小口徑膨脹波紋管技術在若爾蓋鈾礦區的應用

李曉晨， 陳曉君， 楊宏勝， 黎 波

(1.四川省金核地質勘查工程有限公司，四川 成都 610000; 2.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

1 礦區概述

若爾蓋礦區鈾資源儲量豐富，但是礦區內地層極其復雜，巖石破碎、松散，且裂隙發育，局部有斷層泥，一旦鉆至這類地層，就會出現全漏失，孔壁失穩，礦心采取困難等情況，且僅靠頂漏鉆進，漿液無法長期供應，泥漿成本極高，受高原氣候條件影響，水泥凝固又極為緩慢，漏失嚴重，堵漏困難，嚴重影響鉆探效率。地層漏失一直是礦區鉆探施工的重大技術難題，尋找有效、快速解決不同工況下漏失問題技術方法一直是礦區鉆探技術工作的重點。

ZK4-5鉆孔位于礦區內向陽西溝，機場海拔3845 m，設計孔深900 m，設計傾角80°，方位角190°。該孔采用XY-5型鉆機實施金剛石繩索取心鉆進施工。鉆遇地層為羊腸溝組上段(S1y2)，巖性主要為灰黑色硅質巖、灰黑色含炭灰巖、深灰色硅質灰巖、灰黑色含炭硅質灰巖；灰巖中裂隙發育，巖石較為破碎。鉆孔結構一開?130 mm至60 m，二開?95 mm繩索取心鉆進至360 m，漏失嚴重下?89 mm套管；三開?76 mm繩索取心鉆進。在鉆至390.63 m時，鉆具放空，孔內泥漿全漏失，放空段為390.63～391.53、391.80～397.03 m。事故發生后，現場多次采用水泥漿封堵，但收效甚微。由于二開孔段地層破碎，套管無法拔起，只能現場采用水泥堵漏技術，對鉆孔事故段進4次封堵，孔內水泥塞位于385 m處，但鉆至387 m處仍然處于全漏失狀態，事故段內所取的水泥心塊破碎嚴重，繼續向下鉆進，在397 m處開始鉆遇巖層，并打撈起完整巖心，繼續鉆進至404 m。為保證后續鉆進的順利，需要在鉆孔結構受限制的條件下解決鉆孔的漏失問題，在中國地質科學院勘探技術研究所技術支持下，應用小口徑膨脹波紋管技術對該孔的漏失段進行封堵。

2 膨脹波紋管工作原理

膨脹波紋管是將圓形管材經過冷壓或冷拔產生塑形變形而加工成的波紋管材，在應用位置再通過液壓或者機械壓二次塑形還原成近圓形管材，以此在不改變整體孔徑的條件下封隔復雜地層的目的。中國地質科學院勘探技術研究所自主研發的小口徑膨脹波紋管護壁技術突破了膨脹波紋管成型、選材、小口徑等技術難題，為地質勘探提供了一項理想的鉆孔事故處理方案。

3 膨脹波紋管護壁設計

3.1 膨脹波紋管

ZK4-5孔所采用的膨脹波紋管為10瓣梅花形，壁厚3 mm，原始外徑為70 mm，膨脹后外徑為84～87 mm。

3.2 設計方案

根據現場所取巖心及鉆探班報表所記錄的鉆進反應情況，該孔387～390 m的巖心較為破碎，不適合作為波紋管的懸掛段，在考慮后續施工的穩定性后，對本次波紋管護壁施工流程為：確定堵漏位置→設計波紋管長度→密封段硫化處理→對接下入波紋管→堵漏段擴孔作業→液壓膨脹→波紋管切頭去尾→機械膨脹修整→常規取心鉆進。

膨脹波紋管堵漏位置為387.00～397.50 m；設計波紋管護壁段長度共計14 m；孔內位置385.3～399.3 m。波紋管上懸掛段位置385.5～387 m，共計1.5 m，懸掛力>50 kN。波紋管下懸掛段位置397.5～399 m，共計1.5 m，懸掛力>50 kN。為保證波紋管懸掛的穩定性，對事故孔段上下較為完整的孔段進行擴孔，擴孔段長度385～400 m，擴孔孔徑由?77 mm增加至?89 mm，共計15 m。該段設計示意圖見圖1。

3.3 現場主要設備

XY-5型鉆機、BW250型泥漿泵、17 m斜直兩用塔、?73 mm繩索鉆桿、波紋管專用下入工具、液壓增壓設備等。

3.4 施工難點及處理措施

本次施工涉及高原施工、大裂隙、斜孔、全漏失等因素，孔內情況相當復雜。根據現場了解的情況，本次施工難點及處理方案主要有以下幾點。

3.4.1 高原焊接

圖1 ?89/75 mm膨脹波紋管護壁設計示意圖

礦區地處高原，空氣含氧量較低，可能對波紋管焊接造成影響。針對高原焊接的可靠性，需要在現場進行多組波紋管封堵、對接焊接實驗。確保焊接可靠性達到100%方可進行施工。

3.4.2 斜孔、大裂隙

受該孔斜孔及大裂隙的影響，給擴孔施工及波紋管的下入帶來較大的挑戰，根據膨脹波紋管施工設計，做如下處理方案：

(1)該孔設計傾角達80°，對擴孔施工要求更高，結合以往施工經驗，擬采用分段、從下往上擴孔方式，最大限度地降低鉆具在孔內的擺動，提高擴孔質量。

(2)針對大裂隙及斜孔的下入，將通過波紋管下入工具及波紋管對接工具最大限度地保證波紋管對接的垂直度；當上述工具無法滿足波紋管的焊接垂直度時，現場可借助波紋管調直工具進行調整。

3.4.3 波紋管膨脹打壓

為保證護壁施工滿足后續施工要求，對本次波紋管膨脹壓力設計為20～21 MPa，此時波紋管內徑可達到78～81 mm。施工中如出現膨脹力無法達到設計值時，處理方案如下：

(1)膨脹壓力在17～20 MPa，此時可根據波紋管膨脹變形曲線判斷，波紋管內徑已能滿足切頭、通管作業，可繼續進行切頭、通管處理。

(2)膨脹壓力<17 MPa，施工中如果膨脹壓力未能達到17MPa，多次嘗試仍未改善，則可對波紋管進行破壞提起。可通過多功能下入器具將波紋管扭轉變形后提起，分析原因后再做處理。

3.4.4 懸掛可靠度

本次膨脹波紋管施工后，鉆孔還需進尺長度>450 m，根據施工經驗，設計的上下1.5 m懸掛能滿足后續施工要求；考慮大裂隙及斜孔的存在，若后續鉆桿的擾動致波紋管懸掛失效，可采取如下處理方案：

(1)波紋管懸掛失效但仍可滿足施工要求，可密切關注鉆孔反映，降低各項鉆進參數鉆進。

(2)波紋管懸掛失效無法滿足施工要求，所用波紋管壁厚為3 mm，下入磨銑工具，即可快速將波紋管處理掉。

4 膨脹波紋管護壁施工

4.1 波紋管的現場焊接與地面實驗

由于在海拔近3900 m的高原環境進行施工，對波紋管的焊接是一項挑戰。現場需對波紋管的焊接進行實驗打壓，實驗內容及情況如下。

(1)需實驗波紋管封堵焊接及波紋管對接焊接的可靠性。

(2)現場焊接打壓壓力需在常規實驗水平大于20 MPa，方可入井施工。

經過地面多次焊接及地面打壓實驗檢測確認，打壓壓力保持22 MPa，波紋管基本撐開，最小內徑達79 mm，可滿足鉆孔的后續施工要求(參見圖2)。

4.2 膨脹波紋管施工

4.2.1 膨脹波紋管下入前的準備

(1)擴孔。為保證波紋管懸掛的穩定性，對事故孔段上下較為完整的孔段用專用擴孔工具進行擴孔，擴孔段長度 385～400 m，擴孔孔徑?89 mm，共計15 m。

(2)膨脹套管貼懸掛膠條。為保證套管在孔內位置固定，對套管兩頭貼懸掛膠條，上下膠條各長1.5 m，距管頭(管尾)0.3 m。

(3)波紋管打壓實驗。在地表對膨脹套管進行打壓實驗，初步確定膨脹極限壓力為21 MPa。

4.2.2 下入膨脹波紋管及打壓膨脹

(1)波紋管對接。本次施工所需波紋管長度為14 m，將在地面準備好的2根7 m長的波紋管焊接后送入鉆孔施工。

為保證對接后管材的垂直度，先將波紋管的對接口做平口處理，確保對接面的平整度；然后采用波紋管專用加持對接工具，將對接口調垂后進行焊接處理，焊接完成后做12 h保養。

(2)下入膨脹波紋管。經過12 h焊接位置保養后，將膨脹波紋管緩慢送入鉆孔，下入時采用現場常規卡瓦+波紋管專用下入工具下入(參見圖3)。

圖3 膨脹波紋管對接、保養及下入

(3)膨脹打壓。膨脹波紋管到位后，連接泥漿泵及增壓器，做好打壓準備。分配一人觀察增壓器行程，至1.4 m位置報警關泵；一人觀察壓力表每增加1 MPa報數一次，至設計壓力報警停泵；一人管理泥漿泵，聽到報警后停泵。技術人員隨時觀測。

開始打壓后，鉆桿內壓力增加較慢，在增壓器到達行程恢復行程期間(要將增壓器中的水排凈)，發現鉆桿有泄壓現象；進行了5次增壓流程后最高達到實際膨脹壓力為17 MPa，考慮鉆孔為大漏失鉆孔，技術人員判斷此時波紋管的實際膨脹壓力已達到21 MPa，可進行下一步工作。

(4)切頭、通管、切尾。進行切頭、通管后下入鉆具完成切尾作業。將主動鉆桿接入鉆桿，鉆壓10 kN，緩慢轉動；立軸有明顯不受力下降顯示，判斷切頭成功，繼續通管；反復緩慢通管至波紋管底部，上部管內起下鉆具通暢后進行切尾；切尾完成后波紋管尾部進行修復。

過程完成后，將鉆具提至波紋管上1～2 m處，做下放入井實驗，鉆具均順利通過膨脹波紋管位置，起鉆更換常規鉆具鉆進。

4.3 施工效果

膨脹施工結束后，更換常規鉆具鉆進，漏失情況由全漏失變為每小時消耗約0.41 m3，順利進行鉆進施工至終孔。

5 結語

(1)通過本次施工，應用膨脹套管技術成功對14 m波紋管進行加壓膨脹，封隔了10.5 m放空漏失地層，解決了該段漏失問題。

(2)膨脹波紋管掛壁性能良好，后續施工期間沒有發生起下鉆卡碰情況。

(3)該技術對空放類大裂隙封堵的施工周期為3～5 d，封堵效率及成功率較水泥封堵高。同時膨脹套管技術應用是在?75 mm鉆孔中完成的，對鉆孔整體結構影響較小。

(4)膨脹波紋管堵漏技術為礦區堵漏及鉆孔結構的設計提供了新思路。