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挑战“五层溶洞”——山东省地矿三院岩溶发育地区钻探侧记

发布时间:2018年11月20日
来源:中国矿业报(2018-11-20) 作者:翟育峰,付祥友

多日浓雾密布的天空终于露出了久违的太阳,山东省地矿三院钻机机长王修晖的脸上也如这晴空一般,一扫连日的阴霾与疲倦,迎着高原上夺目的朝阳,带着他的队伍迈着轻快的步伐下了山。历时近一年的钻孔施工终于结束了,在钻进过程中,这支队伍破除了“五层溶洞”障碍,攻克了地下暗河的挑战,完成了孔深1500米的钻探工作。

手有金刚钻,不怕瓷器活

“逢沟必断”是地质行业流传甚广的口诀。云贵川是我国岩溶发育较广地区,在该地区进行钻探施工,极有可能遇见溶洞地层,给钻探施工带来很大的难题。当机长王修晖跟着地质人员定孔位时,只见工作区内地形因受金沙江及其支流切割起伏剧烈,表层风化严重,岩层破碎、结构松散。同时,他从地质人员的口中得知该区域冲断带褶皱带内断裂发育,断裂以逆断层和走滑断层为主,其大多切入元古界地层,另外工区位于川滇交界,强震频繁,地层完整性破坏严重。富有经验的他,对钻孔的施工难度已经有了初步的判断。

工作现场

近年来,山东省地矿三院小口径岩心钻探“超难、超深、超斜”的“三超”品牌已经在全国打响,依靠强大的钻探研究中心、金牌钻探队伍和优势装备,实现了先进的科学技术与丰富的实践经验相结合。山东省地矿三院钻探施工处和钻探研究中心组织专业人员,对项目施工进行了充分的研讨,在认真考量复杂地层、溶洞存在的可能性和技术应对方面做了大量的准备工作,制订了详尽的施工方案,初步确定了“大径开孔、边打边封、多层套管隔离”的工作思路。经过平整场地、设备进场等一系列的钻前准备工作之后,钻孔正式开钻。

频遭拦路虎,绝处夺生机

开钻伊始,复杂的地层就给了施工人员一个下马威!2米的浮土下全是砂、泥、砾石混合地层,破碎坍塌非常严重,根本无法正常钻进,只能采用跟管钻进工艺。为了满足地质取心的最大要求,采用大管跟进、小管套取岩心的工艺,取得了不错的效果。由于砂、砾石对金刚石钻头的磨损,破坏严重,被迫提钻换钻头,提钻后钻孔就出现坍塌、加不上钻杆等复杂情况,多次尝试未果,被迫在14m处下入第一层套管,未能达到设计第一层套管40m左右的要求。

二开钻进又钻遇破碎严重地层,孔内泥浆不返,多次抱钻、埋钻、卡钻。技术人员在现场采用水泥灌浆工艺边封孔边施工的办法,坚持施工至93m,就被迫第二次下套管入孔内。

三开钻进至368m前还比较顺利,钻进至该孔段,钻速突然加快,带班班长王开强立即将钻杆提离孔底,并马上向机长王修晖汇报。听完汇报,王修晖意识到灰岩地层溶洞可能出现了,决定下放钻杆探探溶洞的深度,一根、两根、三根,下放了6根3米的钻杆才探到溶洞底部——溶洞居然有18米之深!对于一个干了30年钻探的老机长来说,这么大的溶洞还是第一次遇到。虽然溶洞深度可以探到,但是谁都无法预见溶洞在孔内到底有多大。与此同时孔内开始不返浆,发生了断钻杆事故。技术小组经过商议后采用了水泥灌浆封孔的措施,但是透孔基本上没有水泥,大家判断,很有可能溶洞比预想的要大。经过讨论,为了安全起见,施工人员下入了第三层套管。

四开钻进已经没有了退路,为了顺利钻进至设计孔深,研究中心派出技术人员到现场进行技术指导,经过多方“会诊”,决定换用双聚物泥浆体系。钻进继续进行,但是孔内的复杂程度远远大于预期。

钻进中又先后在475m-476m、476.8m-478.3m、503m-504m、508m-509m处钻遇了4层溶洞,现场多次采用水泥灌浆封孔的办法,效果均不理想,出于对钻孔安全施工的考虑,更是为了完成设计要求,钻孔坚持钻进至533m。

再遇新问题,科技显威力

凭借科学指导、技术手段、丰富经验,钻探队伍已经冲破了“五层溶洞”,但此时复杂的地形让每个人心里都不轻松。果然,因为地层过于复杂,钻具断在孔内,多次都没打捞成功,而且每次下钻扫孔都带上来长约60m流沙,大家分析在476.8m-478.3m处溶洞存在暗河,如果不进行处理,将无法继续施工。

根据地质岩心钻探规程,常规水泥灌浆封孔采用的水泥浆水灰比在0.5左右即可,但是结合以往的封孔经验,0.5水灰比的水泥浆,对于裂隙发育地层起不到封堵作用,更别说存在暗河的溶洞地层。为此,钻探技术研究中心技术人员尽量模拟孔内情况,在现场进行了多个水灰比水泥浆试验。经过多次试验后,最终确定采用0.2水灰比水泥浆,同时采用孔口人工灌浆法,控制水泥灌注量,保证水泥浆有必要的流动性,能够填充至溶洞裂隙,同时使水泥浆在初凝前不至于完全漏失掉,从而达到封孔效果。

候凝的48小时,令人难熬,因为根据以往封孔经验,采用水泥浆封孔水灰比最小0.25,低于这个数值水泥浆的流动性如何,水泥浆会不会在钻杆内失去流动性,甚至在钻杆内部凝固,乃至会否把钻杆封到孔内,谁都不敢保证。候凝结束,透孔工作开始了,终于从440m开始能取出完整的水泥心,本次封孔起到了预想的效果,下部溶洞裂隙发育地层得到了有效的控制,大家悬着的心稍微放下了些。

透孔完成后,技术团队考虑到如果按照原孔继续透水泥,很可能会破坏到已经添堵的裂隙及溶洞,钻探研究中心技术人员积极向业内科研单位的专家咨询,在此次封孔效果较好的情况下,钻孔顺利在468m处定向偏出原钻孔,形成新的钻孔。

为了保障钻孔能够顺利终孔,研究中心技术人员没有满足现状,大家进一步与专家们沟通,决定采用双聚物护壁泥浆体系。现场人员严格按照泥浆配方控制泥浆性能,钻孔顺利施工至678m完整地层,下入最后一层套管,为下部地层的施工打下了坚实的基础。

普通地质钻孔施工,套管级别2-3级足矣,该钻孔套管级别加大到了4级,现场施工人员和钻探研究中心技术人员积极应对、灵活运用各种手段,采取各项技术,破除了“五层溶洞”的障碍,历经10个多月的奋战,保障了钻孔的顺利竣工。

这次施工,是山东省地矿三院科研、技术、施工团队构建分工配合机制,共同应对难题的一次生动的实践,也为三院在云贵川岩溶地区钻探施工积累了宝贵经验。山东省地矿三院钻探队伍将加快技术成果的凝练提升与转化应用,进一步完善深孔复杂地层钻探技术,为国家绿色勘查做出新贡献。

[责任编辑:dc]

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