涌水坑道鉆孔巖心上升系數ξ定義及其實踐意義

郝海洋

(1.貴州省地質礦產勘查開發局115地質大隊，貴州 清鎮 551400； 2.貴州地礦德誠建設工程公司，貴州 清鎮 551400)

1 問題的提出

水銀洞金礦Ia礦體發育在龍潭組和茅口組之間的不整合面附近，經沉積作用、構造作用和熱液蝕變而成為蝕變體(SBT)，SBT主要為硅化角礫狀粘土巖(P3l1下部)和強硅化角礫狀灰巖(P2m上部)組合[1-5]。該礦區Ia礦體內地下水豐富，部分區段為承壓水，鉆孔孔口靜水壓最高可達0.68 MPa，鉆孔涌水量最高可達112.86 t/h。工程實踐表明，無論地表鉆探還是坑道鉆探，孔內涌水給小口徑繩索取心鉆探帶來了極大的施工難題[6-9]?？拥楞@孔由于鉆孔淺，不能像地表鉆孔通過增加泥漿密度，增加有效的液柱壓力來平衡地層壓力[6, 10-12]。然而，水銀洞坑道鉆探施工中發現：鉆遇涌水層后，孔底鉆屑和巖心碎塊可隨孔內高壓水而沖出。如此則無須起大鉆，可以大大提高工作效率。那么究竟多大尺寸的巖心在多大的孔內壓力作用下才能自動排出呢？如何調整和控制參數來實現不起鉆而獲得巖心的目的呢？

2 孔內巖心的受力分析

分析巖心在孔底的受力情況，則可以定性、定量的分析出能隨孔內水自動排出的巖心尺寸大小。根據水銀洞鉆孔巖心的實際形狀，將巖心分為完整柱狀(如圖1b中的1號結構)和破碎狀(如圖1b中的2～5號結構)兩類。以傾角(注：傾角與鉆孔的井斜角互余)為α的斜孔為例，假設忽略破碎巖心顆粒間的碰撞作用，巖心受到了自身重力G、孔內涌水的作用力F涌、浮力f浮、鉆桿內壁的支撐力F支、鉆桿內壁的摩擦力f摩，巖心在鉆桿內部不受除上述力以外的力，則巖心在孔內的受力如圖1所示。

圖1 涌水孔巖心的受力分析Fig.1 Force analysis of core in water kick hole

在沿鉆柱方向上：

F涌=P涌S心

(1)

式中：F涌——孔內任意孔深處涌水作用于巖心上的壓力；P涌——任意孔深處水壓；S心——巖心的受力面積。

f浮=ρ水V心g

(2)

式中：f浮——巖心所受浮力；ρ水——礦層水密度；V心——巖心的體積；g——重力加速度。

f摩=μ(G-f浮)cosα

(3)

G=ρ心V心g

(4)

式中：f摩——巖心所受鉆桿內壁的摩擦力；μ——摩擦系數；G——巖心自身重力；α——鉆孔傾角；ρ心——巖心密度。

當巖心在鉆桿內任意處受力平衡時，則有：

Gsinα+f摩=F涌+f浮sinα

(5)

將式(1)～(4)代入式(5)中：

P涌S心=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)V心g

(6)

若巖心是長度為h、半徑為r的柱狀時(見圖1a)，則有：

V心=πr2h

(7)

P涌=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)gh

(8)

若巖心破碎時，將其看作等效半徑為r(0

V心=4/3·πr3

(9)

P涌=4/3·(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)gr

(10)

由式(8)、(10)可以看出，鉆遇涌水孔時，孔底巖心能否從鉆桿內沖出，關鍵在于孔底涌水壓力和巖心的長度或者等效半徑間的關系。因此，本文提出用巖心上升系數ξ來表達上述參數間的關系。

3 巖心上升系數ξ的定義

定義ξ為巖心上升系數，其物理意義為：在孔底水壓和浮力的作用下，巖心克服重力和與鉆桿內壁摩擦力而自動上升的能力。完整巖心和破碎巖心的ξ表達式分別為式(11)和式(12)。

(11)

(12)

在實際施工中能夠基于鉆孔的基本信息，計算出巖心上升系數的大小，從而判別孔底巖心能否隨孔內涌水自動沖出。當ξ≥1時，理論上孔底巖心可以隨孔口涌出水從上余鉆桿內沖出，ξ值越大，巖心越容易沖出；當ξ<1時，孔底巖心則不能沖出，只能依靠起大鉆取出。

對于某一確定了的鉆孔，其傾角α為固定值，若認為ρ心、ρ水、μ和g不變，則根據式(11)和式(12)可以定性判斷：當孔內水壓一定時，巖心的尺寸越小，ξ值就越大，則巖心越容易被水沖出；當巖心的尺寸一定時，孔底水壓越大，ξ值就越大，則巖心越容易被水沖出。

4 分析與討論

4.1 P涌的計算和取值分析

在孔底水源充沛條件下，孔底壓力P為孔口水壓與液柱壓力之和，基本保持不變；是任意孔深處作用于巖心上的壓力，隨孔深的變化而變化。P涌可以通過式(13)計算得出。

P涌=ρ水gHsinα+P孔口

(13)

式中：H——巖心所在處的孔深；P孔口——孔口水壓。

由式(13)可判斷出P涌隨孔深的變淺而降低，而相應的ξ值隨著孔深變淺而減小。因此，若使巖心能夠順利地被水沖出，當P涌取孔口處壓力時，計算出的ξ最為保險。

基于式(11)、(12)，討論α、P涌、h與ξ間的關系，計算所用的相關參數為：水密度ρ水=1.0 g/cm3；重力加速度g=9.8 N/kg；巖心密度ρ心=2.5 g/cm3；摩擦系數μ=0.2。

4.2 α與ξ的關系討論

基于水銀洞金礦坑道鉆孔的統計信息，KZK4908S水文孔孔口水壓為0.28 MPa，KZK5928S水文孔孔口水壓為0.68 MPa，其他鉆孔孔口水壓基本在此二者范圍內，取P涌=0.28 MPa，巖心長度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了鉆孔傾角α與巖心上升系數ξ的關系曲線(如圖2所示)。

圖2 不同巖心長度時鉆孔傾角與巖心上升系數關系曲線Fig.2 Drill hole inclination vs core-uplift-coefficient curves at different core lengths

從圖2中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨著傾角α的增大而增大，隨后出現下降趨勢；85°≥α≥70°時，相同長度的巖心上升系數ξ幾乎沒有太大的差異；在相同鉆孔傾角α時，巖心上升系數ξ隨巖心長度h的減短而增大，而在大傾角范圍時，這種增大的程度更加明顯；當巖心長度在0.3 m以上時，鉆孔傾角α對巖心上升系數ξ的影響逐漸降低。從理論計算結果來看，P涌=0.28 MPa時，即便巖心長度為1.0 m、鉆孔為水平鉆孔(α=0°)，巖心上升系數ξ為3.81，巖心也能在水壓作用下從孔口排出。

因此，在巖心長度較短時，鉆孔傾角α的大小對巖心上升系數ξ的影響較大，在實際的鉆探施工中，對于小傾角鉆孔，應盡量控制進尺，在孔底巖心較短時就割心，便于巖心隨孔內涌水排出孔口。

4.3 P涌與ξ的關系討論,

取α=60°，巖心長度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了孔內涌水壓P涌與巖心上升系數ξ的關系曲線(如圖3所示)。

圖3 不同巖心長度時鉆孔水壓與巖心上升系數ξ的關系曲線Fig.3 Downhole water pressure vs core-lift-coefficient curves at different core lengths

從圖3中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨孔內涌水壓P涌的增大而呈線性增大；在相同鉆孔傾角α時，巖心上升系數ξ隨巖心長度h的減短而增大，在較大孔內涌水壓力范圍時，這種增大的程度更加明顯，而在較小孔內涌水壓力范圍時，這種增大程度差異較小。從理論計算結果來看，當鉆孔傾角α=60°時，即便巖心長度為0.1 m，P涌=0.001 MPa時，巖心上升系數ξ為0.66，巖心不能在水壓作用下從孔口排出。

因此，在實際的鉆探施工中，對于孔內涌水壓P涌較小的鉆孔，應盡量控制進尺，降低巖心長度，便于巖心隨孔內涌水排出孔口。而對于孔內涌水壓P涌較大的鉆孔，可以適當的增加巖心長度，提高鉆探效率。

4.4 巖心尺寸與ξ的關系討論

取α=60°，孔內涌水壓P涌取值0.1、0.3、0.5和1.0 MPa，做出了巖心長度h與巖心上升系數ξ的關系曲線(如圖4所示)。

從圖4中可以看出：在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨巖心長度h的增大而急劇降低；在相同巖心長度時，巖心上升系數ξ隨孔內涌水壓P涌的增大而增大，而在較小巖心尺寸時，這種增大的程度更加明顯，在較大巖心長度時，雖然鉆孔壓力在增加，已不足以對巖心上升系數ξ帶來明顯的改變。從理論計算結果來看，鉆孔傾角α=60°時，即便P涌為0.1MPa，巖心長度為5m時，巖心上升系數ξ為1.31，巖心也能在水壓作用下從孔口排出；當P涌為0.3 MPa，巖心長度為17 m時，巖心上升系數ξ為1.16，巖心也能在水壓作用下從孔口排出；甚至當P涌為0.7 MPa，巖心長度為46 m時，巖心上升系數ξ為1.00，巖心也能懸浮在孔內。

圖4 不同鉆孔水壓時巖心長度與巖心上升系數ξ的關系曲線Fig.4 Core length and core-lift-coefficient curves under different downhole water pressures

然而，基于實際情況下，孔內巖心和鉆屑的級配分布及鉆具的特殊設計結構時，巖心并不是規則地、單獨地分布于鉆桿內部空間中。接下來，將結合實際鉆探施工的經驗和實例，討論巖心上升系數ξ的實踐意義。

5ξ的實踐意義

需要說明的是，前文在討論孔內巖心受力時，忽略了破碎巖心顆粒間的碰撞作用和巖心間的架橋阻塞鉆桿內部空間的情況。而孔底的真實情況較為復雜，對于裂隙、溶洞發育的地層，鉆探施工中常遇到孔底垮塌情況，不利于鉆進效率的提高。對于某一鉆孔，其傾角α為固定值，而孔內水壓P為一定范圍的數值，唯一能夠人為控制的是巖心的尺寸h，因此巖心上升系數ξ可以在理論上指導單個回次的進尺，以便于提高特大涌水鉆孔的鉆探效率。

5.1 利用ξ提高涌水段鉆進效率的案例分析

對于較為完整的地層，可適當控制進尺，及時割心，使整段巖心從孔內排出，減少起大鉆次數。由于采用普通鉆探工藝時，孔底獲取的巖心進入鉆桿內部后要經過下扶正器內部的臺階；若巖心較短而未越過臺階，則在巖心上升過程中，容易被臺階所阻，如若操作不當，易造成鉆頭內“堵死”，則必須起大鉆處理[13]。

圖5統計分析了水銀洞部分涌水坑道鉆孔的涌水段的鉆速大小，并結合鉆探實際經驗，總結出了單回次進尺應控制在0.3～1.0 m；孔口水壓小時，應相應地減小單回次進尺長度，以0.3 m為宜，可讓巖心自動從孔口排出，從而減少起大鉆次數，提高鉆進效率。例如：(1)KZK5105S鉆孔，孔口靜水壓為0.56 MPa，鉆孔傾角為64°，鉆孔施工中，涌出的完整巖心最大長度為0.86 m，礦層平均鉆速為6.17 m/h；(2)KZK5705鉆孔，孔口靜水壓為0.36 MPa，鉆孔傾角為85°，施工中最大涌出巖心長度為0.67 m，礦層平均鉆速為6.75 m/h。

圖5 水銀洞部分涌水鉆孔的涌水層鉆速統計Fig.5 Drilling speeds in layers along large water kick holes in Shuiyindong Mine

5.2 特殊情況下不能利用ξ的案例分析

當孔底巖石極為破碎和鉆屑極多時，若不能及時有效的排出，則巖心碎塊和鉆屑將在鉆桿內形成大小塊級配沉降而封堵鉆桿內空間，導致巖心排出通道阻塞，需起大鉆處理。

例如：(1) KZK5724鉆孔，孔口靜水壓0.60 MPa，鉆遇孔底約1 m厚石英晶體段時，由于石英晶體經研磨后呈碎砂狀，鉆進時未及時提鉆排砂，不同尺寸的巖心在鉆具內架橋而阻塞，起大鉆后在鉆桿內沉降了總高度達3.0 m的細砂巖屑；(2) KZK5704鉆孔，孔口靜水壓0.52 MPa，由于鉆至礦層后，遇溶洞裂隙，為了獲得滿足要求的巖心采取率，只能增加單回次最后進尺時的鉆壓，使碎屑巖心堵滿鉆頭內部空間，使巖心不至于被高壓水沖散而無法獲取，其礦層平均鉆速只有0.45 m/h。

6 結論與認識

本文提出了涌水鉆孔巖心上升系數ξ的定義，并深入分析了鉆孔傾角、孔內水壓和巖心尺寸與巖心上升系數的關系，得出結論如下：

(1)在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨著傾角α的增大而呈先增大后下降趨勢。

(2)在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨孔內涌水壓P涌的增大而呈線性增大。

(3)在其他條件相同時，巖心上升系數ξ隨巖心長度h的增大而急劇降低。

(4)巖心能否隨孔內涌水排出的判據為：當ξ≥1時，孔底巖心可以隨孔口涌出水從孔內沖出；當ξ<1時，孔底巖心則不能被沖出，需起大鉆處理。

實際坑道鉆探中，鉆遇含水地層給鉆探施工帶來諸多麻煩與孔內事故隱患[14-15]。本文所述巖心上升系數是基于該礦區多個坑道涌水鉆孔施工后總結出來的[16]。鉆遇特大涌水坑道取心鉆孔時，基于實際鉆孔技術參數，計算出涌水段巖心上升系數，可以為提高高壓涌水鉆孔提供理論指導，具有一定的實踐意義。但施工人員應基于地層的實際情況，合理利用巖心上升系數，及時改變鉆進參數，判斷單回次的進尺大小，才能起到提高鉆進效率的目的。