破碎復雜地層鉆進技術(shù)研究與應用

破碎復雜地層鉆進技術(shù)研究與應用

在過去的幾十年里，中國的鉆探人員在廣泛的研究中發(fā)現(xiàn)了復雜的脆弱性技術(shù)，并取得了令人難以置信的效果。其中許多技術(shù)達到了國際先進水平，在生產(chǎn)實踐中取得了良好的效果。當然,其中也還存在許多難題亟待解決。隨著我國中東部一大批老礦山在已有勘查范圍內(nèi)資源的枯竭,未來地質(zhì)找礦和鉆探施工無疑將需要向更深、更復雜地層及其外圍區(qū)域拓展,以延長礦山開采年限,滿足國家對資源的急需。目前,國內(nèi)已經(jīng)開始新一輪的地質(zhì)大調(diào)查和西部大開發(fā),這將很可能遇到大量的破碎復雜地層。因此,進一步研究破碎復雜地層鉆進技術(shù),解決其存在的問題,改進已有的技術(shù)方法,探索出更有效的新方法和新技術(shù),對未來尋找新礦產(chǎn)資源將有著非常明顯的現(xiàn)實意義。1復雜破碎地層在鉆探過程中,遇到的破碎地層通?？煞譃閮深?一是在構(gòu)造運動作用下形成的復雜破碎地層,即由地質(zhì)構(gòu)造運動所產(chǎn)生的擠壓、張拉、剪切等作用,使巖層產(chǎn)生節(jié)理、裂隙、裂縫、斷層和片理,其中堅硬的脆性巖石受構(gòu)造力的劇烈作用最容易形成復雜破碎地層。二是由外力地質(zhì)作用所形成的復雜破碎地層,即風化層、河流沖積層、洪積層、風積層。巖層經(jīng)風化作用變?yōu)閹r性較松散、膠結(jié)不良的風化層,而沖積、洪積、風積作用形成的各種沉積層一般含有粘土、流砂、卵石、礫石、漂石成為復雜的地層。由于在破碎地層中,碎塊狀巖石的大小不均、膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)松散、換層頻繁、軟硬懸殊、顆粒級配懸殊等特點,所以在鉆進過程中碎塊不能穩(wěn)定受力,容易發(fā)生滾動,產(chǎn)生多個切削面,使得破巖效率降低,巖心采取率低,容易出現(xiàn)垮孔、掉塊和卡鉆等事故;再者因為破碎地層滲透性強,容易造成沖洗液漏失,或者出現(xiàn)涌水等事故。實踐表明,在復雜破碎地層鉆進施工,技術(shù)上主要存在“三難”——鉆進難、護壁難、取心難。2復雜地層鉆進方法傳統(tǒng)破碎復雜地層鉆進技術(shù)有采用一般鉆井液護壁的金剛石回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù),它雖然能在破碎復雜地層進行鉆進施工,但是鉆進效率不高。因此,通過分析在破碎復雜地層鉆進的特點,人們運用沖擊回轉(zhuǎn)與反循環(huán)鉆進技術(shù)相結(jié)合的思路,研究出了一系列較為有效的鉆進方法;同時通過對金剛石回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)中鉆井液的改進,使金剛石回轉(zhuǎn)鉆進破碎復雜地層也獲得良好效果。2.1液動潛孔錘在地質(zhì)勘探中的應用早在1887年德國人沃·布什曼就實現(xiàn)了利用泥漿液能驅(qū)動沖擊器進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。我國在這方面的研究始于1956年。其中1983年開始,不少單位相續(xù)開發(fā)了多種型號的繩索取心式液動潛孔錘,并在鉆進堅硬巖石和破碎巖層時,鉆進速度得到明顯提高,巖心容易堵塞的狀況得到改善。由于液動潛孔錘的動力來源于泥漿泵,而泵壓可以達到7~12MPa甚至更高,故鉆孔深度可以達到千米以上,從而可以實現(xiàn)深部復雜破碎地層的鉆進。至今我國已開發(fā)出來的許多品種和規(guī)格液動潛孔錘,其中應用于地質(zhì)勘探中主要有正作用式Y(jié)Z和ZF系列,雙作用式DC、YS、SC、SX和SYC系列,復合作用YQ系列,繩索取心式SS和SZ系列,液氣兩用YQS系列等。2007年中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所研發(fā)了SYZX75新型繩索取心液動潛孔錘。2009年吉林省核工業(yè)地質(zhì)局探礦隊應用SYZX75繩索取心液動錘配套加長巖心管,在內(nèi)蒙古赤峰市雙山子銅多金屬礦破碎巖層取得非常好的效果。2.2csr鉆進法相續(xù)研究液動潛孔錘的啟動,我國1958年開始研制風動潛孔錘(氣動沖擊器),1965年開始推廣,1978年后逐步普及。風動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是空氣鉆進技術(shù)的一個分支。實踐證明,氣動潛孔錘鉆進是一種效率高、鉆孔質(zhì)量好、成本低的施工方法。它在堅硬巖層、卵礫石層中鉆進最具優(yōu)勢,故而在水井、基礎樁、連續(xù)墻、錨固工程、大口徑井筒施工、坍塌地層跟套管鉆進等工程中得到廣泛應用。但傳統(tǒng)的氣動潛孔錘鉆進仍以全面破碎的非貫通式潛孔錘為主,采用單壁鉆桿正循環(huán)排屑或取樣,地質(zhì)資料可靠性差。國內(nèi)曾借鑒國外在破碎復雜地層中采用潛孔錘雙壁鉆桿反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(即CSR鉆進法),雖然比單壁鉆桿正循環(huán)鉆進前進了一大步,但仍存在下列比較突出的問題:(1)巖心樣品質(zhì)量差;(2)結(jié)構(gòu)設計不合理。主要表現(xiàn)為在鉆具的潛孔錘部位仍為正循環(huán),在潛孔錘上部需連接一個交叉通道接頭,使巖樣通過接頭的窗口進入鉆桿中心孔,形成反循環(huán),這樣在破碎地層對孔壁沖蝕會造成超徑和樣品混雜、污染、巖樣漏失,樣品層位顛倒。2.3貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿系統(tǒng)針對復雜破碎地層鉆進工程中回轉(zhuǎn)鉆進難、產(chǎn)生巖粉碎屑多、取心(樣)難、易垮孔、井眼軌跡難控制、鉆井液漏失等諸多問題。單一的鉆進工藝不能同時解決這些問題。因此,人們開始將潛孔錘鉆具和反循環(huán)鉆進工藝的優(yōu)點相結(jié)合。實踐證明,潛孔錘作為孔底動力鉆具能有效解決破碎復雜地層鉆探中進尺效率低和防止孔斜現(xiàn)象;反循環(huán)鉆進工藝則能進行有效排除鉆進過程中所產(chǎn)生的大量巖粉碎屑及保護巖心。之后,人們又將跟進管技術(shù)和泡沫鉆進技術(shù)應用到復雜破碎地層鉆進中,有效解決垮孔和掉塊問題。該項技術(shù)配套應用于破碎復雜地層固體礦產(chǎn)勘探的關(guān)鍵是小口徑貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿系統(tǒng)的研制成功?！捌呶濉逼陂g,吉林大學針對水文水井鉆鑿研究了GQ—200/62型貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心(樣)新技術(shù),使水井鉆進效率提高了3~4倍,連續(xù)排出的巖心采取率高,獲取及時,品質(zhì)優(yōu)良。“八五”期間其又研制了GQ—100/44型貫通式潛孔錘及反循環(huán)鉆具系統(tǒng),經(jīng)生產(chǎn)實際試驗取得了較好效果。其中,該技術(shù)在“河北省涿鹿縣相廣鄉(xiāng)錳銀礦南區(qū)普查”項目生產(chǎn)性試驗中取得良好效果。當然貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心(樣)技術(shù)也存在不足,比如在破碎地層中巖心卡堵問題比較突出。對此,李偉濤等人(2004年)也作了大量的研究,并提出了取樣鉆頭結(jié)構(gòu)的改進方案。王茂森等人(2005年)對貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進中的反循環(huán)鉆頭進行了巧妙的改進后,使貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進過程中能很好地避免風和巖粉從孔壁的裂隙或空洞中漏失;而外平雙壁鉆桿則能避免因塌孔或掉塊引起的卡鉆或埋鉆孔內(nèi)事故,適合鉆進破碎、漏失等復雜地層。潛孔錘跟管鉆進是指在破碎松散地層或卵礫石地層等不穩(wěn)定地層中采用空氣潛孔錘鉆進成孔,同時套管隨鉆頭跟入孔內(nèi)。跟進的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護孔口的作用,而且鉆進、排渣和護壁同時進行,可以很好地解決復雜地層鉆進中護壁難的問題,使鉆孔工作得以順利進行。在鉆孔完成后,潛孔錘可以從套管中順利提出,套管留在孔內(nèi),待完成注漿等工作后,套管從鉆孔中提出或永久留在孔內(nèi)。目前國內(nèi)的跟管鉆進主要是套管直徑在146mm以下的小直徑跟管鉆進,采用單偏心鉆頭、常規(guī)氣動潛孔錘、單壁鉆桿以及正循環(huán)的方式排渣,用于巖體錨固鉆孔、壩基觀測孔等鉆孔的施工;而對于灌注樁孔、直徑較大的水井孔等鉆孔,目前還難于實現(xiàn)在復雜地層的跟管鉆進。2.4植物膠鉆井液過去以傳統(tǒng)鉆井液結(jié)合金剛石回轉(zhuǎn)鉆進工藝在破碎復雜地層中的鉆進效率不高、巖心采取率較低。但植物膠類鉆井液的應用,金剛石單動雙管鉆具的改進和操作工藝技術(shù)的完善,使得金剛石巖心鉆進技術(shù)能更好地在破碎復雜地層中進行鉆進。從傳統(tǒng)的要求來說,鉆探?jīng)_洗液的作用只是冷卻鉆頭,排除巖粉,保護孔壁(部分沖洗液)和潤滑鉆具(潤滑沖洗液)四大功能。傳統(tǒng)的沖洗液如清水、加潤滑劑的水溶液、泡沫液、泥漿及聚丙烯類無固相沖洗液,都對巖心有沖刷、浸潤和液化作用,巖心中的松軟破碎的細顆粒成分都會潰散而被沖掉,因此很難取得高質(zhì)量的巖心?，F(xiàn)代植物膠類粘彈性鉆井液的研究和應用,除了上述功能以外,還具有保護巖心(護膠作用),粘彈性減振作用和降摩阻效應三大特殊功能,這三大特殊功能為上述破碎復雜地層提高取心質(zhì)量創(chuàng)造了必須的先決條件。S系列植物膠鉆井液是目前使用最簡單,效果最好的粘彈性鉆井液。S系列植物膠鉆井液最早創(chuàng)硏于1984年,當時只有唯一的一個產(chǎn)品,商品名稱叫SM植物膠鉆井液,系發(fā)明專利。在國內(nèi)地質(zhì)勘探中暢銷二十余年,由于原料資源減少,故已逐漸淘汰。2005年以來新研制開發(fā)的產(chǎn)品有SH和ST兩種類型的植物膠,與SM膠一起統(tǒng)稱為S系列植物膠。S系列植物膠鉆井液和SDB(及SD)系列金剛石鉆具的結(jié)合,在破碎復雜地層鉆進中取得很好的效果。除此之外,國內(nèi)用于破碎地層鉆探的植物鉆井液膠還有CL植物膠復合無固相沖洗液和和一些改性復合膠無粘土沖洗液。其中,CL植物膠復合無固相沖洗液的粘度適當,有較好的攜帶巖粉能力;在孔壁上能形成有一定強度的吸附膜,失水量低,適合松散破碎、水敏膨脹等破碎構(gòu)造帶及不穩(wěn)定地層護壁;該沖洗液流變性好,潤滑減阻性好,可滿足復雜地層繩索取心鉆進的需要。邱存家,陳禮儀(2003年)采用由植物膠(GRJ)、交聯(lián)控制劑(PHP)和交聯(lián)劑(PS2DL)組成一種改性復合膠無粘土沖洗液。其中除了粘度適當,流變性好,潤滑減阻性好,成膜作用強,取芯護芯效果好等特點之外,其最大優(yōu)點是可種植再生的工業(yè)植物膠和合成高分子聚合物作為復合改性的基本原材料,具有原料來源廣、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點,較好地解決了野生植物膠資源短缺供不應求的矛盾,可成為配制無粘土沖洗液的新材料。3未來深部破碎復雜地層觀測的關(guān)鍵技術(shù)總的來說,國內(nèi)在破碎復雜地層鉆進技術(shù)的研究和應用中取得了很好的成績,尤其在潛孔錘反循環(huán)鉆進技術(shù)的研究已經(jīng)達了國際先進水平,而植物膠類鉆井液的研究和應用也使得金剛石回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)能更好地在破碎復雜地層中鉆進施工。然而在未來深部的地質(zhì)勘探中,我國將依然面臨諸多技術(shù)難題。面對未來深部破碎復雜地層,可以進行以下方面的深入研究:(1)特種超硬材