特大涌水孔绳索取心钻探施工工艺

宋继伟

(贵州省地矿局115地质大队,贵州清镇 551400)

特大涌水孔绳索取心钻探施工工艺

宋继伟

(贵州省地矿局115地质大队,贵州清镇 551400)

针对贵州省瓮安县老虎洞磷矿勘查工作中的部分特大涌水孔,认真研究采用钻孔上部孔段泄水、加重泥浆、“56 mm绳索取心钻具、改装S75绳索取心内管总成等多种钻探措施相结合,形成了适用于特大型涌水孔的小口径绳索取心施工工艺。

涌水孔;绳索取心钻具;加重泥浆;钻具改装

1 概述

我队正在施工的贵州省瓮安县老虎洞磷矿区勘查项目,矿区内地下水丰富,部分区段为承压水,钻孔为涌水孔,钻孔涌水量一般在35～55 t/h,最大涌水量72.4 t/h。钻孔涌水给小口径绳索取心钻探带来以下困难和影响。

(1)地面工作环境恶劣,钻工每天淋泡在水中,这种情形在秋、冬季显得尤为突出;

(2)涌水量大时岩心内管无法下入孔内预定位置;

(3)涌水冲蚀破碎段孔壁,钻孔严重超径,钻杆断落事故高发;

(4)岩粉无法排出,停钻时易发生埋钻事故。

针对这种情形,积极采取多种措施,经过2个钻孔实践,总结了行之有效的施工工艺,后经5个钻孔现场使用证明,这些方法效果良好,能保证钻孔顺利钻进,保证岩心采取率。本文以该矿区较早发生涌水的ZK805孔施工过程为例介绍该施工工艺。

2 ZK805孔地层概况

0～4.7 m,碎石粘土;4.7～124 m,厚层粉晶灰岩,节理、裂隙、溶孔发育;124～368 m,薄层钙质、粉砂质砂岩,除188～191 m和232～236 m为破碎带外,其余岩心完整呈柱状;368～650 m,厚层含藻泥至粉晶白云岩,岩心破碎,多成碎块,其中535～545 m为破碎带;650～671 m,厚层硅质岩,节理、晶洞发育,岩心破碎,呈碎块状;671～718 m,厚层硅化粉晶白云岩,节理、裂隙、晶洞发育,岩心破碎,多呈碎块状;718～770 m,薄至中厚层沙屑状白云质磷块岩,部分矿心破碎,呈碎块状。

该孔地层情况属中等复杂程度以上。该孔自孔深389.67 m处开始涌水,更增加了钻探施工的难度。

3 钻进及处理过程

3.1 施工环境问题

该孔施工时间为2009年11月至2010年1月,正为西南地区严寒季节,为解决钻工施工环境问题,主要采取了2方面措施:

(1)初时涌水量较小时,购置防水劳保棉衣;

(2)后期涌水量较大时,经仔细分析初期钻孔资料及岩心情况,发现该孔7～16 m、27～37 m段裂隙及溶蚀孔洞尤为发育,起先该段使用“89 mm技术套管进行封隔护壁,现决定起出套管,对这两段钻孔位置所对应的套管钻花眼后重新下入,以期起到钻孔上部孔内自动泄水的功能。花管下入后效果非常明显,孔口出水初时全部终止,后期也仅有极少量水涌出孔口。

3.2 解决水压力问题

3.2.1 第一阶段

初涌量为9.2 t/h,此时钻具尚能下入孔内,涌水较大时,采用“50 mm钻杆1根加重跟管将岩心管送入孔底。

3.2.2 第二阶段

涌水量增至20.2 t/h,使用加重泥浆,配方为:1 m3水+50 kg粘土+10～20 kg PAM+30～50 kg CMC+20～30 kg KP共聚物+250 kg重晶石粉。

泥浆性能:密度为1.5 g/cm3;粘度为35～45 s;失水量为7 mL/30 min;pH值为7.5。同时仍用“50 mm钻杆1根跟管送入内管总成。

3.2.3 第三阶段

涌水量迅猛增至34 t/h,流速约为3.3 m/s,且呈连续上升趋势,此时仍采用上述加重泥浆配方,仅粘土粉加量增至100 kg/m3,同时采用“50 mm钻杆2根加重送管。后涌水量继续增大,不能再继续添加“50 mm钻杆,此时加工一根“56 mm圆钢(长6 m,质量84 kg)加重送管。

3.2.4 第四阶段

涌水量增至50 t/h,此时,经现场分析,如继续使用加重泥浆,大压力泵入,加重泥浆完全顺地层裂隙漏失,消耗之严重、成本之高得不偿失,但同时此时若不使用加重泥浆,即使使用圆钢也无法将内管总成送入孔底。此时不再使用泥浆,改用清水,也不再使用绳索取心,改用普通单管钻具钻进。

普通单管钻具钻进很有效地解决了涌水压力问题,但是出现新的问题:普通单管钻具在部分岩石较完整孔段能有效采取岩心,但在350 m以深层位岩石均比较破碎,根本无法保证岩心采取率。

经研究决定,采用“56 mm绳索取心钻具完成剩余孔段钻探任务。“56 mm绳索取心钻具生产已多年,对于部分非煤固体矿产勘查,在地层特性满足取样要求允许的情况下,可以使用“56 mm绳索取心钻具钻进终孔。老虎洞磷矿区为已经勘查和开采了几十年的老矿区,地质资料非常丰富详尽,岩层、矿层控制性和准确性非常高,使用“56 mm绳索取心钻具终孔完全能够达到地质要求。

现场使用“56 mm绳索取心钻具效果极为明显,有效地降低了水压力对于钻具投放的影响,又消除了普通单管钻具岩心采取率不足的问题。

3.3 施工中其他问题

涌水孔除水压力对钻进造成影响之外,还为钻进施工带来了其它很多困难。

3.3.1 断钻杆事故

该钻孔有3个破碎带,其余大部分孔段岩石非常破碎,涌水过大限制该孔不能使用常规泥浆处理,使用加重泥浆成本又太高,套管也无法正常下入,因此孔壁得不到有效保护,加之反复处理各种问题时间过长,操作过多,孔壁受到强烈扰动,在涌水冲刷和掏蚀下,形成很多严重超径孔段,断钻杆事故率非常高,发展到后来每个班次都至少发生一次断钻事故,钻进无法持续进行。

解决这个问题方法也是使用“56 mm绳索取心钻具。直接把“71 mm绳索取心钻杆在孔内充当套管用,解决了无法下入套管的问题,同时能很大程度上封隔涌水,“56 mm绳索取心钻具在“71 mm绳索取心钻杆内钻进,安全性非常高,效果良好。

3.3.2 埋钻事故

起初,据直观经验判断,涌水孔孔内应该是非常干净的,但恰恰在涌水孔内发生了埋钻事故。经仔细分析,发生这种问题的主要原因是该孔占最大比例的白云岩地层本身就易产生极多的岩粉,正常钻进时,泵压与岩层水压力的完全平衡是很难维持的,现场只能采用大于地层水压力的泵压,这样岩粉很直接的被压入岩层裂隙中,停钻取心时,岩粉又被地层水压回孔内,几百米的岩粉累积,极易发生埋钻事故。

解决这个问题的方法:每钻进一段深度,便起一次大钻停钻等待一段时间,让岩粉自裂隙排出自然沉淀,然后下钻“干捉”岩粉。经观察,“干捉”出的岩粉非常多,而且沉淀得非常紧密,不仔细看外观上和完整的岩心没有差别,这样的岩粉如果埋钻后果非常严重。

3.3.3 对抗水压力的其它方法

ZK805孔使用“56 mm绳索取心钻具是逼不得已的做法,对于不成熟矿区不能确保达到地质取样要求,同时在600 m以深的钻孔使用“56 mm绳索取心钻具风险还是非常高的。

因此我们在岩层相对较完整的ZK311孔还是在S75绳索取心内管总成上做文章。主要措施包括在内管上段钻花眼泄压,同时取出绳索取心到位报信机构的阀体。因为在涌水孔内不开泵送内管总成至孔底的情况下,绳索取心的到位报信机构是完全没用的,取出阀体后,内管总成在孔内下降状态时涌水可以自由通过内管总成,同时取出这个阀体对于正常钻进没有任何影响。以上2个措施极大降低了内管总成在孔内下降的涌水推力,实践证明这个方法非常成功。

上述方法在后期施工的ZK311、ZK406、ZK510、ZK606、ZK705等钻孔根据不同情况综合使用,效果非常好,能确保在大型涌水孔中实现高效率绳索取心钻进。

4 结语

(1)使用加重泥浆是目前解决涌水孔问题、保证涌水孔孔壁完整、钻进能顺利实施的比较成熟的技术,但其弊端是成本太高;

(2)其他的方法,如果在不计较涌水对施工环境和钻孔孔壁损伤的情况下,涌水孔钻进主要就是解决绳索钻具内管总成顺利下入孔底的问题。

[1] 李军勤,张耀选.涌水地层钻进工艺[J].西部探矿工程,2002, (3).

[2] 张成亚.煤田涌水孔施工实践[J].探矿工程,1992,(5).

[3] 杨晓奇.地质勘探金刚石岩心钻探中浅孔主体口径探讨[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(11).

[4] 武汉地质学院,等.钻探工艺学[M].北京:地质出版社,1980.

[5] 张鸿雁,等.流体力学[M].北京:科学出版社,2004.

Drilling Technology of Wire-line Coring for Super Large Water Gushing Hole

SONG Ji-wei(115 Geological Team,Bureau of Geology andMineral Exploration and Development of Guizhou Province,Qingzhen Guizhou 551400,China)

Aiming at some super large water gushing holes in the exploration at Laohudong phosphate mine in Weng’an County of Guizhou Province,the top hole section of water releasing,weighted mud,“56mm wire-line coring tool,S75 wire-line coring inner pipe assembly refitting and some drillingmethodswere combined to form a complete set of s mall di-ameter wire-line coring construction technology for super large gushingwater.

water gushing hole;wire-line coring tool;weighted mud;drilling tool refitting

P634

A

1672-7428(2010)12-0017-02

2010-06-02

宋继伟(1982-),男(汉族),河北沧州人,贵州省地矿局115地质大队项目经理、助理工程师,地质工程专业,从事钻探机具、钻探工艺研究工作,贵州省清镇市,songjiwei8759@163.com。