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挑戰“五層溶洞”——山東省地礦三院巖溶發育地區鉆探側記

發布時間:2018年11月20日
來源:中國礦業報(2018-11-20) 作者:翟育峰,付祥友

多日濃霧密布的天空終于露出了久違的太陽,山東省地礦三院鉆機機長王修暉的臉上也如這晴空一般,一掃連日的陰霾與疲倦,迎著高原上奪目的朝陽,帶著他的隊伍邁著輕快的步伐下了山。歷時近一年的鉆孔施工終于結束了,在鉆進過程中,這支隊伍破除了“五層溶洞”障礙,攻克了地下暗河的挑戰,完成了孔深1500米的鉆探工作。

手有金剛鉆,不怕瓷器活

“逢溝必斷”是地質行業流傳甚廣的口訣。云貴川是我國巖溶發育較廣地區,在該地區進行鉆探施工,極有可能遇見溶洞地層,給鉆探施工帶來很大的難題。當機長王修暉跟著地質人員定孔位時,只見工作區內地形因受金沙江及其支流切割起伏劇烈,表層風化嚴重,巖層破碎、結構松散。同時,他從地質人員的口中得知該區域沖斷帶褶皺帶內斷裂發育,斷裂以逆斷層和走滑斷層為主,其大多切入元古界地層,另外工區位于川滇交界,強震頻繁,地層完整性破壞嚴重。富有經驗的他,對鉆孔的施工難度已經有了初步的判斷。

工作現場

近年來,山東省地礦三院小口徑巖心鉆探“超難、超深、超斜”的“三超”品牌已經在全國打響,依靠強大的鉆探研究中心、金牌鉆探隊伍和優勢裝備,實現了先進的科學技術與豐富的實踐經驗相結合。山東省地礦三院鉆探施工處和鉆探研究中心組織專業人員,對項目施工進行了充分的研討,在認真考量復雜地層、溶洞存在的可能性和技術應對方面做了大量的準備工作,制訂了詳盡的施工方案,初步確定了“大徑開孔、邊打邊封、多層套管隔離”的工作思路。經過平整場地、設備進場等一系列的鉆前準備工作之后,鉆孔正式開鉆。

頻遭攔路虎,絕處奪生機

開鉆伊始,復雜的地層就給了施工人員一個下馬威!2米的浮土下全是砂、泥、礫石混合地層,破碎坍塌非常嚴重,根本無法正常鉆進,只能采用跟管鉆進工藝。為了滿足地質取心的最大要求,采用大管跟進、小管套取巖心的工藝,取得了不錯的效果。由于砂、礫石對金剛石鉆頭的磨損,破壞嚴重,被迫提鉆換鉆頭,提鉆后鉆孔就出現坍塌、加不上鉆桿等復雜情況,多次嘗試未果,被迫在14m處下入第一層套管,未能達到設計第一層套管40m左右的要求。

二開鉆進又鉆遇破碎嚴重地層,孔內泥漿不返,多次抱鉆、埋鉆、卡鉆。技術人員在現場采用水泥灌漿工藝邊封孔邊施工的辦法,堅持施工至93m,就被迫第二次下套管入孔內。

三開鉆進至368m前還比較順利,鉆進至該孔段,鉆速突然加快,帶班班長王開強立即將鉆桿提離孔底,并馬上向機長王修暉匯報。聽完匯報,王修暉意識到灰巖地層溶洞可能出現了,決定下放鉆桿探探溶洞的深度,一根、兩根、三根,下放了6根3米的鉆桿才探到溶洞底部——溶洞居然有18米之深!對于一個干了30年鉆探的老機長來說,這么大的溶洞還是第一次遇到。雖然溶洞深度可以探到,但是誰都無法預見溶洞在孔內到底有多大。與此同時孔內開始不返漿,發生了斷鉆桿事故。技術小組經過商議后采用了水泥灌漿封孔的措施,但是透孔基本上沒有水泥,大家判斷,很有可能溶洞比預想的要大。經過討論,為了安全起見,施工人員下入了第三層套管。

四開鉆進已經沒有了退路,為了順利鉆進至設計孔深,研究中心派出技術人員到現場進行技術指導,經過多方“會診”,決定換用雙聚物泥漿體系。鉆進繼續進行,但是孔內的復雜程度遠遠大于預期。

鉆進中又先后在475m-476m、476.8m-478.3m、503m-504m、508m-509m處鉆遇了4層溶洞,現場多次采用水泥灌漿封孔的辦法,效果均不理想,出于對鉆孔安全施工的考慮,更是為了完成設計要求,鉆孔堅持鉆進至533m。

再遇新問題,科技顯威力

憑借科學指導、技術手段、豐富經驗,鉆探隊伍已經沖破了“五層溶洞”,但此時復雜的地形讓每個人心里都不輕松。果然,因為地層過于復雜,鉆具斷在孔內,多次都沒打撈成功,而且每次下鉆掃孔都帶上來長約60m流沙,大家分析在476.8m-478.3m處溶洞存在暗河,如果不進行處理,將無法繼續施工。

根據地質巖心鉆探規程,常規水泥灌漿封孔采用的水泥漿水灰比在0.5左右即可,但是結合以往的封孔經驗,0.5水灰比的水泥漿,對于裂隙發育地層起不到封堵作用,更別說存在暗河的溶洞地層。為此,鉆探技術研究中心技術人員盡量模擬孔內情況,在現場進行了多個水灰比水泥漿試驗。經過多次試驗后,最終確定采用0.2水灰比水泥漿,同時采用孔口人工灌漿法,控制水泥灌注量,保證水泥漿有必要的流動性,能夠填充至溶洞裂隙,同時使水泥漿在初凝前不至于完全漏失掉,從而達到封孔效果。

候凝的48小時,令人難熬,因為根據以往封孔經驗,采用水泥漿封孔水灰比最小0.25,低于這個數值水泥漿的流動性如何,水泥漿會不會在鉆桿內失去流動性,甚至在鉆桿內部凝固,乃至會否把鉆桿封到孔內,誰都不敢保證。候凝結束,透孔工作開始了,終于從440m開始能取出完整的水泥心,本次封孔起到了預想的效果,下部溶洞裂隙發育地層得到了有效的控制,大家懸著的心稍微放下了些。

透孔完成后,技術團隊考慮到如果按照原孔繼續透水泥,很可能會破壞到已經添堵的裂隙及溶洞,鉆探研究中心技術人員積極向業內科研單位的專家咨詢,在此次封孔效果較好的情況下,鉆孔順利在468m處定向偏出原鉆孔,形成新的鉆孔。

為了保障鉆孔能夠順利終孔,研究中心技術人員沒有滿足現狀,大家進一步與專家們溝通,決定采用雙聚物護壁泥漿體系。現場人員嚴格按照泥漿配方控制泥漿性能,鉆孔順利施工至678m完整地層,下入最后一層套管,為下部地層的施工打下了堅實的基礎。

普通地質鉆孔施工,套管級別2-3級足矣,該鉆孔套管級別加大到了4級,現場施工人員和鉆探研究中心技術人員積極應對、靈活運用各種手段,采取各項技術,破除了“五層溶洞”的障礙,歷經10個多月的奮戰,保障了鉆孔的順利竣工。

這次施工,是山東省地礦三院科研、技術、施工團隊構建分工配合機制,共同應對難題的一次生動的實踐,也為三院在云貴川巖溶地區鉆探施工積累了寶貴經驗。山東省地礦三院鉆探隊伍將加快技術成果的凝練提升與轉化應用,進一步完善深孔復雜地層鉆探技術,為國家綠色勘查做出新貢獻。

[責任編輯:dc]

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