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神奇的地下“血管支架手術”

——小口徑膨脹波紋管護壁技術

發布時間:2019年06月05日
來源:探礦工程在線 作者:宋 剛


人的血管如遇堵塞,解決辦法之一就是采用下入支架確保血管暢通。在地質鉆探孔施工過程中,井眼若遇到類似血管堵塞的復雜地層,造成井眼不暢通時,可以采用像給血管下入支架的辦法將波紋管下入事故孔段膨脹后將事故孔段隔離開,達到護壁疏通效果,保持井眼通暢,這就是膨脹波紋管護壁技術。

為了探索地球深部構造、巖性特征、礦物成分及含量等,常常需要進行地質鉆探。簡單來說就是在地球表面鉆一定深度的孔,并取出巖心進行分析,從而發現地層的秘密。地球表面以下的地層結構千差萬別,在地質鉆探孔施工過程中,往往需要從破碎、溶洞、錯層、縮徑等復雜中穿過,施工的困難程度和事故的發生概率也會隨著地層的復雜程度而加大。如果將地質鉆探孔比作人身體上的血管,那么復雜地層時的孔段猶如我們的血管出現狹窄或堵塞,造成管道不通暢,需要及時處理,才能解決問題。我國每年鉆探孔因地質不穩定造成了大量的事故,且棄孔案例比比皆是,造成了鉆探工作的巨大浪費。采用什么方法將有問題的鉆孔孔段進行人為隔離,減少孔內事故,挽救瀕臨棄孔邊緣的井眼,是擺在所有地質鉆探人面前的攻關課題。

地下“血管支架手術”的由來

由鉆孔堵塞聯想到人體血管堵塞,其解決方法是否有相同之處呢?目前我們處理血管狹窄或堵塞的先進方法是下入“血管支架”,見圖1

1 下入“血管支架”確保血管暢通示意圖

借鑒“血管支架”的原理,嘗試在地質鉆探孔內也下入“支架”,通過支架的防護,起到與血管支架異曲同工的效果。鉆孔下支架示意見圖2

2 地質鉆探孔下入“支架”確保鉆孔暢通示意圖

對比圖1和圖2可以看出,有問題血管和復雜地質鉆探孔處理方式非常相似,都是在管道(血管或孔)中下入金屬管,通過一定的方法將金屬管膨脹起來,支撐管壁(血管壁或孔壁),從而將有問題的管道隔離起來,確保血液或鉆孔暢通。

地質鉆探孔“下入支架”的工藝方法,我們稱為“小口徑膨脹波紋管護壁技術”。

在鉆孔中“下入支架”這項技術最早由俄羅斯韃靼斯坦石油公司(TATNEFT)在20世紀70年代提出。1998 年開始,我國的中國石油、中國石化等單位相繼開展了大口徑膨脹管護壁的研究工作,應用的鉆井尺寸較大,直徑均在216—311mm之間。地質勘探孔相對于石油鉆井而言,直徑比較小,一般終孔直徑為7696 mm,若將石油鉆井的井眼比作“動脈血管”,那么地質鉆探孔則可稱之為“毛細血管”,在小口徑地質鉆探孔中進行“下入支架”護壁則類似于在“毛細血管中下入支架”,難度非常大,從可查閱的資料來看,我國是目前全世界唯一成功應用這項技術的國家,這也使得我國的地質鉆探事故處理技術處于世界領先水平。

解密地下“血管支架手術”

在地下數千米的小直徑地質鉆探孔中下入支架,會遇到哪些難題,是如何解決的呢?此項技術是否走出實驗室進行了應用,應用情況如何呢?

支架材料選擇和成形難度大

我們還是先以血管支架手術材料來類比。

下入血管的支架(如圖3材料是指一種結構上分為雙層的類似于神經支架材料,但不同于神經支架材料的是血管支架材料內層為與血液相容性好的生物活性材料該類材料還要具有抗凝血和抗容血作用一般為經過表面修飾的降解材料外層材料必須為保證內層材料細胞生長提供一定的支撐強度、抗拉強度,并具有一定的韌性。

3 網格狀的血管支架

萬事開頭難,如何尋找適合制作護壁支架性能的管材是首要難題,這種管材的材料要求既要可塑性,既容易成形,又要有足夠的變形硬度。

通過千百次的對支架材料的選型和實驗,最后確定以材質代號為KP02的管材作為支架材料。此種材料經過特殊處理,可以進行多次冷變形不會產生缺陷,韌塑性非常好,同時具有在變形后強度增加的性能,即“越膨脹越硬”,這就一舉解決了支架的第一道難題。

地質鉆探孔下入支架的過程中,因為要避免巖石碎塊或流砂從縫隙中漏出,需將事故孔段嚴密隔離開,支架不能為網格狀,管壁必須完整沒有破損。這一點與血管支架的網格狀有著明顯區別。但相同的是,在下入支架的全過程中,下入前支架外形尺寸較小,下入到位后支架在外力作用下膨脹(見圖1)。如何將鋼管加工成與網格管一樣可以膨脹形狀,并且能滿足尺寸要求,是支架項目在選定材料后需要解決的問題。

答案在經過若干次理論計算和實踐驗證后得出:十瓣波紋管作為地質鉆探支架形狀,即膨脹波紋管(見圖4)。

4膨脹波紋管成形示意圖

這種作為地質勘探孔支架的波紋管,首先需要從圓管進行機械成形為十瓣波紋形狀,外形尺寸在徑向方向縮小,將其下入孔后再進行膨脹,波紋管膨脹至原來圓管尺寸。這種波紋支架在第一步成形過程很容易出現管壁傷痕,從而在后續的膨脹過程中造成管壁破裂。因此,對成形過程的模具設計和無痕控制技術要求極高。經過數百米的管材成形實驗,最終攻克了支架成形技術難題。

支架牢牢固定在孔壁上的難度大

血管支架植入的手術中,支架必須與血管緊緊貼合,不能因人體運動或血流速度而使支架移位或者脫落。人體的血管自帶彈性,支架膨脹開后將血管壁撐大,血管的彈性將支架緊緊的抱緊,從而使支架不會移動或脫落。同樣,鉆探孔內下入的支架也需要與巖石孔壁緊緊錨固在一起以防脫落。孔壁巖石沒有彈性,不能將膨脹后的波紋管抱緊,如何避免支架竄動脫落呢?

受彈性血管壁啟示,科研人員研究在實體波紋管與巖石孔壁之間增加可壓縮的彈性介質,膨脹管膨脹后壓縮彈性介質,將管體牢牢固定在孔壁上。

通過分析波紋管的截面形狀可知,波紋截面是由10個弧形凹凸組成,將有彈性的橡膠加工成弧狀條形,通過冷硫化的方法將膠條粘在凹槽內,就可解決彈性介質放置問題(見圖5)。

A硫化弧形膠條的波紋管      b管體膨脹膠條壓縮      c波紋管、膠條和孔壁貼合

5 硫化橡膠后的膨脹波紋管膨脹示意圖

將膠條布置在凹內,膠條沒有突出波紋管凸起,在下入鉆探孔的過程中,避免了膠條與孔壁的刮蹭,波紋支架到位后,采用液壓的方法將波紋管膨脹的同時,橡膠條一起變形受壓,最后緊緊貼在孔壁上,橡膠條的彈性可以將波紋管與孔壁牢牢地固定。

波紋形狀的支架連接困難

在下入血管支架解決血管狹窄或堵塞疾病時,出現問題的血管長段一般較短,正常情況下一處病灶下入一支血管支架即可。然而,地質鉆探事故孔段長度因地質情況不同,短的不超過1m,長的幾十米甚至上百米,因此,在實際應用過程中,必須解決膨脹管的連接問題(見圖6)。如何將截面為異形的波紋形狀、壁厚僅為34mm的薄壁管進行安全對接,并保證對接后的接縫在變形過程中不漏失(造成膨脹失敗)、不會破裂,是波紋管護壁技術推廣應用的一個重點難點。

 

6 波紋管對接示意圖

由于波紋管截面的不規則性,對膨脹管的對中和連接技術要求非常高,目前采用的剛體對接有焊接和膠粘兩種方式。在復雜的地質鉆探事故孔段中采用膠粘方式顯然不合適,采用焊接是唯一的解決方案。將兩件物件焊接后焊縫還需承受變形壓力,對焊縫質量提出了很高的挑戰。科研人員從手工焊條焊、二氧化碳保護焊、氬弧焊等現有的各種焊接方式入手,每種焊接方式采用不同焊材分別進行實驗,調整焊接工藝,優化焊接參數,兼顧現場條件,并對試件進行比對。經過大量的室內實驗和野外驗證,最終選用“定制工藝氬弧焊”徹底解決了小口徑膨脹管對接難題(見圖7)。這種工藝焊口強度及韌性甚至超過了管體本身,突破了單根波紋管長度“瓶頸”限制,擴大了膨脹波紋管技術在地質鉆探事故處理中的適用范圍。這也標志著此技術真正從實驗室走向了野外應用。

 

7 波紋管對接膨脹圖

地下“血管支架手術”的應用

地質鉆探孔“下入支架”技術經過大量的理論研究和室內試驗,目前已經解決了支架的材料、形狀、固定和對接等難題,已經從實驗室走向了“臨床應用”,且取得了較好的“療效”,為廣大“患者”帶來了福音。

2015年至今,膨脹波紋管護壁技術已經在四川、廣西、福建、山東、甘肅等省的8個坍塌、漏失、縮徑、斜孔坍塌、掉塊等不同事故類型的工地進行了應用,護壁深度從100多米到接近2000米,“臨床實驗”選取的對象從“輕癥”到“重癥”逐漸,逐漸在施工過程積累經驗,保證每位“患者”得到良好的醫治,從而使膨脹波紋管護壁技術得以穩步提高。

以廣西壯族自治區地球物理勘察院承擔施工的廣西南丹馬鞍山孔明銀鉛鋅礦區ZK703孔為例(見圖8),該孔設計孔深1200m,在孔深1035m、孔徑76mm的裸孔段發生嚴重孔內坍塌,導致連續5個多月無法正常鉆進,面臨報廢,施工單位也面臨著巨大的經濟損失。最后施工單位抱著試試看的態度采用膨脹波紋管技術,經過一個多月的奮戰,終于將事故孔段徹底隔離,解決了深孔孔壁穩定問題,使該孔得以正常鉆進并順利終孔。終孔孔深1200.27m

8 廣西南丹ZK703孔現場下放波紋管

地下“血管支架手術”的深遠意義

小口徑膨脹波紋管護壁技術與血管下入支架一樣,對地質鉆探孔有著起到起死回生的功效。這項具有自主知識產權技術的成功應用,為我國深部地質找礦戰略目標的實現提供了新技術、新工藝和新方法。此技術可以大大提高深部鉆探成功率,減少孔內事故,降低施工成本,縮短施工周期。同時在簡化鉆孔結構,減少鉆孔開次,減小套管及鉆具數量方面將起到決定性的作用。這項技術可以大大降低鉆探施工成本,具有極高的社會經濟效益。

在復雜地層的深孔、超深孔傳統作業中,隨著下入套管層數的不斷增加,地下鉆孔直徑將不斷縮小,會妨礙后續進一步作業,等徑鉆進技術可有效解決這些問題。等徑鉆進技術是建立在膨脹管技術基礎上發展起來的先進技術,是指在鉆進過程中始終采用同一規格的鉆頭及鉆具,在全孔鉆進過程中保持同一孔徑的鉆進方法,被鉆探界稱為鉆探行業的“探月工程”,而小口徑膨脹波紋管護壁技術的成功應用,不僅使我國的鉆探事故處理技術處于世界領先水平,還可使鉆探行業中的“探月工程”——等徑鉆進的成功實施成為可能,給鉆探技術帶來新一輪的革命。



作者簡介:宋剛,男,博士,中國地質科學院勘探技術研究所教授級高級工程師,主要從事地調科研和水利、隧道、樁基礎工程的設備、器具和工藝的研究工作。



[責任編輯:dc]

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