涌水坑道鉆孔巖心上升系數(shù)ξ定義及其實踐意義

郝海洋

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局115地質(zhì)大隊，貴州 清鎮(zhèn) 551400； 2.貴州地礦德誠建設(shè)工程公司，貴州 清鎮(zhèn) 551400)

1 問題的提出

水銀洞金礦Ia礦體發(fā)育在龍?zhí)督M和茅口組之間的不整合面附近，經(jīng)沉積作用、構(gòu)造作用和熱液蝕變而成為蝕變體(SBT)，SBT主要為硅化角礫狀粘土巖(P3l1下部)和強硅化角礫狀灰?guī)r(P2m上部)組合[1-5]。該礦區(qū)Ia礦體內(nèi)地下水豐富，部分區(qū)段為承壓水，鉆孔孔口靜水壓最高可達0.68 MPa，鉆孔涌水量最高可達112.86 t/h。工程實踐表明，無論地表鉆探還是坑道鉆探，孔內(nèi)涌水給小口徑繩索取心鉆探帶來了極大的施工難題[6-9]。坑道鉆孔由于鉆孔淺，不能像地表鉆孔通過增加泥漿密度，增加有效的液柱壓力來平衡地層壓力[6, 10-12]。然而，水銀洞坑道鉆探施工中發(fā)現(xiàn)：鉆遇涌水層后，孔底鉆屑和巖心碎塊可隨孔內(nèi)高壓水而沖出。如此則無須起大鉆，可以大大提高工作效率。那么究竟多大尺寸的巖心在多大的孔內(nèi)壓力作用下才能自動排出呢？如何調(diào)整和控制參數(shù)來實現(xiàn)不起鉆而獲得巖心的目的呢？

2 孔內(nèi)巖心的受力分析

分析巖心在孔底的受力情況，則可以定性、定量的分析出能隨孔內(nèi)水自動排出的巖心尺寸大小。根據(jù)水銀洞鉆孔巖心的實際形狀，將巖心分為完整柱狀(如圖1b中的1號結(jié)構(gòu))和破碎狀(如圖1b中的2～5號結(jié)構(gòu))兩類。以傾角(注：傾角與鉆孔的井斜角互余)為α的斜孔為例，假設(shè)忽略破碎巖心顆粒間的碰撞作用，巖心受到了自身重力G、孔內(nèi)涌水的作用力F涌、浮力f浮、鉆桿內(nèi)壁的支撐力F支、鉆桿內(nèi)壁的摩擦力f摩，巖心在鉆桿內(nèi)部不受除上述力以外的力，則巖心在孔內(nèi)的受力如圖1所示。

圖1 涌水孔巖心的受力分析Fig.1 Force analysis of core in water kick hole

在沿鉆柱方向上：

F涌=P涌S心

(1)

式中：F涌——孔內(nèi)任意孔深處涌水作用于巖心上的壓力；P涌——任意孔深處水壓；S心——巖心的受力面積。

f浮=ρ水V心g

(2)

式中：f浮——巖心所受浮力；ρ水——礦層水密度；V心——巖心的體積；g——重力加速度。

f摩=μ(G-f浮)cosα

(3)

G=ρ心V心g

(4)

式中：f摩——巖心所受鉆桿內(nèi)壁的摩擦力；μ——摩擦系數(shù)；G——巖心自身重力；α——鉆孔傾角；ρ心——巖心密度。

當巖心在鉆桿內(nèi)任意處受力平衡時，則有：

Gsinα+f摩=F涌+f浮sinα

(5)

將式(1)～(4)代入式(5)中：

P涌S心=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)V心g

(6)

若巖心是長度為h、半徑為r的柱狀時(見圖1a)，則有：

V心=πr2h

(7)

P涌=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)gh

(8)

若巖心破碎時，將其看作等效半徑為r(0

V心=4/3·πr3

(9)

P涌=4/3·(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)gr

(10)

由式(8)、(10)可以看出，鉆遇涌水孔時，孔底巖心能否從鉆桿內(nèi)沖出，關(guān)鍵在于孔底涌水壓力和巖心的長度或者等效半徑間的關(guān)系。因此，本文提出用巖心上升系數(shù)ξ來表達上述參數(shù)間的關(guān)系。

3 巖心上升系數(shù)ξ的定義

定義ξ為巖心上升系數(shù)，其物理意義為：在孔底水壓和浮力的作用下，巖心克服重力和與鉆桿內(nèi)壁摩擦力而自動上升的能力。完整巖心和破碎巖心的ξ表達式分別為式(11)和式(12)。

(11)

(12)

在實際施工中能夠基于鉆孔的基本信息，計算出巖心上升系數(shù)的大小，從而判別孔底巖心能否隨孔內(nèi)涌水自動沖出。當ξ≥1時，理論上孔底巖心可以隨孔口涌出水從上余鉆桿內(nèi)沖出，ξ值越大，巖心越容易沖出；當ξ<1時，孔底巖心則不能沖出，只能依靠起大鉆取出。

對于某一確定了的鉆孔，其傾角α為固定值，若認為ρ心、ρ水、μ和g不變，則根據(jù)式(11)和式(12)可以定性判斷：當孔內(nèi)水壓一定時，巖心的尺寸越小，ξ值就越大，則巖心越容易被水沖出；當巖心的尺寸一定時，孔底水壓越大，ξ值就越大，則巖心越容易被水沖出。

4 分析與討論

4.1 P涌的計算和取值分析

在孔底水源充沛條件下，孔底壓力P為孔口水壓與液柱壓力之和，基本保持不變；是任意孔深處作用于巖心上的壓力，隨孔深的變化而變化。P涌可以通過式(13)計算得出。

P涌=ρ水gHsinα+P孔口

(13)

式中：H——巖心所在處的孔深；P孔口——孔口水壓。

由式(13)可判斷出P涌隨孔深的變淺而降低，而相應(yīng)的ξ值隨著孔深變淺而減小。因此，若使巖心能夠順利地被水沖出，當P涌取孔口處壓力時，計算出的ξ最為保險。

基于式(11)、(12)，討論α、P涌、h與ξ間的關(guān)系，計算所用的相關(guān)參數(shù)為：水密度ρ水=1.0 g/cm3；重力加速度g=9.8 N/kg；巖心密度ρ心=2.5 g/cm3；摩擦系數(shù)μ=0.2。

4.2 α與ξ的關(guān)系討論

基于水銀洞金礦坑道鉆孔的統(tǒng)計信息，KZK4908S水文孔孔口水壓為0.28 MPa，KZK5928S水文孔孔口水壓為0.68 MPa，其他鉆孔孔口水壓基本在此二者范圍內(nèi)，取P涌=0.28 MPa，巖心長度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了鉆孔傾角α與巖心上升系數(shù)ξ的關(guān)系曲線(如圖2所示)。

圖2 不同巖心長度時鉆孔傾角與巖心上升系數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Drill hole inclination vs core-uplift-coefficient curves at different core lengths

從圖2中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨著傾角α的增大而增大，隨后出現(xiàn)下降趨勢；85°≥α≥70°時，相同長度的巖心上升系數(shù)ξ幾乎沒有太大的差異；在相同鉆孔傾角α?xí)r，巖心上升系數(shù)ξ隨巖心長度h的減短而增大，而在大傾角范圍時，這種增大的程度更加明顯；當巖心長度在0.3 m以上時，鉆孔傾角α對巖心上升系數(shù)ξ的影響逐漸降低。從理論計算結(jié)果來看，P涌=0.28 MPa時，即便巖心長度為1.0 m、鉆孔為水平鉆孔(α=0°)，巖心上升系數(shù)ξ為3.81，巖心也能在水壓作用下從孔口排出。

因此，在巖心長度較短時，鉆孔傾角α的大小對巖心上升系數(shù)ξ的影響較大，在實際的鉆探施工中，對于小傾角鉆孔，應(yīng)盡量控制進尺，在孔底巖心較短時就割心，便于巖心隨孔內(nèi)涌水排出孔口。

4.3 P涌與ξ的關(guān)系討論,

取α=60°，巖心長度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了孔內(nèi)涌水壓P涌與巖心上升系數(shù)ξ的關(guān)系曲線(如圖3所示)。

圖3 不同巖心長度時鉆孔水壓與巖心上升系數(shù)ξ的關(guān)系曲線Fig.3 Downhole water pressure vs core-lift-coefficient curves at different core lengths

從圖3中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨孔內(nèi)涌水壓P涌的增大而呈線性增大；在相同鉆孔傾角α?xí)r，巖心上升系數(shù)ξ隨巖心長度h的減短而增大，在較大孔內(nèi)涌水壓力范圍時，這種增大的程度更加明顯，而在較小孔內(nèi)涌水壓力范圍時，這種增大程度差異較小。從理論計算結(jié)果來看，當鉆孔傾角α=60°時，即便巖心長度為0.1 m，P涌=0.001 MPa時，巖心上升系數(shù)ξ為0.66，巖心不能在水壓作用下從孔口排出。

因此，在實際的鉆探施工中，對于孔內(nèi)涌水壓P涌較小的鉆孔，應(yīng)盡量控制進尺，降低巖心長度，便于巖心隨孔內(nèi)涌水排出孔口。而對于孔內(nèi)涌水壓P涌較大的鉆孔，可以適當?shù)脑黾訋r心長度，提高鉆探效率。

4.4 巖心尺寸與ξ的關(guān)系討論

取α=60°，孔內(nèi)涌水壓P涌取值0.1、0.3、0.5和1.0 MPa，做出了巖心長度h與巖心上升系數(shù)ξ的關(guān)系曲線(如圖4所示)。

從圖4中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨巖心長度h的增大而急劇降低；在相同巖心長度時，巖心上升系數(shù)ξ隨孔內(nèi)涌水壓P涌的增大而增大，而在較小巖心尺寸時，這種增大的程度更加明顯，在較大巖心長度時，雖然鉆孔壓力在增加，已不足以對巖心上升系數(shù)ξ帶來明顯的改變。從理論計算結(jié)果來看，鉆孔傾角α=60°時，即便P涌為0.1MPa，巖心長度為5m時，巖心上升系數(shù)ξ為1.31，巖心也能在水壓作用下從孔口排出；當P涌為0.3 MPa，巖心長度為17 m時，巖心上升系數(shù)ξ為1.16，巖心也能在水壓作用下從孔口排出；甚至當P涌為0.7 MPa，巖心長度為46 m時，巖心上升系數(shù)ξ為1.00，巖心也能懸浮在孔內(nèi)。

圖4 不同鉆孔水壓時巖心長度與巖心上升系數(shù)ξ的關(guān)系曲線Fig.4 Core length and core-lift-coefficient curves under different downhole water pressures

然而，基于實際情況下，孔內(nèi)巖心和鉆屑的級配分布及鉆具的特殊設(shè)計結(jié)構(gòu)時，巖心并不是規(guī)則地、單獨地分布于鉆桿內(nèi)部空間中。接下來，將結(jié)合實際鉆探施工的經(jīng)驗和實例，討論巖心上升系數(shù)ξ的實踐意義。

5ξ的實踐意義

需要說明的是，前文在討論孔內(nèi)巖心受力時，忽略了破碎巖心顆粒間的碰撞作用和巖心間的架橋阻塞鉆桿內(nèi)部空間的情況。而孔底的真實情況較為復(fù)雜，對于裂隙、溶洞發(fā)育的地層，鉆探施工中常遇到孔底垮塌情況，不利于鉆進效率的提高。對于某一鉆孔，其傾角α為固定值，而孔內(nèi)水壓P為一定范圍的數(shù)值，唯一能夠人為控制的是巖心的尺寸h，因此巖心上升系數(shù)ξ可以在理論上指導(dǎo)單個回次的進尺，以便于提高特大涌水鉆孔的鉆探效率。

5.1 利用ξ提高涌水段鉆進效率的案例分析

對于較為完整的地層，可適當控制進尺，及時割心，使整段巖心從孔內(nèi)排出，減少起大鉆次數(shù)。由于采用普通鉆探工藝時，孔底獲取的巖心進入鉆桿內(nèi)部后要經(jīng)過下扶正器內(nèi)部的臺階；若巖心較短而未越過臺階，則在巖心上升過程中，容易被臺階所阻，如若操作不當，易造成鉆頭內(nèi)“堵死”，則必須起大鉆處理[13]。

圖5統(tǒng)計分析了水銀洞部分涌水坑道鉆孔的涌水段的鉆速大小，并結(jié)合鉆探實際經(jīng)驗，總結(jié)出了單回次進尺應(yīng)控制在0.3～1.0 m；孔口水壓小時，應(yīng)相應(yīng)地減小單回次進尺長度，以0.3 m為宜，可讓巖心自動從孔口排出，從而減少起大鉆次數(shù)，提高鉆進效率。例如：(1)KZK5105S鉆孔，孔口靜水壓為0.56 MPa，鉆孔傾角為64°，鉆孔施工中，涌出的完整巖心最大長度為0.86 m，礦層平均鉆速為6.17 m/h；(2)KZK5705鉆孔，孔口靜水壓為0.36 MPa，鉆孔傾角為85°，施工中最大涌出巖心長度為0.67 m，礦層平均鉆速為6.75 m/h。

圖5 水銀洞部分涌水鉆孔的涌水層鉆速統(tǒng)計Fig.5 Drilling speeds in layers along large water kick holes in Shuiyindong Mine

5.2 特殊情況下不能利用ξ的案例分析

當孔底巖石極為破碎和鉆屑極多時，若不能及時有效的排出，則巖心碎塊和鉆屑將在鉆桿內(nèi)形成大小塊級配沉降而封堵鉆桿內(nèi)空間，導(dǎo)致巖心排出通道阻塞，需起大鉆處理。

例如：(1) KZK5724鉆孔，孔口靜水壓0.60 MPa，鉆遇孔底約1 m厚石英晶體段時，由于石英晶體經(jīng)研磨后呈碎砂狀，鉆進時未及時提鉆排砂，不同尺寸的巖心在鉆具內(nèi)架橋而阻塞，起大鉆后在鉆桿內(nèi)沉降了總高度達3.0 m的細砂巖屑；(2) KZK5704鉆孔，孔口靜水壓0.52 MPa，由于鉆至礦層后，遇溶洞裂隙，為了獲得滿足要求的巖心采取率，只能增加單回次最后進尺時的鉆壓，使碎屑巖心堵滿鉆頭內(nèi)部空間，使巖心不至于被高壓水沖散而無法獲取，其礦層平均鉆速只有0.45 m/h。

6 結(jié)論與認識

本文提出了涌水鉆孔巖心上升系數(shù)ξ的定義，并深入分析了鉆孔傾角、孔內(nèi)水壓和巖心尺寸與巖心上升系數(shù)的關(guān)系，得出結(jié)論如下：

(1)在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨著傾角α的增大而呈先增大后下降趨勢。

(2)在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨孔內(nèi)涌水壓P涌的增大而呈線性增大。

(3)在其他條件相同時，巖心上升系數(shù)ξ隨巖心長度h的增大而急劇降低。

(4)巖心能否隨孔內(nèi)涌水排出的判據(jù)為：當ξ≥1時，孔底巖心可以隨孔口涌出水從孔內(nèi)沖出；當ξ<1時，孔底巖心則不能被沖出，需起大鉆處理。

實際坑道鉆探中，鉆遇含水地層給鉆探施工帶來諸多麻煩與孔內(nèi)事故隱患[14-15]。本文所述巖心上升系數(shù)是基于該礦區(qū)多個坑道涌水鉆孔施工后總結(jié)出來的[16]。鉆遇特大涌水坑道取心鉆孔時，基于實際鉆孔技術(shù)參數(shù)，計算出涌水段巖心上升系數(shù)，可以為提高高壓涌水鉆孔提供理論指導(dǎo)，具有一定的實踐意義。但施工人員應(yīng)基于地層的實際情況，合理利用巖心上升系數(shù)，及時改變鉆進參數(shù)，判斷單回次的進尺大小，才能起到提高鉆進效率的目的。