三山岛北部海域ZK3210钻孔事故处理工艺

田志超，宋世杰，刘振新，付相友，于孟亮

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

三山岛北部海域ZK3210钻孔事故处理工艺

田志超，宋世杰，刘振新，付相友，于孟亮

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004)

本文结合事故钻孔施工实例，简略介绍了钻探施工绳索取心钢丝绳脱落事故的处理过程，钻孔造斜楔的施工工艺、钻进方法及注意事项。通过偏斜钻进，在保证钻孔质量的同时，处理复杂事故，达到钻孔地质目的，获得所需地质资料。

绳索取心；造斜；钻孔事故；偏斜钻进

1 项目概况

三山岛北部海域金矿勘查项目是国内最大的海上金矿勘探项目，山东省第三地质矿产勘查院承担了勘查钻探施工任务。从2012年2月至2014年10月，历时近三年，施工期间，共投入钻机50余台，完成钻探工作量12万多米。矿区位于莱州市北约26 km三山岛北部海域，西南毗邻三山岛金矿，行政区划隶属莱州市三山岛工业园区管辖，交通便利(如图1)。该区域地层构造复杂破碎、蚀变严重，施工难度大。

图1 地理位置

2 地质概况

矿区大地构造位置处于华北地台南缘胶北地体之胶北隆起区，西靠沂沭断裂带，南接胶北地体之胶莱拗陷，北邻龙口断陷盆地和渤海拗陷，东接牟平-即墨构造混杂带。区内构造、岩浆活动强烈，以发育脆性断裂为特征。

矿区位于向莱州湾突出的小半岛—三山岛，三面环海，东面是陆地。除临海的3个相连的小山丘上见有二长花岗岩出露外，其余均被第四系覆盖。第四系自上而下为中粗砂、沙淤泥以及粉质黏土，厚度60～80 m。第四系之下为二长花岗岩和片麻状细粒黑云角闪英云闪长岩等，岩石可钻性一般为7～9级，研磨性强。三山岛～仓上及三山岛～三元2条规模较大断裂，呈北东和北西走向，贯穿整个矿区。断裂蚀变破碎带是钻探过程中最容易遇到的复杂地层，该区域宽度80～120 m不等，以灰色段层泥为标志的主断裂面位于蚀变带的中心部位，靠主断裂面为蚀变较强的黄铁绢英岩质碎裂岩，向两侧逐渐减弱。矿体一般赋存在主断裂面下盘的黄铁绢英岩质碎裂岩和黄铁绢英岩质碎裂岩化花岗岩中。

3 钻孔概况

ZK3210号钻孔为海上施工钻孔，设计深度1800 m，钻孔倾角90°。结合设计要求与前期施工所积累经验，在保证质量与满足海域施工条件的前提下，钻孔结构确定为一开采用∅127 mm跟管钻进开孔至30 m，其中施工平台面至海底深度为11 m；二开用∅110 mm硬质合金普通单管钻具钻进至125 m，下入∅108 mm套管；三开采用∅95 mm绳索取心钻具钻进至445 m，下入∅89 mm套管；四开用∅75 mm绳索取心钻具钻进至终孔。设备结合ZK3210号钻孔的设计深度要求与设备能力，选用黄海机械厂生产的XY-6B型钻机进行施工，配备150 kW柴油发动机、A型钻塔(13 m)和BW160泥浆泵，钻杆为普通材质的绳索取心钻杆，钻头为国产的合金钻头和金刚石钻头。

在冲洗液的选择方面，一开钻进第四系中粗砂、沙淤泥以及粉质黏土层时，采用低固相泥浆冲洗液；在其他一般坍塌和掉块的孔段，采用PHP无固相冲洗液；在坍塌和掉块严重的孔段，采用聚乙烯醇熬制成胶配合PHP无固相冲洗液。

低固相泥浆配方：清水+膨润土+纯碱+降失水剂Na-CMC。性能参数：密度1.02～1.04 g/cm3，漏斗黏度33 s，滤失量9～10 mL/30 min，pH值9～10。

PHP无固相冲洗液配方：清水+PHP+皂化油。性能参数：表观黏度6.3 mPas，动切力0.25 Pa，滤失量为全漏失。

4 事故概况与分析处理

4.1 第一阶段

图2 自制打捞钩

ZK3210钻孔在2012年11月2日施工过程中，孔深1663.60 m，取心，投入内管后开始钻进，不进尺，取心，在打捞内管时提拉不动，在多次提拉过程中，取心钢丝绳被拉断。开始提钻，提出钻杆和钻具后发现钻头内径磨大，致使内管、打捞器与大部分取心钢丝绳落入孔内。分析孔内情况，决定使用钻杆下部焊接打捞钩(如图2)捞取孔内钢丝绳。由于对孔内取心钢丝绳在孔内的准确位置不清楚，无法确定钻杆的下入深度，在上下窜动过程中，感觉有卡顿，开始提钻，把钻杆提出孔内后发现，不但取心钢丝绳没钩取上来，还将打捞钩断在孔底。

4.2 第二阶段

出现上述情况，孔内情况复杂，决定下入单管钻具扫动捞取打捞钩与少部分钢丝绳，继续下打捞钩，结合上次经验，控制下入深度，经过反复数次，共捞取上来1200 m取心钢丝绳(如图3)。分析剩余钢丝绳约50 m，打捞钩捞取不起作用，决定下入普通取心下钻扫剩余钢丝绳，在距孔底90 m处遇阻，在缓慢扫动过程中，泵压接近10 MPa，经分析为孔内岩粉等杂物过多，决定使用孔底无泵钻具捞取孔底岩粉等异物，后因操作不当，使用无泵进行常规钻进，卡钻，串扫结合强力提拔出孔底，提出后发现钻头与弹卡总成都烧在孔底。

图3 打捞钩捞取上来的取心钢丝绳

4.3 第三阶段

此时孔内情况更加复杂，经分析决定先使用水泥封孔再透孔，后透孔，扫出烧钻残留部分。再次扫孔内钢丝绳，不进尺，提钻后发现钻头自丝扣以下部位没有了。分析孔内情况认为上次烧钻为多重原因，再次扫孔效果不大，决定下造斜楔偏绕事故段。

4.4 第四阶段

此阶段采用下入造斜楔偏绕事故段的方法。造斜楔是一种利用楔面迫使钻头改变钻进方向，形成新的钻孔轨迹的钻探工具，具有结构简单、操作方便的优点。结合ZK3210钻孔的实际情况，针对岩石的软硬程度、钻孔深度、施工难度和经济性等因素，采用自制简易空心造斜楔(如图4)。

图4 简易空心造斜楔

现场采用的简易空心造斜楔用绳索取心钻杆制作，沿钻杆一端圆周三分之一处开始切割，角度控制在1°左右，将切割下来的钻杆翻转过来焊接，切除楔面多余部分，除去焊疤打磨抛光，完成制作。造斜楔外径应与钻孔直径相比略小2～3 mm。如果外径比钻孔直径小得过多，造斜楔下入孔内后与孔壁间隙过大，造斜楔会倾斜，楔面倒向一边，钻头难以进入，应该在楔面的侧面电焊增大此边外径，人为将造斜楔楔面倒向孔壁一边，有利于钻头的进入；造斜楔斜面一定要等于或大于偏斜的钻头、扩孔器直径，造斜楔斜面小于钻头、扩孔器直径，钻头在孔内很难进入楔面，即使强压进入后，钻头也会磨造斜楔边缘，摩擦阻力较大，造斜楔易随着钻具转动或上下串动；造斜楔楔面一定要打磨光滑，利于钻头的进入。若造斜楔外径比钻孔直径较小，可将造斜楔楔面往外敲开成喇叭口，需要控制好幅度，不能太大；对于空心造斜楔楔面部分可往外压弯一点(如图5)，使下入孔内的楔面顶部紧贴孔壁，但注意整个造斜楔弯曲幅度不能太大，以免在下造斜楔时，将造斜楔滞留孔中间，出现更大的问题。

图5 楔面预压弯

ZK3210钻孔造斜楔采用钢筋焊接到钻杆上进行连接(如图6)。

图6 焊接造斜楔

造斜楔投放就位时，首先通孔循环钻孔，防止可能有岩粉沉积使造斜楔下不到位，同时可避免孔壁有探头石将造斜楔滞留孔中。下造斜楔一定要慢而稳，计算好机上余尺，如果遇阻必须慢慢将造斜楔提出孔外，不能拉断连接钢筋，否则造斜楔会滞留孔中。造斜楔快要下放到孔底时，要用减压法慢慢往下放，导杆不走后再慢慢增加力量，不要将钻杆一次放下，否则易压弯造斜楔楔面，钻头难于进入，连接钢筋断裂后再适当往上一点，减压法轻压一下，不能将钻杆全部压在斜面上，更不能用钻机加压，以免卡死。下入锥形钻头，减压法轻压一下，轻轻转动拧断焊接部位，提出钻杆，准备水泥封孔，固定造斜楔。向孔内注入适量的水泥砂浆(可加入少量早凝剂)，候凝24小时以上，重新下入钻具进行扫孔，扫孔深度由偏斜位置加上造斜楔有效长度计算，清除多余的混凝土孔段，从而形成自然水泥柱孔底，ZK3210初始偏斜段从孔深1663.00 m开始至1666.52 m止，进尺3.52 m，取出薄片半圆状岩心1.90 m。最后通过3个回次钻至1668.50 m，进尺5.50 m，偏斜钻具超出偏斜器底部，取出完整岩心，初始偏斜成功，整个初始偏斜段采用4个回次完成，岩心采取率平均达70%以上。此时事故处理完毕，开始正常钻进工作。

5 结语

钻孔事故的发生分为客观因素(地层条件等)和主观因素(人为因素)，纵观ZK3210钻孔的整个施工过程，我们不难发现人为因素是发生事故的主因。结合整个处理工程，笔者有几个心得体会：

(1)绳索取心钢丝绳脱落孔内事故极为常见，钢丝绳更换不及时，检查不细致，操作不谨慎就有可能发生。虽然对钻探施工来说是一种小事故或叠加事故，但往往是产生孔内其他事故前兆。事故发生后如果处理方法不正确，盲目处理，会带来很大的麻烦。尽量采取捞取办法，多次多方法捞取，多次捞取不成功再用平推的办法。磨消钢丝绳进度太慢，而且危险性很大。

(2)应采取有效措施，预防绳索取心钢丝绳脱落孔内事故的发生。选用钢丝绳时尽量选用防折破劲的优质钢丝绳，做到经常检查、定期检查，发现问题及时更换。钢丝绳的断点多数在使用最频繁段，通常孔深中点的长度范围内是钢丝绳折断最危险的阶段，要着重检查。孔内感觉异常时，要仔细分析事故原因和一切可能性，切不可盲目处理。确需下捞矛时，预先一定要检查捞矛与解卡器的解脱灵敏性、钢丝绳完好程度，确定捞矛与解卡器的节点是最薄弱的断点，严防钢丝绳断落孔内。

(3)造斜楔在处理深孔复杂事故中，具有成本低廉、操作方便、效果显著等优点，对于造斜楔的使用，对细节的把握十分关键，要充分考虑完善各个施工环节，优质高效处理深孔事故。

(4)孔内事故应重在预防，为了强化孔内事故的预防，要加强机班长的职业素质、责任心、技术水平、实际操作经验，挑选文化水平较高、积极上进、工作中不怕苦的年轻技术工人充实到一线，并对机台施工人员进行岗位技术培训和施工经验交流。同时，钻探技术管理人员要深入基层，及时指导，且对矿区资料进行详细研究，对可能出现的问题提前预防，对孔内出现的问题及时做出正确判断，采取正确的有效措施，确保施工顺利进行。

[1] 地质岩心钻探规程:DZ/T 0227-2010[S].

[2] 宋世杰, 陈师逊, 杨芳. 三山岛海上金矿勘查工程 ZK3410孔坍塌原因与处理[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2014(2):26-28.

[3] 刘治, 王智峰, 宋宝杰,等. 简易偏心楔在钻探施工中的应用[J]. 探矿工程:岩土钻掘工程, 2016, 43(12):49-53.

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[5] 杨清泉, 李威, 陶晓杰. 三山岛海底金矿地质特征及矿床成因探讨[J]. 黄金科学技术, 2010, 18(3):5-8.

[6] 刘殿浩, 张丕建, 丁正江,等. 三山岛北部海域金矿勘查工作思路与实践[J]. 山东国土资源, 2015(2):1-6.

2017-05-10

田志超(1988-)，男，助理工程师，勘查技术与工程专业，从事岩心钻探技术应用与生产工作，山东省机场路271号，E-mail：sdsdtzc@163.com。

P634.8

A

1009-282X(2017)04-0029-04