側鉆技術在鉆孔事故處理中的應用

張文英,張廷茂,吳德軍,張 宜

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 610081;2.四川省地礦局四○三地質隊,四川峨眉山 614200;3.吉林省四平地質工程勘察院,吉林四平 136001;4.中國建筑材料工業地質勘查中心四川總隊,四川成都 610017)

側鉆技術在鉆孔事故處理中的應用

張文英1,張廷茂2,吳德軍3,張 宜4

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都 610081;2.四川省地礦局四○三地質隊,四川峨眉山 614200;3.吉林省四平地質工程勘察院,吉林四平 136001;4.中國建筑材料工業地質勘查中心四川總隊,四川成都 610017)

介紹了用連續造斜器在水泥人工孔底側鉆繞過孔內事故鉆具的原理,并通過多個工程實例闡述了側鉆技術的要點,總結的經驗體會對類似工程有參考意義。

孔內事故;連續造斜器;側鉆

鉆探生產過程中,孔內事故時有發生,若是鉆孔較淺或事故不太復雜,用傳統方法比較容易處理,一旦鉆孔較深或事故比較復雜時,用傳統方法處理就很困難,費時費力,稍有不慎就會使事故進一步復雜化。因孔內事故無法處理導致鉆孔報廢的現象屢見不鮮,不但延緩了工程進度也造成了經濟損失。筆者根據以往工作實踐并結合實例,介紹側鉆技術繞過孔內事故鉆具的應用,供同行參考。

1 側鉆技術原理

所謂側鉆,是在事故孔段灌注水泥建造人工孔底,然后用專業工具 (如中國地質科學院探礦工藝研究所研制的 LZ型連續造斜器)在水泥孔底上造斜偏出新孔轉入正常鉆進,達到繞過事故鉆具的目的。

如圖 1所示,LZ型連續造斜器在孔底工作時,造斜鉆頭在連續切削孔底的同時也在側向連續切削(銑削)孔壁,造斜器運動方向不斷偏離原軸線,造斜器運動軌跡是一條弧線,具有如下關系:

式 中 :Δα——頂角瞬時增量 ;V1——孔底切削速度,m/s;V2——側向切削速度,m/s。

圖 1 切削速度比示意圖

側向切削速度 V2對孔底切削速度 V1的比值越大,鉆孔頂角增量Δ α越大,造斜器造斜強度也越高。這一點對水泥孔底側鉆十分重要。因為水泥孔底硬度多數情況下低于孔壁巖石硬度,如果鉆頭切削孔底速度很快,而側向切削孔壁速度很慢,將出現鉆頭在孔壁打滑現象而導致側鉆失敗,故在水泥孔底側鉆時必須要提高造斜器的造斜強度,也就是提高 V2/V1。提高 V2/V1有以下途徑:一是選用側刃鋒利造斜鉆頭,硬度 6級以上地層用天然表鑲鉆頭,6級以下地層用復合片鉆頭;二是選用合適的鉆進規程:(1)鉆壓要大,對于 LZ-73、LZ-89造斜器側鉆鉆壓為 30～33 kN,鉆壓越大,鉆頭上側向切削力越大,造斜強度也越高;(2)轉速要低,鉆機轉速 <100 r/min,低轉速的目的是限制切削孔底的速度,而給鉆頭更多的切削孔壁的機會。

2 側鉆技術要點

2.1 建造水泥孔底

側鉆成功的先決條件是在事故鉆具上部建造具有足夠強度的水泥孔底,盡可能降低與孔壁巖石的硬度差,以滿足側鉆要求,因此要注意以下幾點:

(1)孔內灌注水泥前應清洗鉆孔,把孔內泥漿或高聚物處理劑排出孔外,否則會影響水泥凝固強度。

(2)往孔內灌注水泥有 2種方法:①泵送法,將水灰比 0.4～0.5的純水泥漿用泥漿泵壓送到孔內預定位置,若泵壓較高可以低速開車并緩慢提升鉆具;②孔口灌注法,在繩索取心鉆孔中,可以用較稠的水泥砂漿通過繩索取心鉆桿從孔口直接灌入孔內,效果會更好。

(3)為縮短水泥凝固時間,可加速凝劑,無水氯化鈣 3%～5%,三乙醇胺 0.1%。(4)水泥灌注高度應在事故頭以上 15～20 m。(5)水泥灌注 72 h后掃孔,取出完整水泥心即可側鉆。

2.2 壓漿替水量計算

灌注完畢,必須用清水將鉆桿柱內的水泥漿壓送到預定位置,清水壓送量即灰漿替水量要準確計算,否則水泥漿被稀釋將影響水泥凝結強度,不少單位注漿失敗的主要原因之一就是壓漿替水量計算不正確,造成浪費,也影響工期。

壓漿替水量計算方法有 2種:靜壓平衡法和排量充填法。前者要考慮孔內靜水位變化,實踐中不易掌握。后者只考慮鉆桿柱內外水泥漿高度一致,現場便于操作。根據多年側鉆經驗,推薦以下計算公式:

式中:Q——壓漿替水量,L;Q1——鉆桿柱內容積,L,“50 m鉆桿為 1.2 L/m,“71 mm繩索鉆桿約 2.9 L/m,“89 mm繩索鉆桿約 4.9 L/m;Q2——地面管路容積,L,一般 60～70 L;Q3——灌注水泥漿體積,L。

式中 0.5Q3的含義是水泥漿的一半注入鉆孔中,另一半仍留在鉆桿內,此時鉆桿內外水泥漿液面高度基本一致,在鉆桿提升過程中能保證水泥漿不被稀釋,達到預期的注漿效果。

2.3 操作注意事項

(1)根據巖石硬度選用不同造斜鉆頭,鉆頭側刃要鋒利,較硬地層選用天然表鑲鉆頭,中硬以下地層選用復合片鉆頭或自制硬質合金鉆頭。

(2)為防止側鉆出的新孔與事故孔段交叉,造斜器在孔內安裝方向應與老孔錯開。

(3)機上余尺盡量加高,只要有進尺就繼續鉆進,直到不進尺為止。

(4)造斜器的工作原理是鉆頭側向切削孔壁,鉆進參數要求大壓力 (28～33 kN)、低轉速 (<100 r/min),以增大鉆頭側向切削力并提高側向切削速度與軸向進尺速度的比值。

(5)側鉆完畢用總成 1.0 m短鉆具進行取心鉆進 2個回次,取出完整巖心后轉入正常鉆進。

(6)側鉆完畢轉入正常鉆進的初始階段,應當低轉速鉆進一段時間再把轉速適當提高,在繩索取心鉆孔中更應如此。

3 側鉆繞過事故鉆具實例

3.1 四川惠東黃坪鐵礦區

2009年 1～2月,四川省地礦局 403隊在惠東黃坪鐵礦區施工 ZK405孔,由于地層復雜,在孔深180、280 m處發生 2次卡鉆事故,均用 LZ-73型造斜器側鉆繞過事故鉆具 (見圖 2)。

圖 2 惠東黃坪鐵礦區 ZK405孔側鉆示意圖

3.2 汶川地震科鉆 1號孔 (WFSD-1)

四川汶川“5.12”特大地震發生后,為研究地震斷裂帶和地震機理并捕捉余震信息,國家迅速組織實施了汶川地震斷裂帶科學鉆探項目。項目 1號孔(WFSD-1)設計孔深 1200 m,由四川省地礦局 403地質隊承擔施工任務。從孔深 585 m開始進入主斷裂帶,主斷裂帶為黑色斷層泥,厚約 30多米,斷層泥主要特點是地應力很強并且遇水膨脹,鉆孔形成后迅速縮徑,容易造成孔內事故。2009年 3月 25日在孔深 625.8 m處,由于鉆孔縮徑發生夾鉆事故,在處理過程中事故進一步復雜化,2根 “89 mm取心鉆具 (總長 5.53 m)和 1個 “89 mm套管公錐留在孔內,無法取出也無法消滅,若不采取有效措施,將影響科鉆工程進度。經科鉆中心專家研究,決定采用側鉆繞障方法處理。2009年 4月 1日用 LZ-89型造斜器從孔深 580.07 m處側鉆出新孔轉入正常鉆進 (見圖 3)。

圖 3 WFSD-1孔側鉆示意圖

3.3 吉林通化煤礦區

2009年吉林省地礦局四平基礎工程公司在通化煤礦區施工 ZK9-02孔,設計孔深 1000 m。2009年 10月在孔深 619.6m處發生燒鉆事故,處理過程中 “60 mm鉆桿被扭斷,斷頭劈裂,事故鉆具 20多米,并且孔內留下不少碎鐵皮,后用水泥封閉事故孔段。2010年 5月用 LZ-89造斜器配復合片鉆頭在水泥孔底側鉆,自 531～534.06 m側鉆進尺 3.06 m,成功偏出新孔轉入正常鉆進,至 6月 3日順利終孔 (見圖 4)。

3.4 四川會理拉拉銅礦區

2010年,四川省地礦局 403地質隊在四川會理拉拉銅礦區施工 ZK104孔,設計孔深 1300 m,由于地層破碎采用 “89 mm套管護壁,2010年 6月出現套管事故,上部套管被反出,下部套管留在孔內,事故頭孔深 660 m,因事故套管較長,無法取出,也很難消滅,后采用 LZ-89造斜器進行側鉆,從孔深590 m處偏出新孔,繞過了事故套管 (見圖 5)。

圖 5 會理拉拉銅礦 ZK104孔 側鉆示意圖

圖 4 通化煤礦 ZK9-02孔側鉆示意圖

3.5 其他礦區

2010年 7月,廣西核工業 310隊在湖南耒陽煤礦區施工 ZK911孔,設計孔深 1000 m,在孔深 913 m處發生卡鉆事故,“71 mm繩索取心事故鉆具無法取出,后在孔內建造水泥孔底,從 790 m處偏出新孔,成功繞過事故段。

2010年 10月,安徽省地礦局 311隊在懷寧多金屬礦區施工 ZK011孔,在孔深 784 m處發生埋鉆事故,后在 701 m處側鉆繞障成功。

4 主要體會

(1)水泥孔底側鉆技術,不但可以用于處理孔內復雜事故,挽救瀕于報廢的鉆探工作量,還可以用于分支定向孔施工,補采巖礦心以及繞過急斜孔段等,具有重要推廣價值。

(2)有人擔心在繩索取心鉆孔中側鉆,會由于“狗腿”彎的存在而影響鉆桿柱的安全,其實該擔心是不必要的。本文所列舉的側鉆實例如汶川地震科鉆 1號孔 (WFSD-1)、惠東黃坪鐵礦區 ZK405孔、會理拉拉銅礦區 ZK104孔、耒陽煤礦區 ZK911孔、懷寧多金屬礦 ZK011孔都是繩索取心鉆孔,側鉆后都順利轉入正常鉆進至終孔。實踐證明,只要正確操作就能保證鉆柱安全。

(3)用側鉆技術繞過孔內事故鉆具,與傳統處理孔內事故方法相比具有安全、可靠、孔內不留隱患等特點,經濟效益十分突出,具有重要推廣價值。

[1] 張文英,胡趙華.用 LZ-73連續造斜器攻克孔斜技術難關[J].探礦工程,1991,(6):46-47.

[2] 王政先.堵漏及封孔替漿量計算問題的商榷[J].探礦工程,1990,(6):10-11.

[3] 張文英,劉衛東,趙燕來,等.若爾蓋鈾礦區復雜易斜地層定向分支鉆孔施工技術[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(8):22-24.

[4] 吳金生,宋軍,尤建武,等.汶川地震斷裂帶科學鉆探一號孔(WFSD-1)定向鉆進技術的應用[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(12):20-22.

[5] 趙均文,于志堅,邢運濤,等.承德黑山礦區鉆孔糾斜技術及防斜技術措施[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2010,37(5):17-21.

Application of Sidetrack Drilling Technology in Borehole Accident

ZHANG Wen-ying1,ZHANG Ting-m ao2,WU De-jun3,ZHANG Yi4(1.The Institute of Exploration Technology,CAGS,Chengdu Sichuan 610081,China;2.No.403 Geo-logical Team of Sichuan Bureau of Geological Exploration and Exploitation of Mineral Resources,Emeishan Sichuan 614200,China;3.Institute of Siping Geologic Engineering Exploration of Jilin Province,Siping Jilin 136001,China;4.Sichuan Team of Geological Survey Center of China BuildingMaterials Industry,Chengdu Sichuan 610017,China)

This paper introduces the examples of sidetrack drilling at artificial cement hole bottom with continuous whips-tock bypassing down-hole accident drilling tools and the technical points of sidetrack drilling technology.

hole accident;continuouswhipstock;sidetrack drilling

P634.7

A

1672-7428(2011)06-0010-03

2010-12-27

張文英 (1940-),男 (漢族),北京順義人,中國地質科學院探礦工藝研究所教授級高級工程師,探礦工程專業,從事定向鉆探科研開發工作,四川省成都市一環路北二段 1號,zwy_iet@126.com。