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神奇的地下“血管支架手术”

——小口径膨胀波纹管护壁技术

发布时间:2019年06月05日
来源:探矿工程在线 作者:宋 刚


人的血管如遇堵塞,解决办法之一就是采用下入支架确保血管畅通。在地质钻探孔施工过程中,井眼若遇到类似血管堵塞的复杂地层,造成井眼不畅通时,可以采用像给血管下入支架的办法将波纹管下入事故孔段膨胀后将事故孔段隔离开,达到护壁疏通效果,保持井眼通畅,这就是膨胀波纹管护壁技术。

为了探索地球深部构造、岩性特征、矿物成分及含量等,常常需要进行地质钻探。简单来说就是在地球表面钻一定深度的孔,并取出岩心进行分析,从而发现地层的秘密。地球表面以下的地层结构千差万别,在地质钻探孔施工过程中,往往需要从破碎、溶洞、错层、缩径等复杂中穿过,施工的困难程度和事故的发生概率也会随着地层的复杂程度而加大。如果将地质钻探孔比作人身体上的血管,那么复杂地层时的孔段犹如我们的血管出现狭窄或堵塞,造成管道不通畅,需要及时处理,才能解决问题。我国每年钻探孔因地质不稳定造成了大量的事故,且弃孔案例比比皆是,造成了钻探工作的巨大浪费。采用什么方法将有问题的钻孔孔段进行人为隔离,减少孔内事故,挽救濒临弃孔边缘的井眼,是摆在所有地质钻探人面前的攻关课题。

地下“血管支架手术”的由来

由钻孔堵塞联想到人体血管堵塞,其解决方法是否有相同之处呢?目前我们处理血管狭窄或堵塞的先进方法是下入“血管支架”,见图1

1 下入“血管支架”确保血管畅通示意图

借鉴“血管支架”的原理,尝试在地质钻探孔内也下入“支架”,通过支架的防护,起到与血管支架异曲同工的效果。钻孔下支架示意见图2

2 地质钻探孔下入“支架”确保钻孔畅通示意图

对比图1和图2可以看出,有问题血管和复杂地质钻探孔处理方式非常相似,都是在管道(血管或孔)中下入金属管,通过一定的方法将金属管膨胀起来,支撑管壁(血管壁或孔壁),从而将有问题的管道隔离起来,确保血液或钻孔畅通。

地质钻探孔“下入支架”的工艺方法,我们称为“小口径膨胀波纹管护壁技术”。

在钻孔中“下入支架”这项技术最早由俄罗斯鞑靼斯坦石油公司(TATNEFT)在20世纪70年代提出。1998 年开始,我国的中国石油、中国石化等单位相继开展了大口径膨胀管护壁的研究工作,应用的钻井尺寸较大,直径均在216—311mm之间。地质勘探孔相对于石油钻井而言,直径比较小,一般终孔直径为7696 mm,若将石油钻井的井眼比作“动脉血管”,那么地质钻探孔则可称之为“毛细血管”,在小口径地质钻探孔中进行“下入支架”护壁则类似于在“毛细血管中下入支架”,难度非常大,从可查阅的资料来看,我国是目前全世界唯一成功应用这项技术的国家,这也使得我国的地质钻探事故处理技术处于世界领先水平。

解密地下“血管支架手术”

在地下数千米的小直径地质钻探孔中下入支架,会遇到哪些难题,是如何解决的呢?此项技术是否走出实验室进行了应用,应用情况如何呢?

支架材料选择和成形难度大

我们还是先以血管支架手术材料来类比。

下入血管的支架(如图3材料是指一种结构上分为双层的类似于神经支架材料,但不同于神经支架材料的是血管支架材料内层为与血液相容性好的生物活性材料该类材料还要具有抗凝血和抗容血作用一般为经过表面修饰的降解材料外层材料必须为保证内层材料细胞生长提供一定的支撑强度、抗拉强度,并具有一定的韧性。

3 网格状的血管支架

万事开头难,如何寻找适合制作护壁支架性能的管材是首要难题,这种管材的材料要求既要可塑性,既容易成形,又要有足够的变形硬度。

通过千百次的对支架材料的选型和实验,最后确定以材质代号为KP02的管材作为支架材料。此种材料经过特殊处理,可以进行多次冷变形不会产生缺陷,韧塑性非常好,同时具有在变形后强度增加的性能,即“越膨胀越硬”,这就一举解决了支架的第一道难题。

地质钻探孔下入支架的过程中,因为要避免岩石碎块或流砂从缝隙中漏出,需将事故孔段严密隔离开,支架不能为网格状,管壁必须完整没有破损。这一点与血管支架的网格状有着明显区别。但相同的是,在下入支架的全过程中,下入前支架外形尺寸较小,下入到位后支架在外力作用下膨胀(见图1)。如何将钢管加工成与网格管一样可以膨胀形状,并且能满足尺寸要求,是支架项目在选定材料后需要解决的问题。

答案在经过若干次理论计算和实践验证后得出:十瓣波纹管作为地质钻探支架形状,即膨胀波纹管(见图4)。

4膨胀波纹管成形示意图

这种作为地质勘探孔支架的波纹管,首先需要从圆管进行机械成形为十瓣波纹形状,外形尺寸在径向方向缩小,将其下入孔后再进行膨胀,波纹管膨胀至原来圆管尺寸。这种波纹支架在第一步成形过程很容易出现管壁伤痕,从而在后续的膨胀过程中造成管壁破裂。因此,对成形过程的模具设计和无痕控制技术要求极高。经过数百米的管材成形实验,最终攻克了支架成形技术难题。

支架牢牢固定在孔壁上的难度大

血管支架植入的手术中,支架必须与血管紧紧贴合,不能因人体运动或血流速度而使支架移位或者脱落。人体的血管自带弹性,支架膨胀开后将血管壁撑大,血管的弹性将支架紧紧的抱紧,从而使支架不会移动或脱落。同样,钻探孔内下入的支架也需要与岩石孔壁紧紧锚固在一起以防脱落。孔壁岩石没有弹性,不能将膨胀后的波纹管抱紧,如何避免支架窜动脱落呢?

受弹性血管壁启示,科研人员研究在实体波纹管与岩石孔壁之间增加可压缩的弹性介质,膨胀管膨胀后压缩弹性介质,将管体牢牢固定在孔壁上。

通过分析波纹管的截面形状可知,波纹截面是由10个弧形凹凸组成,将有弹性的橡胶加工成弧状条形,通过冷硫化的方法将胶条粘在凹槽内,就可解决弹性介质放置问题(见图5)。

A硫化弧形胶条的波纹管      b管体膨胀胶条压缩      c波纹管、胶条和孔壁贴合

5 硫化橡胶后的膨胀波纹管膨胀示意图

将胶条布置在凹内,胶条没有突出波纹管凸起,在下入钻探孔的过程中,避免了胶条与孔壁的刮蹭,波纹支架到位后,采用液压的方法将波纹管膨胀的同时,橡胶条一起变形受压,最后紧紧贴在孔壁上,橡胶条的弹性可以将波纹管与孔壁牢牢地固定。

波纹形状的支架连接困难

在下入血管支架解决血管狭窄或堵塞疾病时,出现问题的血管长段一般较短,正常情况下一处病灶下入一支血管支架即可。然而,地质钻探事故孔段长度因地质情况不同,短的不超过1m,长的几十米甚至上百米,因此,在实际应用过程中,必须解决膨胀管的连接问题(见图6)。如何将截面为异形的波纹形状、壁厚仅为34mm的薄壁管进行安全对接,并保证对接后的接缝在变形过程中不漏失(造成膨胀失败)、不会破裂,是波纹管护壁技术推广应用的一个重点难点。

 

6 波纹管对接示意图

由于波纹管截面的不规则性,对膨胀管的对中和连接技术要求非常高,目前采用的刚体对接有焊接和胶粘两种方式。在复杂的地质钻探事故孔段中采用胶粘方式显然不合适,采用焊接是唯一的解决方案。将两件物件焊接后焊缝还需承受变形压力,对焊缝质量提出了很高的挑战。科研人员从手工焊条焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊等现有的各种焊接方式入手,每种焊接方式采用不同焊材分别进行实验,调整焊接工艺,优化焊接参数,兼顾现场条件,并对试件进行比对。经过大量的室内实验和野外验证,最终选用“定制工艺氩弧焊”彻底解决了小口径膨胀管对接难题(见图7)。这种工艺焊口强度及韧性甚至超过了管体本身,突破了单根波纹管长度“瓶颈”限制,扩大了膨胀波纹管技术在地质钻探事故处理中的适用范围。这也标志着此技术真正从实验室走向了野外应用。

 

7 波纹管对接膨胀图

地下“血管支架手术”的应用

地质钻探孔“下入支架”技术经过大量的理论研究和室内试验,目前已经解决了支架的材料、形状、固定和对接等难题,已经从实验室走向了“临床应用”,且取得了较好的“疗效”,为广大“患者”带来了福音。

2015年至今,膨胀波纹管护壁技术已经在四川、广西、福建、山东、甘肃等省的8个坍塌、漏失、缩径、斜孔坍塌、掉块等不同事故类型的工地进行了应用,护壁深度从100多米到接近2000米,“临床实验”选取的对象从“轻症”到“重症”逐渐,逐渐在施工过程积累经验,保证每位“患者”得到良好的医治,从而使膨胀波纹管护壁技术得以稳步提高。

以广西壮族自治区地球物理勘察院承担施工的广西南丹马鞍山孔明银铅锌矿区ZK703孔为例(见图8),该孔设计孔深1200m,在孔深1035m、孔径76mm的裸孔段发生严重孔内坍塌,导致连续5个多月无法正常钻进,面临报废,施工单位也面临着巨大的经济损失。最后施工单位抱着试试看的态度采用膨胀波纹管技术,经过一个多月的奋战,终于将事故孔段彻底隔离,解决了深孔孔壁稳定问题,使该孔得以正常钻进并顺利终孔。终孔孔深1200.27m

8 广西南丹ZK703孔现场下放波纹管

地下“血管支架手术”的深远意义

小口径膨胀波纹管护壁技术与血管下入支架一样,对地质钻探孔有着起到起死回生的功效。这项具有自主知识产权技术的成功应用,为我国深部地质找矿战略目标的实现提供了新技术、新工艺和新方法。此技术可以大大提高深部钻探成功率,减少孔内事故,降低施工成本,缩短施工周期。同时在简化钻孔结构,减少钻孔开次,减小套管及钻具数量方面将起到决定性的作用。这项技术可以大大降低钻探施工成本,具有极高的社会经济效益。

在复杂地层的深孔、超深孔传统作业中,随着下入套管层数的不断增加,地下钻孔直径将不断缩小,会妨碍后续进一步作业,等径钻进技术可有效解决这些问题。等径钻进技术是建立在膨胀管技术基础上发展起来的先进技术,是指在钻进过程中始终采用同一规格的钻头及钻具,在全孔钻进过程中保持同一孔径的钻进方法,被钻探界称为钻探行业的“探月工程”,而小口径膨胀波纹管护壁技术的成功应用,不仅使我国的钻探事故处理技术处于世界领先水平,还可使钻探行业中的“探月工程”——等径钻进的成功实施成为可能,给钻探技术带来新一轮的革命。



作者简介:宋刚,男,博士,中国地质科学院勘探技术研究所教授级高级工程师,主要从事地调科研和水利、隧道、桩基础工程的设备、器具和工艺的研究工作。



[责任编辑:dc]

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