破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用

破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用

在過(guò)去的幾十年里，中國(guó)的鉆探人員在廣泛的研究中發(fā)現(xiàn)了復(fù)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(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果。當(dāng)然,其中也還存在許多難題亟待解決。隨著我國(guó)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(lái)地質(zhì)找礦和鉆探施工無(wú)疑將需要向更深、更復(fù)雜地層及其外圍區(qū)域拓展,以延長(zhǎng)礦山開(kāi)采年限,滿足國(guó)家對(duì)資源的急需。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始新一輪的地質(zhì)大調(diào)查和西部大開(kāi)發(fā),這將很可能遇到大量的破碎復(fù)雜地層。因此,進(jìn)一步研究破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù),解決其存在的問(wèn)題,改進(jìn)已有的技術(shù)方法,探索出更有效的新方法和新技術(shù),對(duì)未來(lái)尋找新礦產(chǎn)資源將有著非常明顯的現(xiàn)實(shí)意義。1復(fù)雜破碎地層在鉆探過(guò)程中,遇到的破碎地層通?？煞譃閮深?一是在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成的復(fù)雜破碎地層,即由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(jiān)硬的脆性巖石受構(gòu)造力的劇烈作用最容易形成復(fù)雜破碎地層。二是由外力地質(zhì)作用所形成的復(fù)雜破碎地層,即風(fēng)化層、河流沖積層、洪積層、風(fēng)積層。巖層經(jīng)風(fēng)化作用變?yōu)閹r性較松散、膠結(jié)不良的風(fēng)化層,而沖積、洪積、風(fēng)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(fù)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(jí)配懸殊等特點(diǎn),所以在鉆進(jìn)過(guò)程中碎塊不能穩(wěn)定受力,容易發(fā)生滾動(dòng),產(chǎn)生多個(gè)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?yàn)槠扑榈貙訚B透性強(qiáng),容易造成沖洗液漏失,或者出現(xiàn)涌水等事故。實(shí)踐表明,在復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)施工,技術(shù)上主要存在“三難”——鉆進(jìn)難、護(hù)壁難、取心難。2復(fù)雜地層鉆進(jìn)方法傳統(tǒng)破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)有采用一般鉆井液護(hù)壁的金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù),它雖然能在破碎復(fù)雜地層進(jìn)行鉆進(jìn)施工,但是鉆進(jìn)效率不高。因此,通過(guò)分析在破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)的特點(diǎn),人們運(yùn)用沖擊回轉(zhuǎn)與反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的思路,研究出了一系列較為有效的鉆進(jìn)方法;同時(shí)通過(guò)對(duì)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)中鉆井液的改進(jìn),使金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破碎復(fù)雜地層也獲得良好效果。2.1液動(dòng)潛孔錘在地質(zhì)勘探中的應(yīng)用早在1887年德國(guó)人沃·布什曼就實(shí)現(xiàn)了利用泥漿液能驅(qū)動(dòng)沖擊器進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆探。我國(guó)在這方面的研究始于1956年。其中1983年開(kāi)始,不少單位相續(xù)開(kāi)發(fā)了多種型號(hào)的繩索取心式液動(dòng)潛孔錘,并在鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石和破碎巖層時(shí),鉆進(jìn)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(dòng)潛孔錘的動(dòng)力來(lái)源于泥漿泵,而泵壓可以達(dá)到7~12MPa甚至更高,故鉆孔深度可以達(dá)到千米以上,從而可以實(shí)現(xiàn)深部復(fù)雜破碎地層的鉆進(jìn)。至今我國(guó)已開(kāi)發(fā)出來(lái)的許多品種和規(guī)格液動(dòng)潛孔錘,其中應(yīng)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(fù)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(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研發(fā)了SYZX75新型繩索取心液動(dòng)潛孔錘。2009年吉林省核工業(yè)地質(zhì)局探礦隊(duì)?wèi)?yīng)用SYZX75繩索取心液動(dòng)錘配套加長(zhǎng)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(jìn)法相續(xù)研究液動(dòng)潛孔錘的啟動(dòng),我國(guó)1958年開(kāi)始研制風(fēng)動(dòng)潛孔錘(氣動(dòng)沖擊器),1965年開(kāi)始推廣,1978年后逐步普及。風(fēng)動(dòng)潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是空氣鉆進(jìn)技術(shù)的一個(gè)分支。實(shí)踐證明,氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是一種效率高、鉆孔質(zhì)量好、成本低的施工方法。它在堅(jiān)硬巖層、卵礫石層中鉆進(jìn)最具優(yōu)勢(shì),故而在水井、基礎(chǔ)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(jìn)等工程中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)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(guó)內(nèi)曾借鑒國(guó)外在破碎復(fù)雜地層中采用潛孔錘雙壁鉆桿反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)(即CSR鉆進(jìn)法),雖然比單壁鉆桿正循環(huán)鉆進(jìn)前進(jìn)了一大步,但仍存在下列比較突出的問(wèn)題:(1)巖心樣品質(zhì)量差;(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)交叉通道接頭,使巖樣通過(guò)接頭的窗口進(jìn)入鉆桿中心孔,形成反循環(huán),這樣在破碎地層對(duì)孔壁沖蝕會(huì)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(duì)復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)工程中回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(wèn)題。單一的鉆進(jìn)工藝不能同時(shí)解決這些問(wèn)題。因此,人們開(kāi)始將潛孔錘鉆具和反循環(huán)鉆進(jìn)工藝的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。實(shí)踐證明,潛孔錘作為孔底動(dòng)力鉆具能有效解決破碎復(fù)雜地層鉆探中進(jìn)尺效率低和防止孔斜現(xiàn)象;反循環(huán)鉆進(jìn)工藝則能進(jìn)行有效排除鉆進(jìn)過(guò)程中所產(chǎn)生的大量巖粉碎屑及保護(hù)巖心。之后,人們又將跟進(jìn)管技術(shù)和泡沫鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)中,有效解決垮孔和掉塊問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)配套應(yīng)用于破碎復(fù)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(xué)針對(duì)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(jìn)效率提高了3~4倍,連續(xù)排出的巖心采取率高,獲取及時(shí),品質(zhì)優(yōu)良?！鞍宋濉逼陂g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(shí)際試驗(yàn)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(xiàng)目生產(chǎn)性試驗(yàn)中取得良好效果。當(dāng)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(wèn)題比較突出。對(duì)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(jìn)方案。王茂森等人(2005年)對(duì)貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)中的反循環(huán)鉆頭進(jìn)行了巧妙的改進(jìn)后,使貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)過(guò)程中能很好地避免風(fēng)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(jìn)破碎、漏失等復(fù)雜地層。潛孔錘跟管鉆進(jìn)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(jìn)成孔,同時(shí)套管隨鉆頭跟入孔內(nèi)。跟進(jìn)的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口的作用,而且鉆進(jìn)、排渣和護(hù)壁同時(shí)進(jìn)行,可以很好地解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)中護(hù)壁難的問(wèn)題,使鉆孔工作得以順利進(jìn)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(guó)內(nèi)的跟管鉆進(jìn)主要是套管直徑在146mm以下的小直徑跟管鉆進(jìn),采用單偏心鉆頭、常規(guī)氣動(dòng)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(cè)孔等鉆孔的施工;而對(duì)于灌注樁孔、直徑較大的水井孔等鉆孔,目前還難于實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地層的跟管鉆進(jìn)。2.4植物膠鉆井液過(guò)去以傳統(tǒng)鉆井液結(jié)合金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝在破碎復(fù)雜地層中的鉆進(jìn)效率不高、巖心采取率較低。但植物膠類鉆井液的應(yīng)用,金剛石單動(dòng)雙管鉆具的改進(jìn)和操作工藝技術(shù)的完善,使得金剛石巖心鉆進(jìn)技術(shù)能更好地在破碎復(fù)雜地層中進(jìn)行鉆進(jìn)。從傳統(tǒng)的要求來(lái)說(shuō),鉆探?jīng)_洗液的作用只是冷卻鉆頭,排除巖粉,保護(hù)孔壁(部分沖洗液)和潤(rùn)滑鉆具(潤(rùn)滑沖洗液)四大功能。傳統(tǒng)的沖洗液如清水、加潤(rùn)滑劑的水溶液、泡沫液、泥漿及聚丙烯類無(wú)固相沖洗液,都對(duì)巖心有沖刷、浸潤(rùn)和液化作用,巖心中的松軟破碎的細(xì)顆粒成分都會(huì)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(yīng)用,除了上述功能以外,還具有保護(hù)巖心(護(hù)膠作用),粘彈性減振作用和降摩阻效應(yīng)三大特殊功能,這三大特殊功能為上述破碎復(fù)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(jiǎn)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(dāng)時(shí)只有唯一的一個(gè)產(chǎn)品,商品名稱叫SM植物膠鉆井液,系發(fā)明專利。在國(guó)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(lái)新研制開(kāi)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(fù)雜地層鉆進(jìn)中取得很好的效果。除此之外,國(guó)內(nèi)用于破碎地層鉆探的植物鉆井液膠還有CL植物膠復(fù)合無(wú)固相沖洗液和和一些改性復(fù)合膠無(wú)粘土沖洗液。其中,CL植物膠復(fù)合無(wú)固相沖洗液的粘度適當(dāng),有較好的攜帶巖粉能力;在孔壁上能形成有一定強(qiáng)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(hù)壁;該沖洗液流變性好,潤(rùn)滑減阻性好,可滿足復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)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(fù)合膠無(wú)粘土沖洗液。其中除了粘度適當(dāng),流變性好,潤(rùn)滑減阻性好,成膜作用強(qiáng),取芯護(hù)芯效果好等特點(diǎn)之外,其最大優(yōu)點(diǎn)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(fù)合改性的基本原材料,具有原料來(lái)源廣、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn),較好地解決了野生植物膠資源短缺供不應(yīng)求的矛盾,可成為配制無(wú)粘土沖洗液的新材料。3未來(lái)深部破碎復(fù)雜地層觀測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)在破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)的研究和應(yīng)用中取得了很好的成績(jī),尤其在潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的研究已經(jīng)達(dá)了國(guó)際先進(jìn)水平,而植物膠類鉆井液的研究和應(yīng)用也使得金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)能更好地在破碎復(fù)雜地層中鉆進(jìn)施工。然而在未來(lái)深部的地質(zhì)勘探中,我國(guó)將依然面臨諸多技術(shù)難題。面對(duì)未來(lái)深部破碎復(fù)雜地層,可以進(jìn)行以下方面的深入研究:(1)特種超硬材