涌水坑道钻孔岩心上升系数ξ定义及其实践意义

郝海洋

(1.贵州省地质矿产勘查开发局115地质大队，贵州 清镇 551400； 2.贵州地矿德诚建设工程公司，贵州 清镇 551400)

1 问题的提出

水银洞金矿Ia矿体发育在龙潭组和茅口组之间的不整合面附近，经沉积作用、构造作用和热液蚀变而成为蚀变体(SBT)，SBT主要为硅化角砾状粘土岩(P3l1下部)和强硅化角砾状灰岩(P2m上部)组合[1-5]。该矿区Ia矿体内地下水丰富，部分区段为承压水，钻孔孔口静水压最高可达0.68 MPa，钻孔涌水量最高可达112.86 t/h。工程实践表明，无论地表钻探还是坑道钻探，孔内涌水给小口径绳索取心钻探带来了极大的施工难题[6-9]。坑道钻孔由于钻孔浅，不能像地表钻孔通过增加泥浆密度，增加有效的液柱压力来平衡地层压力[6, 10-12]。然而，水银洞坑道钻探施工中发现：钻遇涌水层后，孔底钻屑和岩心碎块可随孔内高压水而冲出。如此则无须起大钻，可以大大提高工作效率。那么究竟多大尺寸的岩心在多大的孔内压力作用下才能自动排出呢？如何调整和控制参数来实现不起钻而获得岩心的目的呢？

2 孔内岩心的受力分析

分析岩心在孔底的受力情况，则可以定性、定量的分析出能随孔内水自动排出的岩心尺寸大小。根据水银洞钻孔岩心的实际形状，将岩心分为完整柱状(如图1b中的1号结构)和破碎状(如图1b中的2～5号结构)两类。以倾角(注：倾角与钻孔的井斜角互余)为α的斜孔为例，假设忽略破碎岩心颗粒间的碰撞作用，岩心受到了自身重力G、孔内涌水的作用力F涌、浮力f浮、钻杆内壁的支撑力F支、钻杆内壁的摩擦力f摩，岩心在钻杆内部不受除上述力以外的力，则岩心在孔内的受力如图1所示。

图1 涌水孔岩心的受力分析Fig.1 Force analysis of core in water kick hole

在沿钻柱方向上：

F涌=P涌S心

(1)

式中：F涌——孔内任意孔深处涌水作用于岩心上的压力；P涌——任意孔深处水压；S心——岩心的受力面积。

f浮=ρ水V心g

(2)

式中：f浮——岩心所受浮力；ρ水——矿层水密度；V心——岩心的体积；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——岩心所受钻杆内壁的摩擦力；μ——摩擦系数；G——岩心自身重力；α——钻孔倾角；ρ心——岩心密度。

当岩心在钻杆内任意处受力平衡时，则有：

Gsinα+f摩=F涌+f浮sinα

(5)

将式(1)～(4)代入式(5)中：

P涌S心=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)V心g

(6)

若岩心是长度为h、半径为r的柱状时(见图1a)，则有：

V心=πr2h

(7)

P涌=(ρ心-ρ水)(sinα+μcosα)gh

(8)

若岩心破碎时，将其看作等效半径为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，钻遇涌水孔时，孔底岩心能否从钻杆内冲出，关键在于孔底涌水压力和岩心的长度或者等效半径间的关系。因此，本文提出用岩心上升系数ξ来表达上述参数间的关系。

3 岩心上升系数ξ的定义

定义ξ为岩心上升系数，其物理意义为：在孔底水压和浮力的作用下，岩心克服重力和与钻杆内壁摩擦力而自动上升的能力。完整岩心和破碎岩心的ξ表达式分别为式(11)和式(12)。

(11)

(12)

在实际施工中能够基于钻孔的基本信息，计算出岩心上升系数的大小，从而判别孔底岩心能否随孔内涌水自动冲出。当ξ≥1时，理论上孔底岩心可以随孔口涌出水从上余钻杆内冲出，ξ值越大，岩心越容易冲出；当ξ<1时，孔底岩心则不能冲出，只能依靠起大钻取出。

对于某一确定了的钻孔，其倾角α为固定值，若认为ρ心、ρ水、μ和g不变，则根据式(11)和式(12)可以定性判断：当孔内水压一定时，岩心的尺寸越小，ξ值就越大，则岩心越容易被水冲出；当岩心的尺寸一定时，孔底水压越大，ξ值就越大，则岩心越容易被水冲出。

4 分析与讨论

4.1 P涌的计算和取值分析

在孔底水源充沛条件下，孔底压力P为孔口水压与液柱压力之和，基本保持不变；是任意孔深处作用于岩心上的压力，随孔深的变化而变化。P涌可以通过式(13)计算得出。

P涌=ρ水gHsinα+P孔口

(13)

式中：H——岩心所在处的孔深；P孔口——孔口水压。

由式(13)可判断出P涌随孔深的变浅而降低，而相应的ξ值随着孔深变浅而减小。因此，若使岩心能够顺利地被水冲出，当P涌取孔口处压力时，计算出的ξ最为保险。

基于式(11)、(12)，讨论α、P涌、h与ξ间的关系，计算所用的相关参数为：水密度ρ水=1.0 g/cm3；重力加速度g=9.8 N/kg；岩心密度ρ心=2.5 g/cm3；摩擦系数μ=0.2。

4.2 α与ξ的关系讨论

基于水银洞金矿坑道钻孔的统计信息，KZK4908S水文孔孔口水压为0.28 MPa，KZK5928S水文孔孔口水压为0.68 MPa，其他钻孔孔口水压基本在此二者范围内，取P涌=0.28 MPa，岩心长度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了钻孔倾角α与岩心上升系数ξ的关系曲线(如图2所示)。

图2 不同岩心长度时钻孔倾角与岩心上升系数关系曲线Fig.2 Drill hole inclination vs core-uplift-coefficient curves at different core lengths

从图2中可以看出：在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随着倾角α的增大而增大，随后出现下降趋势；85°≥α≥70°时，相同长度的岩心上升系数ξ几乎没有太大的差异；在相同钻孔倾角α时，岩心上升系数ξ随岩心长度h的减短而增大，而在大倾角范围时，这种增大的程度更加明显；当岩心长度在0.3 m以上时，钻孔倾角α对岩心上升系数ξ的影响逐渐降低。从理论计算结果来看，P涌=0.28 MPa时，即便岩心长度为1.0 m、钻孔为水平钻孔(α=0°)，岩心上升系数ξ为3.81，岩心也能在水压作用下从孔口排出。

因此，在岩心长度较短时，钻孔倾角α的大小对岩心上升系数ξ的影响较大，在实际的钻探施工中，对于小倾角钻孔，应尽量控制进尺，在孔底岩心较短时就割心，便于岩心随孔内涌水排出孔口。

4.3 P涌与ξ的关系讨论,

取α=60°，岩心长度h取值0.1、0.3、0.5和1.0 m，做出了孔内涌水压P涌与岩心上升系数ξ的关系曲线(如图3所示)。

图3 不同岩心长度时钻孔水压与岩心上升系数ξ的关系曲线Fig.3 Downhole water pressure vs core-lift-coefficient curves at different core lengths

从图3中可以看出：在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随孔内涌水压P涌的增大而呈线性增大；在相同钻孔倾角α时，岩心上升系数ξ随岩心长度h的减短而增大，在较大孔内涌水压力范围时，这种增大的程度更加明显，而在较小孔内涌水压力范围时，这种增大程度差异较小。从理论计算结果来看，当钻孔倾角α=60°时，即便岩心长度为0.1 m，P涌=0.001 MPa时，岩心上升系数ξ为0.66，岩心不能在水压作用下从孔口排出。

因此，在实际的钻探施工中，对于孔内涌水压P涌较小的钻孔，应尽量控制进尺，降低岩心长度，便于岩心随孔内涌水排出孔口。而对于孔内涌水压P涌较大的钻孔，可以适当的增加岩心长度，提高钻探效率。

4.4 岩心尺寸与ξ的关系讨论

取α=60°，孔内涌水压P涌取值0.1、0.3、0.5和1.0 MPa，做出了岩心长度h与岩心上升系数ξ的关系曲线(如图4所示)。

从图4中可以看出：在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随岩心长度h的增大而急剧降低；在相同岩心长度时，岩心上升系数ξ随孔内涌水压P涌的增大而增大，而在较小岩心尺寸时，这种增大的程度更加明显，在较大岩心长度时，虽然钻孔压力在增加，已不足以对岩心上升系数ξ带来明显的改变。从理论计算结果来看，钻孔倾角α=60°时，即便P涌为0.1MPa，岩心长度为5m时，岩心上升系数ξ为1.31，岩心也能在水压作用下从孔口排出；当P涌为0.3 MPa，岩心长度为17 m时，岩心上升系数ξ为1.16，岩心也能在水压作用下从孔口排出；甚至当P涌为0.7 MPa，岩心长度为46 m时，岩心上升系数ξ为1.00，岩心也能悬浮在孔内。

图4 不同钻孔水压时岩心长度与岩心上升系数ξ的关系曲线Fig.4 Core length and core-lift-coefficient curves under different downhole water pressures

然而，基于实际情况下，孔内岩心和钻屑的级配分布及钻具的特殊设计结构时，岩心并不是规则地、单独地分布于钻杆内部空间中。接下来，将结合实际钻探施工的经验和实例，讨论岩心上升系数ξ的实践意义。

5ξ的实践意义

需要说明的是，前文在讨论孔内岩心受力时，忽略了破碎岩心颗粒间的碰撞作用和岩心间的架桥阻塞钻杆内部空间的情况。而孔底的真实情况较为复杂，对于裂隙、溶洞发育的地层，钻探施工中常遇到孔底垮塌情况，不利于钻进效率的提高。对于某一钻孔，其倾角α为固定值，而孔内水压P为一定范围的数值，唯一能够人为控制的是岩心的尺寸h，因此岩心上升系数ξ可以在理论上指导单个回次的进尺，以便于提高特大涌水钻孔的钻探效率。

5.1 利用ξ提高涌水段钻进效率的案例分析

对于较为完整的地层，可适当控制进尺，及时割心，使整段岩心从孔内排出，减少起大钻次数。由于采用普通钻探工艺时，孔底获取的岩心进入钻杆内部后要经过下扶正器内部的台阶；若岩心较短而未越过台阶，则在岩心上升过程中，容易被台阶所阻，如若操作不当，易造成钻头内“堵死”，则必须起大钻处理[13]。

图5统计分析了水银洞部分涌水坑道钻孔的涌水段的钻速大小，并结合钻探实际经验，总结出了单回次进尺应控制在0.3～1.0 m；孔口水压小时，应相应地减小单回次进尺长度，以0.3 m为宜，可让岩心自动从孔口排出，从而减少起大钻次数，提高钻进效率。例如：(1)KZK5105S钻孔，孔口静水压为0.56 MPa，钻孔倾角为64°，钻孔施工中，涌出的完整岩心最大长度为0.86 m，矿层平均钻速为6.17 m/h；(2)KZK5705钻孔，孔口静水压为0.36 MPa，钻孔倾角为85°，施工中最大涌出岩心长度为0.67 m，矿层平均钻速为6.75 m/h。

图5 水银洞部分涌水钻孔的涌水层钻速统计Fig.5 Drilling speeds in layers along large water kick holes in Shuiyindong Mine

5.2 特殊情况下不能利用ξ的案例分析

当孔底岩石极为破碎和钻屑极多时，若不能及时有效的排出，则岩心碎块和钻屑将在钻杆内形成大小块级配沉降而封堵钻杆内空间，导致岩心排出通道阻塞，需起大钻处理。

例如：(1) KZK5724钻孔，孔口静水压0.60 MPa，钻遇孔底约1 m厚石英晶体段时，由于石英晶体经研磨后呈碎砂状，钻进时未及时提钻排砂，不同尺寸的岩心在钻具内架桥而阻塞，起大钻后在钻杆内沉降了总高度达3.0 m的细砂岩屑；(2) KZK5704钻孔，孔口静水压0.52 MPa，由于钻至矿层后，遇溶洞裂隙，为了获得满足要求的岩心采取率，只能增加单回次最后进尺时的钻压，使碎屑岩心堵满钻头内部空间，使岩心不至于被高压水冲散而无法获取，其矿层平均钻速只有0.45 m/h。

6 结论与认识

本文提出了涌水钻孔岩心上升系数ξ的定义，并深入分析了钻孔倾角、孔内水压和岩心尺寸与岩心上升系数的关系，得出结论如下：

(1)在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随着倾角α的增大而呈先增大后下降趋势。

(2)在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随孔内涌水压P涌的增大而呈线性增大。

(3)在其他条件相同时，岩心上升系数ξ随岩心长度h的增大而急剧降低。

(4)岩心能否随孔内涌水排出的判据为：当ξ≥1时，孔底岩心可以随孔口涌出水从孔内冲出；当ξ<1时，孔底岩心则不能被冲出，需起大钻处理。

实际坑道钻探中，钻遇含水地层给钻探施工带来诸多麻烦与孔内事故隐患[14-15]。本文所述岩心上升系数是基于该矿区多个坑道涌水钻孔施工后总结出来的[16]。钻遇特大涌水坑道取心钻孔时，基于实际钻孔技术参数，计算出涌水段岩心上升系数，可以为提高高压涌水钻孔提供理论指导，具有一定的实践意义。但施工人员应基于地层的实际情况，合理利用岩心上升系数，及时改变钻进参数，判断单回次的进尺大小，才能起到提高钻进效率的目的。