地质领域实验性论文

地质领域实验性论文

　　[中图分类号] P634.8 [文献码] B [ 文章 编号] 1000-405X(2013)-7-229-2

　　中国地质调查局是我国目前唯一组织公益性地质钻探技术研究开发和推广应用的单位，自1999年成立以来，在组织地质钻探技术研究开发和推广应用方面开展了大量工作并做出了显著的成绩，对我国地质钻探技术的发展起到了较好的推动作用。面对地质工作大发展的新形势和实现地质工作现代化目标的要求，地质钻探技术如何发展，如何更好地起到对地质工作的支撑作用，笔者对这些问题有些不成熟的想法，在此发表，希望能抛砖引玉，与大家共同探讨地质钻探技术的发展问题。

　　1地质工作对钻探技术的需求

　　目前我国矿产资源紧缺，资源问题成为制约国家建设和国民经济发展的瓶颈问题，引起了国家政府和领导的高度重视。在国务院关于加强地质工作的决定提出的地质工作主要任务中，突出能源矿产勘查和加强非能源重要矿产勘查是两项首要任务。国家为此投入了大量经费，除了正在实施的国土资源大调查专项基金之外，又启动了危机矿山接替资源找矿专项基金和地质勘查基金。此外，地方、甚至个人也在找矿方面表现出很大的热情，并进行积极的投资。近年来，随着地质工作的加强，地质钻探工作量成倍增长，一些省区的年钻探工作量达到了几十万米。钻探工作项目资金来源有国土资源大调查、矿产资源补偿费、中央财政补贴、省资源补偿费、地方财政补贴、市场项目等。钻探工作量加大，使得对钻探设备和技术的需求同时加大。

　　2地质钻探技术应用现状

　　与世界先进的钻探技术相比，目前我国地质勘探工作中采用的钻探技术总体水平比较落后。钻探施工主要采用立轴式岩心钻机，基本上是20世纪80年代左右的设计。现代的全液压动力头钻机依靠进口，我国自己研制的产品已经开始出现，但还未得到大面积推广应用，而且现在只有个别钻深能力(1000m)的钻机，还未形成系列。钻探工艺方面，一些先进的钻进工艺方法还没有得到推广应用。金刚石绳索取心钻进方法虽得到了较多的应用，但还未能大面积普及。液动锤钻进(液动冲击回转钻进)方法的优点虽然为人们所认识，但由于该方法在恶劣的泥浆条件下使用时，钻具可靠性和寿命方面存在着一些问题以及这些年钻探现场管理水平的下降，使其在地质钻探中的应用较以前更少。一些具有较好前景的先进的钻进工艺方法，如绳索取心液动锤钻进方法和不提钻换钻头方法虽然都已研制成功，但实际应用很少。空气反循环取样钻进方法尽管具有高效率、低成本的特点，但由于没有得到地质人员的认可，至今未能得到推广。除此之外，目前地质钻探施工中所用的钻孔护壁堵漏技术、测斜技术等，基本上也是20世纪80年代左右的水平。由于采用的钻探技术水平不高，地质勘探中钻探工作的效率和效果不太理想，表现在台月效率较低、复杂地层钻进问题多、深孔钻进能力差、钻进成本高。这些问题的存在，使得钻探技术对地质工作的技术支撑效果受到影响。

　　3地质钻探技术发展目标

　　笔者认为，考虑地质钻探技术发展目标时应该分阶段，应该分成近期、中长期和远期。划分原则是：至2010年为近期，至2020年为中长期，至2050年为远期。

　　3.1远期(至2050年)目标

　　实现地质钻探技术的现代化应该是钻探技术发展的远期目标。在国务院关于加强地质工作的决定和国务院温家宝就贯彻决定所作的重要批示中，都明确地提出了要实现地质工作现代化。关于地质工作现代化的定义，目前尚无统一的说法。笔者的理解是：地质工作现代化的标志应该是，在地质工作中普遍采用具有现代世界先进水平的地质勘查技术。钻探技术是地质勘查技术的种类之一，地质钻探技术的现代化也应该符合此项标准。然而，此项目标的实现是一项长期和艰巨的任务，因为只有国家的整体工业技术水平达到了世界先进水平后，我国的地质钻探技术才有可能从总体上达到世界先进水平，地质钻探技术现代化与国家的现代化应该是基本同步的。邓小平同志在介绍中国实现现代化的三步走战略时，明确提出到2050年中国基本实现现代化，达到世界中等发达国家的水平。1999年10月22日，时任国家主席江泽民在英国剑桥大学发表演讲时向公众宣布：我们的目标是，到下世纪中叶，即中华人民共和国成立一百周年时，基本实现现代化。由此看来，我国地质钻探技术现代化实现的时间应该是21世纪中叶。

　　3.2中长期(至2020)年目标

　　地质钻探技术发展的中长期(至2020年)目标应该是：自主创新能力显著增强，地质钻探技术水平显著提高，自主研发的新型钻探设备和先进钻进工艺方法得到较大面积的推广应用，钻探装备与施工技术总体上接近发达国家水平。

　　3.3近期(至2010年)目标

　　地质钻探技术发展的近期(至2010年)目标应该是：初步完成2000m深度以内的新一代地质岩心钻探设备系列研制;改进完善一批先进的钻进工艺方法，使之达到推广应用的水平;取得一批深孔钻探、复杂地层钻探和高精度定向钻探技术研究成果;研发成功现代的深水井和煤层气井钻探用全液压动力头钻机;地质钻探科技成果转化和推广取得较显著的成效。

　　4地质钻探技术近期研发工作重点

　　中国地质调查局近期组织开展的地质钻探技术研发工作基本上是按照上述的近期目标的思路安排的，重点研究内容如下：

　　(1)2000m深度以内的新一代地质岩心钻探设备系列;(2)满足覆盖区化探和异常查证需求、适应复杂地层条件的轻便、高效、多功能取样钻机及其配套的钻进工艺方法和器具;(3)1000m全液压动力头水井和煤层气井钻机及其配套的钻进工艺方法和器具;(4)改进完善一批先进的钻进工艺方法，包括冲击回转钻进方法、绳索取心冲击回转钻进方法、不提钻换钻头方法和深孔绳索取心方法;(5)解决复杂地层钻进技术难题，包括复杂地层钻孔护壁堵漏技术问题、复杂地层取心技术问题等;(6)高精度定向钻探技术，包括提高钻孔测量精度和定向钻进施工中靶精度的技术以及取心定向钻进技术;(7)万米科学超深孔钻探技术方案预研究。除了研究与开发工作以外，钻探新方法、新技术推广应用也是中国地质调查局钻探技术管理工作的重点之一，拟开展以下一些工作： 　　①新型岩心钻探机具应用培训;②地质调查浅层取样钻技术应用培训;③地质钻孔测量技术应用培训;④新型地质钻探泥浆体系应用培训;⑤节水钻进技术应用培训;⑥空气反循环取心钻进技术培训和应用示范;⑦车载式浅层取样钻机应用示范。

　　5几个值得强调的问题

　　5.1加强技术创新

　　技术创新的核心内容是科学技术的发明和创造，其直接结果是推动科学技术进步，提高社会生产力的发展水平，进而促进社会经济的增长。通过技术创新可实现技术跨越式发展，在短期内获得显著的技术经济效果，使一些常规方法难以解决的问题得到解决。这里举2个钻探技术领域技术创新取得显著成效的实例。第一个实例是科拉超深钻。前苏联的工业技术发达程度比不上西方国家，却钻成了世界上唯一一口深度超万米的钻井——12262m深的科拉超深井。钻万米超深井的难度非常大。这口井之所以能钻进成功，是因为前苏联人在施工这口井时进行了大量的钻探技术创新，其中3项对钻进施工的成败起决定性作用的重大创新是：超前孔裸眼钻进方法;铝合金钻杆;带减速器的涡轮马达井底驱动。第二个实例是中国大陆科学钻探工程科钻一井。该项目是在坚硬的结晶岩中施工5000m连续取心钻孔。这种施工在我国没有先例，在世界上也属高难度钻井工程。该井在施工时采取了一系列的技术创新，涉及套管和钻进施工程序、取心钻进技术、扩孔钻进技术和井斜控制技术，最终获得了高效、优质的施工效果。由于采用螺杆马达-液动锤-金刚石取心钻进方法，使机械钻速提高50%以上，回次长度由3m提高到8～9m，大大节省了施工时间和成本。

　　5.2加强新方法、新技术推广应用

　　新方法、新技术从研发出来，到在钻探施工中得到普遍应用，通常需要花很长的时间，做大量的推广应用工作。推广应用工作包括宣传、现场演示、技术培训和技术交流等。这些环节工作效果的好坏，都会直接影响到科技成果转化及其得到实际应用所需的时间，影响地质钻探技术现代化的进程。为获得好的效果，该项工作应有计划、有组织地开展，因为研发单位通常只是从本单位的利益和眼前的利益考虑推广应用工作，而该项目工作的计划和组织实施需要一种全局性和长远的考虑。这些年来，在钻探技术研究与应用的所有环节中，科技成果推广应用是相对比较薄弱的环节，加强此方面工作是当务之急。

　　参考文献

　　[1]王达.探矿工程(地质工程)未来20年科技发展战略研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2004，31(1).

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ZK1601孔钻具脱扣事故处理方法

摘 要： 对 ZK 1601孔钻具脱扣事故原因进行了简要分析，介绍了处理方法，提出了处理事故中应注意的问题，为避免及处理类似事故提供了经验。
关键词: 钻具；脱扣；孔内事故；磨；割；丝锥打捞
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02 年我们在山东某矿区施工 ZK1601 孔 ,该孔为80° 斜孔 ,设计孔深 280 m，终孔深度 318 m。在施工至273 m时出现脱扣事故，由于从钻具处脱开，中间有内管，处理较困难。技术人员认真分析研究，经过16 h将事故处理完毕，为今后类似事故处理积累了经验。
1 事故的初步判断
我们采用É 75 mm绳索取心工艺施工，在钻进到273 m时，回次进尺已达 218 m，岩心已装满内管(岩心内管有效长度 218 m)，在按正常程序采取岩心时，操作人员没有感觉到孔底拔断岩心。由于上一回次岩心完整，拔断时孔内有响声，又上下反复采取了2 次，依然没有感到拔断岩心，就开泵送水，以验证孔内是否出现了非正常情况。当钻杆下到孔底时出现憋水，低转数回转钻杆也同样憋水，稍向上提钻杆，泵压即降为零，由此判断孔内出现脱扣或断钻事故，称重显示事故发生在孔底。于是上钻检查，发现钻杆公扣与钻具外管上接头母扣脱扣，钻杆公扣磨损较严重。
2 孔内事故钻具状况及原因分析
此套钻具是我们自行设计加工的，外管上端依次接有弹卡室和上接头，上接头外径与钻具相同，其外侧对称镶焊4道硬质合金，起扶正作用，二者有效长度为24 cm，内管总成在外管总成中自由悬垂时 ，总成矛头仅短于上接头上端 1 cm，内管中有 218 m的岩心可能还没拔断。从脱扣钻杆公扣磨损情况判断，上接头已被磨出喇叭口。由于钻具外管及上接头外径皆为 73 mm ，而钻杆接头外径为72 mm ,所以分析脱扣原因为：斜孔钻进外径偏磨严重，上接头壁厚磨，导致强度降低，钻进中在压、 扭力作用下，钻杆公扣挤入上接头母扣中，母扣内径变大，钻进时仅靠公母扣根台阶的阻力还可勉强钻进，但随时都有脱扣的可能，还可能导致烧钻。取心时，受钻具和岩心重力、 摩擦阻力及拔断完整岩心所需拉力的作用，导致连接强度已降低的公母扣脱开。
3 事故处理方案的确定
本孔孔壁较稳定，并一直使用无固相冲洗液钻进，无坍塌掉块，这为事故处理提供了方便条件。由于事故钻具总成矛头较上接头上端短 1 cm ，公锥下不到外管中，并且判断外管上接头已成喇叭口，若再用公锥强力下压拧进，喇叭口(可能已撑裂)会更大，若挤死孔壁就再也起拔不出，因此决定采用下列办法。
3.1 割掉喇叭口,起拔内管
在方案确定前我们抱着侥幸心理先用新钻杆接头下到孔内去对接钻具，虽可以拧上，但一提即脱扣，验证了钻具上接头已成喇叭口的判断。我们决定用金刚石钻头磨掉一截外管上接头，不但要磨掉喇叭口，还要使内管总成高出外管 ,然后把打捞器放入配好的钻具内，下到孔底套住矛头，靠钻具拉出内管。
3.2 用正丝丝锥起拔外管
由于钻进中水路畅通,判断钻头未烧 ,若内管能够提起 ,那么在上接头喇叭口被磨掉的情况下 ,用公锥应能够起拔出外管。
4 综合处理步骤
4.1 打捞内管
在机台现场还备有相同的总成及钻具，我们在地表做了模拟试验，钻头内径为 49 mm，总成外径为54 mm，当钻头压在总成肩部时，矛头头部可进入钻头内40 mm，坐落在钻头内台阶上的打捞器完全可以勾住矛头。
像正常钻进一样，把一套完整钻具外管下到孔内，距离事故钻具10 cm时开始送水扫孔，钻进参数为低压力、 低转数、 适当泵量，用泥浆作冲洗液。磨蚀开始后量准机上余尺，当计算磨到总成肩部时停止，用大泵量冲孔，冲孔后提出孔内钻杆到孔口卸开，接一根钻杆，再拧到提引器上，用钻机升降机将钻杆放到孔底压在总成上，此时钻杆在地表有出露，把打捞器(钢丝绳在拴挂打捞器根部砸掉3股，只留2股，以降低连接强度)沿钻杆内放到孔底。为判断是否捞住内管，用可以提动打捞器的力量提拉钢丝绳，没有拉动，证明已捞住内管总成，强力拉断钢丝绳(在打捞器根部断开)，将其提出地表，提大钻，发现只有内管总成上来，总成与内管脱扣，内管仍留在孔内。
分析总成与内管脱扣的原因有两种：一是钻具和钻杆压在事故内管总成上端将内管上端母扣压鼓，挤死外管，造成总成与内管拉脱；二是由于岩心没拔断，其拔断力大于总成与内管连接力，所以从内管上端拉脱。内管总成上来后，孔内事故外管总长长出内管 364 mm(在地表用实物量得)，可以用正丝丝锥打捞。
4.2 打捞外管
下入É 73 mm 正扣公锥打捞，加压强力扭转钻杆，由机上余尺和转动阻力可确定丝锥已 “咬住” 外管上接头，边转动边强力起拔，在听到孔内响了一声后，阻力突然降低，似钻杆脱扣或断钻征兆，放下对接，无效，上钻发现弹卡室和上接头上来，钻具及扩孔器、 钻头、 内管、 岩心仍留在原处。
4.3 割掉外管上端,截掉小段内管
按照尺寸计算，现孔内事故外管长出内管 120mm，公锥能够 “咬” 上外管，但取出来的弹卡室公扣及台阶已磨损，可以判断外管上端在处理事故过程中可能被撑大成喇叭口，挤住了孔壁，所以考虑割掉喇叭口，再割掉一截内管和岩心，然后仍用公锥打捞。
为此，我们加工了一个同心两径硬质合金割管钻头，如图1所示。用É 73 mm的45号圆钢加工，大径用来割外管，小径用来全面破碎内管和岩心。将其接到钻杆上，下到孔内，量准机上余尺 ,以低压、 慢转、 中等泵量割扫，冲洗液使用泥浆，以便排渣。当外管割掉40 mm(从割管器规格尺寸、 事故内外管相
差高度、 机上余尺可算出)后上钻，此时喇叭口已被割掉，外管长出内管180 mm ,可下公锥打捞。
4.4 用正扣公锥打捞
方法同412，此次事故钻具及岩心全部被打捞出来。最后，用泥浆冲孔。
5 结语
(1)造成此次事故的主要原因是钻具及配套接头偏磨严重，连接强度降低 ,导致两处脱扣。所以要经常检查钻具及钻杆磨损情况，尤其在斜孔钻进时。
(2)此次事故处理在磨扫内外管时使用绳索取心钻杆，其它情况都是用普通双管厚壁钻杆，以避免强力起拔损坏绳索取心钻杆。
(3)事故处理要防止越处理越复杂，事故加事故，所以要慎重制定方案。
(4)处理事故一定要保护好孔壁稳定，做到事故性质清楚、 事故位置清楚、 机上余尺清楚。
(5)钻探施工中难免发生孔内事故，所以设计加工钻具时，各种材料规格尺寸要留有余地，并要在现场准备一定的事故处理工具。