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第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY hydraulic reverse circulation coring; near-horizontal borehole; core blockage; solutions 万方数据 第 5 期 杨冬冬等 漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验 263 地层漏失在钻井领域中是比较复杂且普遍存在 的一种情况，漏失严重时会浪费大量的生产时间、 人力、物力、财力，甚至发生塌孔、埋钻事故等， 因此，一定要加以重视[1-2]。水力反循环连续取心钻 进曾经作为继金刚石绳索取心钻进技术之后的又一 创新性技术，其在地质资源勘查、矿山坑道钻探、 地质构造探测领域发挥着至关重要的作用[3-4]。该 技术的主要特点是利用反循环冲洗液在钻杆柱内 的上升力将孔底钻取的岩心连续不断地输送至孔 外，从而实现不提钻连续取心的目的[5-6]。与常规 取心技术[7-8]相比，该工艺方法可减少 2030的 辅助时间，具有效率高、纯钻进时间长、钻探成本 低、岩矿心采取率高、品质好、劳动强度小等诸 多优点[9-10]。 探查煤矿井下工作面是否存在陷落柱、溶洞、 断层等地质异常体是一项重要工作内容，钻遇上述 地层都会存在一定程度的漏失问题[11-12]。针对单管 水力反循环取心技术，由于需要向钻孔环空注入冲 洗液实现反循环取心，地层漏失会导致进入钻具中 心通道的冲洗液量急剧减少[13-14]，反循环取心效果 差，并且对孔口密封性有更高的要求，不适合煤矿 井下施工工况；绳索取心施工技术虽然受地层漏失 的影响较小，但需要反复提、放内管打捞总成实现连 续取心，内管打捞总成易磨损、施工工序复杂且辅助 时间相对较长[15]。而双壁水力反循环取心技术受地层 漏失影响较小且劳动强度低，综合考量上述取心施工 方法，决定将双壁水力反循环取心技术应用于煤矿井 下地质异常体探测工作中。首先在渭南某露天矿区进 行地面漏失地层近水平钻孔双壁水力反循环连续取心 试验研究及可行性分析后，取得较好的试验效果，为 后续煤矿井下地质异常体探测提供技术支撑。 1 技术原理及特点 近水平钻孔双壁水力反循环连续取心钻进技术 原理如图 1 所示。在近水平钻孔内，泥浆泵将冲洗 液首先压送至双壁送水器，双壁送水器与双壁钻杆 内环空相连通，使得冲洗液沿着双壁钻杆内环空进 入取心钻头并从钻头水眼喷出，大部分冲洗液携带 岩心及破碎的岩屑沿着钻具中心通道上返至孔外岩 心箱，少量冲洗液进入钻孔环空正循环通道携带环 空沉渣上返，施工过程中岩心持续卡断并上返从而 实现不提钻连续取心。现场试验利用钻机提供孔内 钻具给进力及回转力，利用泥浆泵提供岩心上返动 力，同时起到钻头冷却及携粉排渣的作用，双壁反 循环取心钻进技术可以有效地减少冲洗液对孔壁的 冲刷，有利于孔壁稳定，也一定程度上缓解了地层 漏失问题。 图 1 近水平钻孔双壁水力反循环连续取心原理 Fig.1 Schematic diagram of double-wall hydraulic reverse circulation coring for near horizontal boreholes 2 现场反循环取心配套装备 本次地面试验配套的钻探装备主要有钻机、泥 浆泵、89/42 mm 双壁钻杆、反循环取心钻头、双 壁送水器、钻孔成像仪等，具体情况见表 1。 表 1 取心钻探配套装备及机具 Table 1 Auxillary equipment and tools for coring drilling 名称 型号/规格 坑道全液压钻机 ZDY3200S 泥浆泵 3NB320/3-30 双壁钻杆 89/42 mm1.5 m 反循环取心钻头 113/38 mm, 98/38 mm 双壁送水器 89 mm 钻孔成像仪 CXK12 2.1 89/42 mm 双壁钻杆 双壁钻杆是顺利实施水力反循环连续取心钻进 的关键钻具之一。本次试验研制了 89/42 mm 双壁 钻杆，双壁钻杆单根长度为 1.5 m，双壁钻杆结构如 图 2 所示，该双壁钻杆由外管、内管二部分组成。 内管由内管公接头、内管杆体、内管母接头依次螺 纹连接组成，内管杆体通过焊接在内管母接头与内 管公接头上的支撑定位块限位固定于外管内，其中 内管公接头一端为插接公头，内管母接头一端为插 接母头，内管公接头与内管母接头通过插接方式连 图 2 89/42 mm 双壁钻杆 Fig.2 Double-wall drilling pipes of 89/42 mm 万方数据 264 煤田地质与勘探 第 48 卷 接，因此，双壁钻杆内、外管的连接形式有所不同， 内管之间采用插接连接形式，外管之间采用螺纹连 接形式，便于施工过程中双壁钻杆的装卸。 2.2 反循环取心钻头 反循环取心钻头主要起到改变冲洗液流向的作 用，迫使冲洗液向钻头中心部分流动，以达到携带 岩屑岩心上返流速。本次试验选用了 98/38 mm 和 113/38 mm 两种规格的反循环取心钻头，其取心直 径为 38 mm，卡断器复合片距离钻头顶端 87 mm， 卡断器出刃高度为 4 mm，钻头内管与钻头外管插 接配合，具体结构如图 3 所示。取心施工中，岩 心逐渐形成至卡断器位置，随着岩心进一步上移， 卡断器对岩心产生径向挤压力，岩心受到弯矩作 用使其在岩心根部发生断裂，断裂的岩心长度为 8090 mm。 图 3 98/38 mm 反循环取心钻头 Fig.3 Reverse circulation coring bit of 98/38 mm 3 现场试验及可行性分析 3.1 取心试验结果 本次地面试验地点选在陕西省渭南市某矿山开 展，地层主要为砂岩层，地层裂隙发育明显。现场 共施工了 3 个反循环取心试验钻孔，分别是 1、2、 3 号反循环试验钻孔。其中 1 号反循环试验钻孔共 施工 19.5 m，取心约 5 m，取心率为 25.6；2 号反 循环试验钻孔共施工 57 m，取心约 39.5 m，取心率 为 69.3；3 号反循环试验钻孔共施工 120.8 m，取 心约 101.38 m，取心率为 83.9。上述 3 个取心钻 孔的最大回次进尺为 69 m，本次试验综合取心率 73.9，反循环取心效果较好，平均钻进效率为 3.616.26 m/h。现场施工的 3 个反循环试验钻孔整 体取心情况见表 2。对现场收集的岩心进行统计归 纳，岩心完整度较高，岩心长度超过 50 mm 的岩心 数量超过 80，大部分岩心长度在 85 mm 左右，岩 心直径在 37.5 mm 左右。通过对上返岩心的观察， 地层变化、裂隙、层理的情形均清晰可辨，图 4 为 1、2、3 号反循环试验钻孔岩心实物。 表 2 试验钻孔取心总体情况 Table 2 Overall coring situation of the testing boreholes 孔号孔深/m 取心 孔段/m 取心孔 段长/m 岩心 总长度/m 钻孔取心 率/ 1 37.5 18.037.5 19.5 5.00 25.6 2 57.0 057.0 57.0 39.50 69.3 3 120.8 0120.8 120.8 101.38 83.9 图 4 试验现场钻进返出的岩心 Fig.4 Returned core from testing field drilling 本次试验过程中主要采用了 98/38 mm 和 113/38 mm 两种规格的反循环取心钻头，其中采用 113/38 mm 取心钻头施工进尺累计 27 m， 较 98/38 mm 取心钻头的取心效果差一些， 取心率降低 2030 且上返岩心较短。采用 113/38 mm 取心钻头施工 时，孔内钻具抖动比较明显，主要是钻头碎岩面积 增大且钻头外径与双壁钻杆外径相差较大致使钻孔 环空间隙尺寸增大，地层裂隙发育且局部地层较破 碎，在钻机给进力作用下，钻具稳定性差，导致岩 心上返不畅，较易发生卡堵，因此，本次试验主要 采用 98/38 mm 取心钻头进行施工。 3.2 孔口窥视结果 地层漏失程度主要分为三个等级轻微漏失、 中度漏失、严重漏失[16]，轻度漏失地层的漏失量小 于 1 m3/h， 中度漏失地层的漏失量为1.02.4m3/h， 严 重漏失地层指漏失量大于 2.4 m3/h 或漏失量大于泥浆 泵输出泵量的地层。在施工 1 号反循环试验钻孔时， 钻具结构未进行改进前， 泵量设置为 320 L/min， 中心 通道返水流量 180200 L/min，计算后漏失量为 7 8 m3/h，远大于 2.4 m3/h 且孔口无返水，钻孔环空正 循环无法形成，判断为裂隙发育地层且漏失程度属 于严重漏失。为了观察试验地层裂隙发育程度，于 是下放 CXK12 型钻孔成像仪进行孔内裂隙观测， 其 中 2 号反循环试验钻孔下放总深度 28.5 m，共观察 到 11 处裂隙， 分别在 0.7、 13.5、 19、 22.5、 23、 25.5、 万方数据 第 5 期 杨冬冬等 漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验 265 27.528.5 m 处裂隙较大，孔内较大裂隙的开裂宽度 可达到 510 cm，由于 28.5 m 处出现塌孔，下放过 程中存在大量碎石，内窥仪无法继续下入，其他 2 个反循环试验钻孔均因同样原因无法顺利下入钻 孔成像仪。 考虑下放深度过短而后继续用成像仪窥视左 下方具有代表性的其他试验遗留钻孔，该孔总深 度 150 m 左右，此次下放较顺利，内窥仪下放深度 94 m，共发现 25 处裂隙，其中 0.8、21、30、51、 58、78、81、93 m 处裂隙较大，较大裂隙的开裂宽 度均在 510 cm，孔内局部裂隙发育情况如图 5 所 示。该次试验中 3 个取心钻孔的最大回次进尺为 69 m，由于试验钻孔所处岩层裂隙发育，钻孔深度 每增加 510 m 就会出现一个较大裂隙， 裂隙处上返 的岩心较破碎，相较地层较好孔段易发生卡堵，但 整体取心效果并未受到较大影响。目前中硬岩层水 力反循环取心最长回次进尺超过 100 m，但都是在 钻孔深度较深且岩性较完整的前提下完成的[17]。 图 5 钻孔内局部裂隙窥视截图 Fig.5 Peep screenshots of the local fissures in borehole 3.3 可行性分析 本次试验地层裂隙发育明显， 且裂隙宽度较大， 属于严重漏失地层，具有一定的代表性，并且裂隙 发育孔段岩层较破碎。从现场的试验情况来看，本 套取心钻具在该漏失地层取心效果较好，试验中并 未因冲洗液漏失导致中心返水减小严重、卡堵频发 等情况的出现，并且破碎地层通过性较好，为后期 的井下试验提供参考和有力支撑。 4 钻具结构改进 为了提高该套反循环取心钻具的返心能力及漏 失地层的适应性，保证反循环取心钻具中心通道的 冲洗液上返流量，对取心钻头的内管及连接钻头的 第一根双壁钻杆内管进行结构上的优化改进。 4.1 取心钻头内管结构改进 取心钻头包括取心钻头本体及钻头内管两部分 组成，在钻头内管周向等间距加工 3 个 5 mm 且与 钻具中轴线夹角为 45的上斜内喷孔，喷射方向与 岩心上返方向一致，使得冲洗液流至取心钻头内管 处沿着内喷孔部分分流至中心通道，形成具有一定 速度的水射流，岩心经过取心钻头卡断器卡断后， 分流的冲洗液会辅助岩心上返，取心钻头内管如图 6 所示。 图 6 取心钻头内管 Fig.6 Inner pipe of the coring bit 4.2 双壁钻杆内管结构改进 为了进一步提高中心通道返水量，使上返岩心 二次加速，减少岩心在钻具内管的停留时间，一定 程度上减少卡堵，对连接反循环钻头的第一根双壁 钻杆内管进行类似优化改进，即在双壁钻杆内管杆 体下端周向上等间距布设 3 个 5 mm 且与钻具中轴 线夹角为 30的上斜内喷孔，冲洗液喷射方向与岩 心上返方向一致，为了令上述内喷孔喷射出的冲洗 液大部分能沿着双壁钻杆内管向上运行并减少向下 分流的冲洗液对下部上返岩心的影响，于是将内喷 孔轴线与钻具中轴线的夹角降低至 30，使得岩心 上返过程中途经此处，会再次加速上返，有效降低 出现卡堵的概率，对提升反循环取心效果有积极作 用。改良后双壁钻杆结构如图 7 所示。 图 7 改进后双壁钻杆结构 Fig.7 Structure schematic diagram of improved double-wall drill pipe 通过对钻头内管及双壁钻杆内管结构上的改 良，中心通道返水量明显增大。为了验证冲洗液的 分流情况，在控制入口泵入流量一定的前提下，对 改良前后的中心通道返水量及中心通道冲洗液流速 进行对比分析，具体数据见表 3，泥浆泵入口流量 为 250 L/min，测试钻孔为 3 号反循环试验钻孔，测 试施工孔深为 8090 m，分别测试 3 次。从表 3 可以 看出改良前中心通道平均返水流量为 144.3 L/min， 改 良后中心通道平均返水流量 217.6 L/min，提高了 50.7左右； 改良前中心通道平均返水流速 1.81 m/s， 万方数据 266 煤田地质与勘探 第 48 卷 改良后中心通道平均返水流速 2.74 m/s，提高了 51.4左右。结构改良反循环效果提升明显，能够有 效地解决因地层漏失严重而导致中心通道冲洗液上 返流速低的问题，一定程度上保证了水力反循环取 心施工技术能够在漏失地层的正常开展。 表 3 中心返水量及中心返水流速 Table 3 Central return water volume and central return water flow rate 中心返水流量/Lmin–1 中心返水流速/ms–1 次数 泵量/ Lmin–1 改良前 改良后 改良前 改良后 1 250 150 220 1.89 2.77 2 250 143 216 1.80 2.72 3 250 140 217 1.76 2.74 平均值 144.3 217.6 1.81 2.74 5 现场试验遇到的问题及措施 5.1 环空排渣问题 由于地层裂隙发育漏失严重，孔口不返水或返 水较小，而且钻具内管内喷孔的增加，使得大部分 冲洗液流入钻具中心通道，流入环空的流量大致在 3050 L/min， 不满足钻孔环空排渣的需要,导致钻具 与钻孔环空内的岩屑不能顺利排出孔外而在钻孔内 集聚，可能会导致钻机回转压力大、进尺缓慢、甚 至卡钻埋钻事故。 为了解决上述问题，可以采用多次往复冲孔减 少钻孔环空沉渣的方法。冲孔方式有两种，分别是 反循环排渣法及正循环排渣法反循环排渣法是指 冲孔过程中冲洗液沿着钻具环空进入从反循环钻头 底部水眼喷出，携带孔内岩屑从中心通道上返至孔 外；由于钻头水眼个数有限且水眼喷出的冲洗液会 发生分流，当沉渣较多时反循环排渣法无法高效返 渣，此时，可以采用正循环排渣法，将冲洗液通过 变径接头泵入取心钻具中心通道，并堵住双壁送水 器侧面注水口，冲洗液全部进入钻孔，提高正循环 通道返水流量，将孔内沉渣携带至孔外。 5.2 岩心卡堵问题 由于地层局部裂隙发育明显，钻至该处的岩心 会比较破碎，主要的卡堵形式为滞留卡堵与失稳卡 堵[18]。滞留卡堵是指上返岩心与岩屑小岩块具有 不同的运移速度，使得在某一个瞬间，岩屑进入岩 心与内管的环隙中使岩心制动；失稳卡堵是指岩心 长度较短， 这类岩心会在内管运移过程中发生翻转， 由于短岩心斜截面长度接近中心通道内径导致翻转 过程中某一时刻卡堵于中心通道内。 针对岩心卡堵情况并结合现场条件，提出了多 种解卡方案，包括通过提高钻机回转速度令钻具震 动、中心通道下放推送杆、中心通道打水等方法， 其中提高钻具回转速度令钻具震动的方法解卡成功 率较低，中心通道下放推送杆的方法对于较深钻孔 耗时依旧较长，而采用变径接头向中心通道打水解 卡的方法，操作简单、耗时最短且解卡成功率最高， 因此，本次试验主要采用变径接头向中心通道打水解 卡的方式， 具体情况如图 8 所示。 将 3NB320 泥浆泵流 量调整至 320 L/min，堵住双壁送水器侧面注水口，打 水过程中，保持钻具回转并前后反复提拉，待孔口返 水水量较大时，暂停向中心通道打水，更换接头并向 双壁送水器侧面注水口打水，通过双壁送水器尾部的 返水量大小对解卡是否成功进行初步判断，如果水量 明显增大， 可继续尝试进行取心施工， 进尺 80100 mm 观察双壁送水器尾部是否有岩心返出，有则证明本次 解卡成功，并持续观察双壁送水器尾部返水量变化。 试验过程中，3 号反循环试验钻孔发生多次卡堵，累计 发生卡堵 6 次，其中 5 次均采用中心通道打水这种方 式都顺利解卡，解卡成功率较高。 图 8 中心通道打水解卡 Fig.8 Central channel water pumping to relieve blocked cores 6 结 论 a. 本次试验共施工 3 个近水平反循环取心钻 孔，累计进尺 215.3 m，单孔最大孔深 120.8 m，综 合取心率 73.9，单孔最高取心率为 83.9，反循 环取心效果显著，3 个取心钻孔的最大回次进尺为 69 m，平均钻进效率为 3.616.26 m/h，且岩心完整 度较高， 岩心长度超过 50 mm的岩心数量超过 80， 大部分岩心长度在 85 mm 左右。 b. 试验地层漏失严重，地层裂隙发育，通过对 取心钻头内管及双壁钻杆内管加工内喷孔可有效提 高中心通道返水量，改良后中心通道平均返水流量 提高到 217.6 L/min，中心通道平均返水流速提高到 2.74 m/s，相较改良前分别提高了 50.7、51.4左 右，改良效果明显，保证了该套反循环取心钻具在 漏失地层施工中的取心效果。 c. 为了避免钻孔环空钻渣过多，可以通过正循 环排渣法、 反循环排渣法有效清理钻孔环空的沉渣， 万方数据 第 5 期 杨冬冬等 漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验 267 有效避免因钻孔环空沉渣过多导致的钻机回转压力 大、进尺缓慢及卡钻、埋钻等事故的发生。 d. 本次进行的漏失地层近水平钻孔双壁水力 反循环连续取心试验研究，验证了本套双壁取心钻 具在漏失且破碎地层进行取心施工具有可行性，试 验中并未因冲洗液漏失导致取心钻具中心通道返水 量减小严重、卡堵频发等情况的出现，并且破碎地 层通过性较好，本次试验有效预见在煤矿井下地质 异常体等漏失地层中施工近水平取心钻孔过程中可 能出现的问题，并且及时改进完善反循环取心钻具 结构及工艺技术，为水力反循环取心技术应用于煤 矿井下地质异常体探查工作提供参考依据。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 高德程. 哈达门沟矿区 ZK10802 钻孔复杂地层钻进工艺[J]. 现代矿业，2019，351140–43. 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