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绳索取心钢球偏斜技术在钻孔事故处理中的应用
来源: | 作者:wxdrilltool | 发布时间: 2016-10-28 | 2592 次浏览 | 分享到:
1.矿区地质构造及钻探难点
1.1 ZK-3钻孔地质结构 贵州某热水磷矿区ZK-3探察孔穿越第四系,寒武系,震旦系的金顶山组,明心寺组,牛蹄塘组,灯影组,洋水组和马路坪组。磷矿层主要分布于寒武系牛蹄塘组下部和震旦系洋水组下部马路坪组上部。

1.矿区地质构造及钻探难点

1.1 ZK-3钻孔地质结构  贵州某热水磷矿区ZK-3探察孔穿越第四系,寒武系,震旦系的金顶山组,明心寺组,牛蹄塘组,灯影组,洋水组和马路坪组。磷矿层主要分布于寒武系牛蹄塘组下部和震旦系洋水组下部马路坪组上部。

1.2 ZK-3钻孔钻探难点 600米~752.8米为黑色薄至中厚层状含钙质页岩、粘土质粉砂岩、夹粉沙质粘土岩等,夹层较多,软硬不均,并且粘土岩遇水易水化分散。在钻进时易发生岩芯堵塞造成回次进尺底,钻进效率差和岩芯磨耗影响取芯率;并且孔壁易掉块剥落,孔内坍塌而造成卡钻,埋钻事故。752.8米至769.6米间属寒武系牛蹄塘组第二段:岩芯为灰黑色,黑色钙质粉砂质粘土岩,页岩与含碳质粉砂质粉煤互层,具有极高水敏性;本探察孔粉煤质岩层主要有三层,层厚分别为0.8m,1.6m和2.6m;是本次主要事故孔段。金顶山组含水层与明心寺组间有裂隙,溶洞和流动的地下水发育;易造成钻孔冲洗液流失,钻孔偏斜,钻具折断的事故。水敏性软弱地层稳定期非常短:对冲洗液质量的要求非常高:极易掉块坍塌孔径局部超径或空洞,沉渣多,局部冲洗液流速缓慢,大颗粒岩屑沉积,极易造成钻具堵水,而发生卡钻,埋钻事故;进入牛蹄塘组第一段震旦系灯影组块状条纹状,角粒状构造的白云质,硅质岩,细晶粒白云岩,岩层破碎,岩芯内管被卡死造成堵水,烧钻,岩芯磨耗,冲洗液漏失等。

 

2.钻孔结构 

ZK-3钻孔设计结构为:φ110mm开孔钻穿第四系表土层进入金顶山组沙质页岩2米下入φ108mm表层套管;φ91mm钻进至70米下入φ89mm技术套管隔离含水层表水系;再用φ77mm(NQ+2)继续钻进至设计孔深(1120m)。

 

3.事故的发生经过  

3.1 φ77mm绳索取心钻进至孔深752.8米。

3.2 在752.8米~769.6米钻孔段,取上来的岩芯有三层松软粉煤质泥岩,分别为0.8m,1.6m和2.6m厚。由于在该孔段钻进过程中频繁更换钻具,经常发生内管投不到位而提钻处理等原因,造成孔壁失稳、剥落,孔内坍塌、掉块现象发生,经采用多种工艺措施处理,仍不能有效排尽孔内沉渣,下钻不到底,同时还出现堵水憋泵,发生2次卡钻和1次扭断钻具的事故;遂决定采用水泥护壁分步扫孔排渣。在灌注水泥浆的施工过程中将NQ钻具,钻杆埋入孔内无法拔出。

3.3 后考虑待水泥凝固后换用BQ绳索钻具,从NQ钻杆内换径钻进,经过近半个月的施工,不但未能通过下部坍塌地层,还将整个BQ钻具总成埋入763.5米深的孔内。

3.4  采用反扣钻杆反出NQ钻杆,最后剩余3.4米落鱼残留在759.6米至764.2米之间。

 

4.偏斜工艺的研究分析

绳索取心同径偏斜允许的偏斜角度,受到如下因素的影响:钻具及岩芯管总成的长度,刚度;钻具与孔壁间的间隙大小;岩芯管与钻具间的间隙等;如果偏斜角度过大,容易导致岩芯管及总成不能顺利通过弯曲孔段,则无法正常进行绳索取心钻探施工。经过室内计算机反复计算及模拟演示,在内管总成设定为理论纯钢笔直状态的情况下,φ56mm内管长度3.3米,内管与φ77mm钻杆环空间隙为5.5mm,在总成长度为1米,钻杆弯曲度不大于0.1度∕米时,才能满足岩芯管与总成顺利通过的要求;然而在进行地表试验的实际操作中证实:钻杆的弯曲度增大到0.25度∕米时岩芯管与总成均能顺利通过,弯曲度再增加就有明显的阻塞感。NQ钻具钻杆与钻孔孔壁的间隙为5mm,则钻孔的弯曲度应不大于钻杆弯曲度的二倍,即小于0.5度∕米。针对ZK-3钻孔的实际情况和该矿区地层结构、矿带分布、矿床特点,我们提出“钢球支撑小径锥型钻具导斜钻头跟进偏斜”工艺施工方案:钻孔内投入φ22mm的钢球作为钻孔偏斜支点,用φ58mm的锥面合金钻头钻出偏斜孔段,绕过孔内落鱼继续钻进直至完孔。通过和甲方业主的充分沟通,同意该施工方案的实施。

 

5. “钢球支撑小径锥型钻具导斜钻头跟进偏斜”工艺的基本机理

在φ78mm完整孔底放置一只φ22mm的钢球,用φ58mm的长锥面合金钻头作前导向钻头,φ78mm变径导向钻头做扩孔钻头,两只钻头之间连接一根长度2.8m的φ56钻杆(中部φ56mm钻杆越长,偏斜角度越小,钻杆越短,偏斜角度越大;但必须保证φ56钻杆初始弯曲度是在其弹性变形的范围以内以免屈服变形折断而发生新的事故),进行造斜定位:即用锥面钻头将钢球挤压到一边孔壁,钻头受钢球反作用力而靠向另一边孔壁,操作钻机使φ58mm的长锥面合金钻头冲击压迫孔底,使钻头尖部进入孔底形成可靠钻头定位点,待钻头越过钢球后钻进2.7mm(保证钢球不要损伤后钻头),然后起钻换用常规φ56单管合金钻具加深导斜孔段并打捞钢球(此步骤是为了确保造斜一次成功而特别增加;如果水泥的凝固强度大于或等于孔壁岩层的强度,完全可以越过此道工序流程)。用φ78mm钻头加扩孔器将φ58mm导斜孔扩到φ78mm。用 NQ+2绳索取心钻具钻进,待出新孔后,再换用常规φ78mm单管钻具加深导斜孔段,换用φ78mm导向护孔钻头将导斜孔段孔径扩为φ78mm(NQ+2)完成造斜施工。

 

6.探孔的造斜工程

6.1探孔事故孔段简况:

6.1.1 747米~759.8米有9米NQ钻杆(+弹卡室)+ 3.3米外管+ 0.25米金刚石扩孔器+ 0.25 米金刚石钻头;

6.1.2 759.8米~765.3米孔段内有BQ外管,扩孔器,钻头,岩芯管及总成下半段残留,且位于水敏性软弱坍塌孔段。按甲方设计要求钻孔弯曲度不大于每米0.5度,就按偏斜角度为0.5度来计算:NQ钻具需要18.4米才能完全偏离原孔;在16.15米处可以取到完整岩芯;为了能确保偏斜避开事故孔段的残留物且距坍塌位置有一定的距离,从已钻探资料及现场岩心分析,设计偏斜起始点为710米。

6.2具体施工操作:

6.2.1 下入φ78mm磨鞋(自制),扫完水泥浮浆后扫孔钻进至孔深710米,经试用钻机加压检查水泥凝固强度符合偏斜钻进要求,将钻孔孔底修磨规则,并充分循环冲孔,保证孔底干净。

6.2.2 向孔内投放φ22mm钢球一枚,下入造斜钻具:NQ钻杆+φ 56mm/φ78mm变径导向扩孔钻头+2.8mφ56mm中间导斜连接钻杆+φ58mm锥面(型)合金钻头。

6.2.3 确认钻具到孔底后,短行程提升,回放钻具同时慢速晃车,重复操作的同时观察钻具的上下位移量,待位移超过5~8厘米(钻头合金部分4.5cm)后,慢速加压钻进2.7米,冲孔起钻,孔深712.7米。

6.2.4 下入NQ钻杆+φ 56mm/φ78mm变径导向扩孔钻头+9mφ56mm中间导斜连接钻杆+φ58mm常规单管合金钻头,钻进6.0米,延长导斜孔,停水烧抓岩芯;同时向钻杆内投入φ32mm钢球形成单向堵水阀,确认到位后起钻,孔深718.7米。芯长度5.7米(有0.3米孔段是导向扩孔钻具留下的导向孔)。取芯率100%,岩芯上有明显的岩石与水泥结合层,岩石在芯样直径上的厚度由起点3mm厚增至终点的16mm厚;岩芯仍为岩石+水泥,终点岩芯的水泥厚度为4.8mm。

6.2.5 下入NQ钻杆+φ 56mm/φ78mm变径导向扩孔钻头+17.7mφ56mm中间导斜连接钻杆+φ58mm常规单管合金钻头继续扩展导斜孔段8.7米,孔深726.45米起钻取芯,岩芯中上部约1.25米上有残留水泥岩芯,下部6.75米为完整的岩石岩芯,由此说明钻孔已偏离原钻孔,造出新孔眼,偏斜目的已经达到。

6.2.6 下入NQ+2φ78mm钻具,正常扩孔钻进

偏斜角度经实际测算小于0.5度,完全满足钻具的使用要求。

 

 

7、在施工过程中注意事项

7.1 首先造斜起始点的沉渣必须冲洗干净以保证钢球能够准确投放到位;若钢球不到位,在下钻过程中就会卡住钻具,或挤断导向转杆造成新的事故。

7.2 要保证锥面钻头将钢球挤靠孔壁侧边,操作钻机上下移动钻头让锥面钻头尖冲击孔底时,开始提钻行程一定要小,钻头提离孔底的距离控制在小于钻头直径的范围内,以免钢球掉入钻头尖孔达不到偏斜的目的;待钻头合金通过钢球后方可开钻钻进,以免钢球损伤钻头刃口。

7.3 若用常规单管合金钻头钻进加深导斜孔,必须设法抓取所有岩芯,并在起钻前向钻杆内投放钢球,使钢球进入变径接头形成堵水阀,确认抓牢岩芯并形成堵水后方能起钻取芯;保证导斜孔内没有残余岩芯,以免影响扩孔工作。

7.4 导斜扩孔钻头导向部分的长度可以根据水泥凝固的硬度和强度选择。要求具有足够的硬度与光洁度。减少对导向孔壁的磨耗,扩孔钻头主刀口应加工成平底,刀口要求锋利,水口合理,合金尽量密集,以保证导斜效果及钻头寿命。

 

8.ZK-3探查孔在2008年7月23日开孔,至当年9月13日钻至孔深1123米终孔并封孔,共历时51天。甲方业主评定为优质孔。至此该孔的钻探工作圆满结束。

 

9.偏斜施工经济性分析

本探察孔的施工是利用贵州远东兄弟钻探有限公司生产的KZ168-Ⅱ型钻机,整个扫孔及偏斜施工在24小时内完成。(三个班×3人/班×8H=72工时)。消耗油料182升柴油;使用一只常规单管加密合金钻头(自制成本75元),一只锥面定位合金前钻头(自制成本150元)和一只变径导向扩孔后钻头(自制成本175元)和一根导向接杆(长300mm自制成本35元)。一只φ22mm钢球(标准件购买价0.9元)。与用传统偏斜器导斜偏移的成本相比:孔内干净完整,没有偏斜器或其他导斜残留物,且经济效益明显,方法简便易行。此方法已在我公司钻探施工的同类型事故中广泛推广使用。

 

10.结语

在钻探施工中,孔内事故的发生与处理一直是我们地质钻探工作者最为重视的问题,特别是近年来钻探工作量的增加和市场化竞争机制的形成以及工程利润的下滑,对工程事故处理的及时性、经济性,越来越得到各工程施工队伍和钻探工程业界重视。在加强钻探施工工艺优化的同时,一套简易完善的事故处置措施的实施,对降低施工成本,提高施工质量及效益是非常有益的。

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