巖石中有益組分為硬錳礦+軟錳礦，主要以軟錳礦為主，硬錳礦僅占少量，隱晶質(zhì)錳礦集合體呈膠狀、皮殼狀；無(wú)益組分為錳鐵質(zhì)+泥硅質(zhì)，礦物顆粒細(xì)小；巖石中礦物分布較均勻，巖石總體組構(gòu)較均一。錳礦體的賦礦巖性為長(zhǎng)石石英砂巖，錳礦體的展布和地層一致，呈整合接觸。

圖1 錳礦體露天采場(chǎng)

2.2 巖性及地層性質(zhì)

礦區(qū)主要巖性為石英砂巖，區(qū)內(nèi)地層主要巖性有石英砂巖、白云母長(zhǎng)石砂巖、氧化錳礦、第四系紅土層，含礦段巖層厚度約20m ～50m。巖性有粉砂巖、絹云母粉砂巖、凝灰質(zhì)板巖、長(zhǎng)石石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖板巖、石英巖，錳礦體賦存于含錳的絹云母長(zhǎng)石石英片巖或石英砂巖中。

第四系覆蓋層厚度大，膠結(jié)性差，遇水松散，且?jiàn)A雜有不同程度的活石滾石現(xiàn)象；富含石英顆粒的砂巖層段，懸浮能力差，屬于不穩(wěn)定復(fù)雜地層，施工難度大。下部片麻巖地層較穩(wěn)定，進(jìn)尺較快。

3 鉆進(jìn)工藝

3.1 鉆進(jìn)方法

該項(xiàng)目礦區(qū)采用HZ-130YY 型鉆機(jī)（甲方提供）施工，甲方只提供普鉆鉆桿，當(dāng)?shù)嘏鋫鋯蝿?dòng)雙管鉆具，故采用普通上鉆取芯工藝。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

使用∮91 復(fù)合片鉆頭開(kāi)孔，然后下入∮89 套管做為井口管，再換用∮42金剛石鉆頭，連接鉆具、鉆桿使用泥漿鉆進(jìn)上鉆取芯。

3.3 工藝過(guò)程

干燒開(kāi)孔——下套管（2m 以上）——地面配好鉆具——調(diào)好泥漿性能——下鉆——開(kāi)泵送泥漿——鉆進(jìn)——卡斷巖心——上鉆取芯——記錄——下鉆——繼續(xù)鉆進(jìn)、加桿鉆進(jìn)…。

3.4 鉆進(jìn)參數(shù)

轉(zhuǎn)速、鉆壓、泵量要視設(shè)備情況、實(shí)鉆地層性質(zhì)、井底使用的鉆頭類型、進(jìn)尺速度合理調(diào)整確定，不同的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)對(duì)巖（礦）心采取質(zhì)量有很大的影響。因此，對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇，既要考慮提高鉆進(jìn)速度的要求也要考慮取芯的要求。

（1）轉(zhuǎn)速是提高鉆速的主導(dǎo)因素，是影響取芯效率的關(guān)鍵因素。一般情況下，鉆速隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆具受離心力作用大，其振動(dòng)、擺動(dòng)也大，轉(zhuǎn)速過(guò)低，則鉆速也低，同時(shí)轉(zhuǎn)速的提高又受設(shè)備的能力、鉆桿柱的強(qiáng)度及孔內(nèi)情況的影響，且隨鉆速的增加，泵量必須與之相適應(yīng)。泵量過(guò)小，排粉不凈，導(dǎo)致孔底巖粉淤積，巖屑重復(fù)破碎，鉆頭冷卻不良，引起燒鉆；泵量過(guò)大，又易沖毀巖心，造成回次取芯率低。

（2）鉆壓在金剛石鉆進(jìn)中是輔助要素，切忌靠盲目增加鉆壓取得鉆速。使用時(shí)加在鉆頭上的壓力必須高于所鉆地層巖石的抗壓強(qiáng)度，而低于金剛石本身的抗壓強(qiáng)度。鉆壓過(guò)低，鉆頭浮在巖層面上，不能形成對(duì)巖石的體積破碎；鉆壓過(guò)高，易造成孔斜，同時(shí)還受鉆具、鉆桿強(qiáng)度的限制。

（3）金剛石鉆進(jìn)取芯時(shí)，因井底面積大，破碎下來(lái)的巖屑多，所以需要加大的泵量，泵量越大，流速增加，沖刷力也大；但是不能過(guò)大，泵量過(guò)大會(huì)造成鉆具內(nèi)壓高而降低鉆進(jìn)壓力，同時(shí)增加鉆具振動(dòng)，降低孔內(nèi)井壁穩(wěn)定，易造成孔內(nèi)坍塌等事故，泵量過(guò)低會(huì)造成井內(nèi)巖粉排不干凈，產(chǎn)生多次研磨，降低鉆頭壽命，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)包鉆、燒鉆等孔內(nèi)事故，因此要根據(jù)孔內(nèi)情況選擇合適的循環(huán)方式。

3.5 泥漿的使用

泥漿體系的選擇及性能的好壞，直接關(guān)系到鉆進(jìn)成孔過(guò)程的順利與否。泥漿體系必須有利于安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆進(jìn)，有利于取全取準(zhǔn)地質(zhì)和工程等資料，有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)礦層，有利于減少對(duì)鉆具套管及設(shè)備的腐蝕，有利于環(huán)境保護(hù)。泥漿體系一般分為清水潤(rùn)滑沖洗液、無(wú)固相聚合物沖洗液、低密度流體沖洗液等。清水適合于孔壁穩(wěn)定、低速轉(zhuǎn)及淺孔施工，清水沖孔，能快速冷卻鉆具，鉆進(jìn)效率較高，但對(duì)孔壁無(wú)保護(hù)作用，對(duì)鉆具潤(rùn)滑性較差；潤(rùn)滑沖洗液適用于高轉(zhuǎn)速深孔鉆進(jìn)，泥漿沖洗液應(yīng)用于孔壁不穩(wěn)定的鉆孔和鉆速快、巖粉多且顆粒粗的鉆孔；無(wú)固相聚合物沖洗液是高分子聚合物的水溶液，具有膠結(jié)護(hù)壁好、相對(duì)密度小、鉆速高等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛；低密度流體沖洗液主要用于缺少地區(qū)和鉆孔沖洗液嚴(yán)重漏失的地層。

圖2 下入井口鉆桿示意圖

本地區(qū)開(kāi)孔使用清水灌澆鉆頭，下入套管后使用泥漿。配方：1m3水+20 公斤膨潤(rùn)土+1 公斤CMC（甲方現(xiàn)場(chǎng)只2 種泥漿材料）。此配方較簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)使用便于維護(hù)，基本可以滿足地層使用。

按配方配制時(shí)，先把土充分水化，CMC 充分溶解配成膠液，然后在攪拌桶中充分?jǐn)嚢瑁怪阅苓_(dá)到比重1.3g/cm3，粘度26s 左右，失水量20ml/h。

注意：每次取芯上鉆過(guò)程中必須進(jìn)行注漿操作，防止抽垮地層；每次停轉(zhuǎn)等待過(guò)程中，必須對(duì)井內(nèi)進(jìn)行灌漿作業(yè)，穩(wěn)定井壁。

4 工程案例

Zk1605 鉆孔事故處理經(jīng)過(guò)：

8 月12 日下午13 時(shí)1605 孔下套管3.9m 后換46mm 鉆具加桿鉆進(jìn)，井內(nèi)開(kāi)始返上紅色泥土水，繼續(xù)鉆進(jìn)加桿鉆至11.25 米，井內(nèi)返上粗顆粒砂巖巖粉，繼續(xù)使用清水鉆進(jìn)。

14 時(shí)30 分加桿鉆進(jìn)至13.25m，井內(nèi)粗顆粒砂巖巖粉大量返上，單根鉆至井底15.95m，拉上導(dǎo)桿，停泵，解鉆桿，上拉單根2.25m，接上立根4.5m，下鉆至加桿鉆桿離井口1m 處遇阻，班長(zhǎng)強(qiáng)力抽拉，來(lái)回上下至井口30cm 無(wú)法下鉆，亦無(wú)法上鉆。

15 時(shí)加大泵量，勉強(qiáng)合車（井口距離不夠）強(qiáng)力轉(zhuǎn)動(dòng)，3min后水泵調(diào)壓閥打開(kāi)自動(dòng)泄壓，動(dòng)力柴油機(jī)熄火。

15 時(shí)30 分，合車不開(kāi)泵空轉(zhuǎn)，根據(jù)導(dǎo)桿長(zhǎng)度計(jì)算，鉆具距離井底65cm，來(lái)回反復(fù)轉(zhuǎn)、停，轉(zhuǎn)拉，轉(zhuǎn)頂，因?qū)U油缸無(wú)有效上頂標(biāo)尺，20min 后無(wú)效果，熄火解開(kāi)導(dǎo)桿。

16 時(shí)，用卷?yè)P(yáng)機(jī)向上拉緊鉆桿，眾人合力搬動(dòng)管鉗上盤井內(nèi)鉆桿，邊用鋼絲繩向上拉邊用加力管鉗繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，30min 后鉆桿上升16cm，離開(kāi)井口46cm，后無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，亦無(wú)法拉動(dòng)。

17 時(shí)，從礦部拿來(lái)20 噸千斤頂2 個(gè)，用木板兩邊搭好支架，保證鉆桿受力平衡，用墊插支撐受力，經(jīng)過(guò)多次嘗試，向上頂出鉆桿50cm，此時(shí)鉆桿距離井口96cm。

13 日上午7 時(shí)，繼續(xù)用千斤頂提升鉆桿10cm，后反彈無(wú)法繼續(xù)，亦無(wú)法人力轉(zhuǎn)動(dòng)。

8 時(shí)，經(jīng)過(guò)丈量判斷鉆桿4.5m 下部已進(jìn)入井口套管（下套管3.9m）,故在井口用管鉗反轉(zhuǎn)，在井下解開(kāi)鉆桿，上鉆后發(fā)現(xiàn)從井下第二根鉆桿扣處解開(kāi)，此時(shí)井內(nèi)留一根鉆桿4.5m 和鉆具2m。

9 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)果斷決定下鉆。換用單根2.25m 加一根4.5m 鉆桿，合車連接主動(dòng)鉆桿（導(dǎo)桿4.2m），計(jì)算機(jī)上殘尺剩余1.45m（鉆桿絲扣0.04m），做好紅色標(biāo)記，緩慢下鉆到底。

10 時(shí)，井口異響鉆桿接觸，人力緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)上扣，后用鋼絲繩上拉，反復(fù)多次嘗試，柴油機(jī)憋車，判斷井下對(duì)口成功。迅速開(kāi)水泵，打壓至2kg/m2，水泵穩(wěn)定，持續(xù)5min后，半離合狀態(tài)慢轉(zhuǎn)，控制不能反轉(zhuǎn)，反復(fù)10min 后，井底水路通，地面返上砂粒，繼續(xù)沖井底15min 后，快速上鉆，井內(nèi)鉆桿、鉆具全部拉上來(lái)，從鉆桿壁磨損情況判斷井底4.8m 以下全部砂粒，鉆桿平口臺(tái)階已經(jīng)磨平，鉆具外管全部磨光。

當(dāng)日11 時(shí)，清洗鉆具，整理機(jī)場(chǎng)，井內(nèi)事故處理成功。

5 施工經(jīng)驗(yàn)及建議

5.1 普鉆優(yōu)點(diǎn)

該地區(qū)0m ～5m 為硬質(zhì)錳礦石，上部為紅色黏土層，下段為松散石英砂巖層，在泥土層和松散層段，孔徑擴(kuò)大，易斷鉆桿，這恰恰是普鉆的優(yōu)點(diǎn)，鉆進(jìn)效率高，事故率低。

普通取芯鉆進(jìn)適宜鉆進(jìn)易風(fēng)化砂泥巖等軟弱地層、巖芯破碎的復(fù)雜地層，鉆進(jìn)效率比繩索取芯鉆進(jìn)高，泥巖縮徑影響不大，孔內(nèi)事故便于處理。可鉆性1 級(jí)～5 級(jí)地層，效率很高；對(duì)粘度、固相要求不高，鉆桿為地質(zhì)專用管材、加工精度不高、易彎曲，成本較低。

5.2 普鉆缺點(diǎn)

輔助時(shí)間長(zhǎng)，頻繁上下鉆勞動(dòng)強(qiáng)度大；受取芯管長(zhǎng)度限制，不能較大間斷連續(xù)取芯；受鉆桿尺度影響，不能滿眼鉆進(jìn)，孔深和采取率均受影響。

圖3 鉆桿平口臺(tái)階磨平圖

圖4 清洗前后鉆具圖

鉆進(jìn)硬地層效率低，鉆頭壽命短，易孔斜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采取率低，鉆探成本高。

普鉆多采用單層巖心管、泥漿直接沖蝕巖芯、采取率不高；多采用合金鉆頭，鉆頭破碎巖石振動(dòng)大、巖心易碎、易堵；卡料卡取或干燒法取芯，巖心易脫落，成功率不高；每回次提鉆、振動(dòng)大、泥漿壓力等因素影響下巖心易脫落，輔助時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大；對(duì)孔壁破壞較大，易孔斜，孔內(nèi)事故率高。

5.3 建議

（1）根據(jù)地層具體情況選擇合適的鉆井類型，目前較先進(jìn)的是繩索取芯鉆進(jìn)，也可采用普鉆與繩索取芯相結(jié)合的方法，可以提高鉆進(jìn)效率。

（2）鉆探施工現(xiàn)場(chǎng)切忌用清水鉆進(jìn)，重視泥漿技術(shù)，特別是復(fù)雜地層。（3）機(jī)場(chǎng)應(yīng)配備常用的事故處理工具，如絲錐、套銑鉆頭等。（4）鉆探施工過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況選取合適的鉆進(jìn)參數(shù)和泥漿配比方案，預(yù)防孔內(nèi)事故。

（5）處理井內(nèi)事故必須頭腦冷靜、思路清晰，切忌盲目蠻干。

6 結(jié)語(yǔ)

鉆探工程屬于地下施工工程，鉆孔地下各種復(fù)雜情況隨時(shí)會(huì)發(fā)生并影響工程質(zhì)量和進(jìn)度，做好孔內(nèi)事故的預(yù)防工作，采取有效可行的預(yù)防措施，對(duì)地層情況進(jìn)行全面分析，制定合理可行的施工組織技術(shù)方案，經(jīng)常檢測(cè)泥漿各項(xiàng)指標(biāo)和檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，多觀察鉆進(jìn)過(guò)程中所出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，確保精心組織、精心施工減少和避免事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

普鉆涉及的面比較廣泛，它不僅僅能夠適應(yīng)于提鉆取心的固體巖心鉆探工作，還適應(yīng)工建勘查、道橋工程、鈾勘、水井等等較大口徑鉆孔的施工。無(wú)論何種鉆探取芯方法，都是利用各種施工技術(shù)和方案，不斷提高預(yù)防和處理事故的技術(shù)水平。對(duì)于復(fù)雜地層沒(méi)有唯一或者萬(wàn)能的解決辦法，只有根據(jù)實(shí)際情況和現(xiàn)場(chǎng)處理工具水平，采取最行之有效的方案解決處理問(wèn)題，以上是我針對(duì)該地區(qū)該鉆孔的一些方法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，與同行們交流分享。