人的血管如遇堵塞,解决方法之一就是采用下入支架确保血管畅通。在地质钻探孔施工过程中,井眼若遇到类似血管堵塞的复杂地层,造成井眼不畅通时,采用的膨胀波纹管护壁技术就是通过将波纹管下入到事故孔段,待其膨胀后便可将事故孔段隔离开,达到类似于血管下入支架的护壁疏通效果,保持井眼畅通。

为了探索地球深部构造、发现地层中岩性特征,常常需要进行地质钻探。简单来说就是在地球表面钻一定深度的孔,并取出岩心进行分析,从而发现地层的秘密。地球表面以下的地层结构千差万别,在地质钻探孔施工过程中,往往需要从破碎地层、溶洞、错层、缩径等复杂地层中穿过,施工的困难程度与事故的发生概率也会随着地层的复杂程度而加大。如果将地质钻探孔比作人身体上的血管,那么复杂地层里的孔段就犹如我们的血管出现了狭窄或堵塞,造成管道不通畅,需要进行及时处理,才能解决问题。我国钻探孔每年因地质不稳定造成了不少事故,且弃孔案例比比皆是,造成了钻探工作的巨大浪费。采用什么方法将有问题的钻孔段进行人为隔离,减少孔内事故,挽救濒临弃孔边缘的井眼,是摆在所有地质人面前的攻关课题。

借鉴“血管支架”原理,尝试在地质钻探孔内也下入“支架”,发现解决血管堵塞问题和复杂地质钻探孔的处理方式异曲同工：都是在管道（或孔）中下入金属管,通过一定的方法将金属管膨胀起来,支撑血管壁（或孔壁）,从而将有问题的管道隔离起来,确保血液畅通（钻孔畅通）。

地质钻探孔“下入支架”的工艺方法,称为“小口径膨胀波纹管护壁技术”。

在钻孔中“下入支架”这项技术最早由俄罗斯的一家石油公司在20世纪70年代提出。自1998年开始,我国的中国石油、中国石化等单位也相继开展了大口径膨胀管护壁的研究工作,但其应用的钻孔规格普遍偏大,直径均在216~311毫米之间。可是地质勘探孔相对于石油钻探孔而言,需要更为细小、精确的孔洞,一般来说其终孔直径仅在76~96 毫米之间,若将石油钻井的井眼直径比作“动脉血管”,那么地质钻探孔则可谓“毛细血管”。在小口径地质钻探孔中进行下入支架的护壁操作便犹如“在毛细血管中下入支架”,难度非常大。从可查阅的资料来看,我国是目前全世界唯一成功应用这项技术的国家,这也使得我国的地质钻探事故处理技术处于世界领先水平。

在地下数千米的小口径钻探孔中下入支架,会遇到哪些难题?是如何解决的呢?这项技术是否走出实验室进行了应用,应用情况如何呢?

我们还是先以血管支架手术材料来类比。

下入血管的支架材料是指一种双层的类似于神经支架材料,外层必须为内层的细胞生长提供一定的支撑强度、抗拉强度,并具有一定的韧性。但不同于神经支架材料的是血管支架材料内层为一种与血液相容性很好的生物活性材料,同时还是具有抗凝血和抗溶血作用的经过表面修饰的可降解材料。

万事开头难,如何寻找适合制作护壁支架性能的管材是首要难题,这种管材的材料需要具有高度可塑性,即成型容易,但也要有足够的变形硬度。

通过千百次的支架材料选型和实验,科研人员最后确定以材质代号为KP02的管材作为支架材料。这种材料通过特殊处理,可以进行多次冷加工而不会产生缺陷,可塑性非常好,同时具有在变形后强度增加的性能,即“越膨胀越硬”,这一举解决了支架的第一道难题。

地质钻探孔下入支架的过程中,因为要避免岩石碎块或流沙从缝隙中漏出,需将事故孔段严密隔离开,因此支架不可以是网格状,管壁必须完整且没有破损,这一点与血管支架的网格状有着明显区别。但相同的是,在下入支架的全过程中,下入前支架外形尺寸较小,下入到位后支架则在外力作用下膨胀。如何将钢管加工成与网格管一样可以膨胀形状,并且能满足尺寸要求,是支架项目在选定材料后需要解决的问题。

答案在经过若干次理论计算和实践验证后得出：十瓣波纹管作为地质钻探孔支架形状,即膨胀波纹管。

这种作为地质钻探孔支架的波纹管,首先需要从圆管进行机械成形为十瓣波纹形状,外形尺寸在径向方向缩小,将其下入孔后再进行膨胀,波纹管膨胀至原来圆管尺寸。这种波纹管支架在第一步成型过程很容易出现管壁伤痕,从而在后续的膨胀过程中造成管壁破裂。因此,对成型过程的模具设计和无痕控制技术要求极高。

在血管支架植入的手术中,支架必须与血管紧紧贴合,不能因人体运动或血流速度而使支架移位或者脱落。人体的血管自带弹性,支架植入后将血管壁撑大,血管因其弹性将支架紧紧地抱紧,从而使支架不会移动或者脱落。同样,钻探孔内下入的支架也需要与岩石孔壁紧紧锚固在一起以防脱落。然而孔壁岩石没有弹性,不能将膨胀后的波纹管抱紧,如何避免支架窜动脱落呢?

参考有弹性的血管壁,科研人员准备在实体波纹管与岩石孔壁之间增加可压缩的弹性介质,膨胀管膨胀后压缩弹簧介质,将管体牢牢地固定在孔壁上。

通过分析波纹管的截面形状可知,波纹截面是由10个弧形凹凸组成的,将有弹性的橡胶加工成弧状条形,通过冷硫化的方法将胶条粘在凹槽内,就可解决弹性介质放置问题。

将橡胶条置于凹槽内,橡胶条没有突出于波纹管凸起,在下入钻探孔的过程中,避免了橡胶条与孔壁的刮蹭。波纹支架到位后,在采用液压的方法将波纹管膨胀的同时,橡胶条一起变形受压,最后紧紧贴在孔壁上,橡胶条的弹性可以将波纹管与孔壁牢牢地固定。

在下入血管支架解决血管狭窄或堵塞疾病时,出现问题的血管长度一般较短,正常情况下,一处病灶下入一个血管支架即可。然而,地质钻探事故孔段长度因地质情况不同,短的不超过1米,长的则可达上百米,因此在实际应用过程中,必须解决膨胀管的对接问题,可是如何将截面为异形的波纹形状,壁厚仅为3~4毫米的薄壁管进行安全对接,并且保证对接后的接缝在变形过程中不会破裂,是波纹管护壁技术推广应用的一个重点难点。

由于波纹管截面的不规则性,对膨胀管的对中和连接技术要求非常高,目前采用的刚体对接有焊接和胶粘2种方式。在复杂的地质钻探事故孔段中用胶粘的方式显然不合适,采用焊接是唯一的解决方案。将两个物件焊接后焊缝还需要承受变形压力,这对焊缝质量提出了很高的挑战。科研人员从手工焊条焊、二氧化碳保护焊、氩弧焊等现有的各种焊接方式入手,每种焊接方式采用不同焊材分别进行实验,调整焊接工艺,优化焊接参数,兼顾现场条件,并对试件进行比对。经过大量的室内实验和野外验证,最终选用“定制工艺氩弧焊”彻底解决了小口径膨胀管对接难题。这种工艺焊口强度及韧性甚至超过了管体本身,突破了单根波纹管长度的瓶颈限制,扩大了膨胀波纹管技术在地质钻探事故处理中的适用范围。这也标志着此项技术真正从实验室研究走向了野外实际应用。

地质钻探孔“下入支架”技术经过大量的理论研究和室内试验,目前已经解决了支架的材料、形状、锚固和对接等难题,从实验室走向了“临床应用阶段”,取得了较好的“疗效”,为广大“患者”带来了福音。

2015年至今,膨胀波纹管护壁技术已经在四川、广西、福建、山东和甘肃等8个省份的坍塌、漏失、缩径、斜孔坍塌、掉块等不同事故类型的工地进行了应用,护壁深度从100多米到接近2 000米,“临床实验”选取的对象从“轻症”到“重症”,逐渐在施工过程积累经验,确保每位“患者”得到良好医治,从而使膨胀波纹管护壁技术得以稳步提高。

以广西壮族自治区地球物理勘查院承担施工的广西南丹马鞍山孔明银铅锌矿区ZK703孔为例,该孔在裸孔段孔径76毫米、孔深1 035米处发生严重孔内坍塌,导致连续5个多月无法正常钻进,面临报废,施工单位也面临着巨大的经济损失。最后施工单位抱着试试看的态度采用膨胀波纹管技术。经过一个多月的奋战,终于将事故孔段彻底隔离,解决了深孔孔壁稳定问题,使该孔得以正常钻进并顺利终孔,终孔孔深1 200.27米。

小口径膨胀波纹管护壁技术与血管下入支架一样,有着起死回生的功效。这项具有自主知识产权技术的成功应用,为我国深部地质找矿战略目标的实现提供了新技术、新工艺和新方法。该项技术可以大大提高深部钻探成功率,减少孔内事故,降低施工成本,缩短施工周期。同时在简化钻孔结构,减少钻孔开次,减少套管及钻具数量方面将会起到决定性作用。这项技术可以大大降低钻探施工成本,产生极高的经济社会效益。

在复杂地层的深井、超深井传统作业中,随着下入套管层数的不断增加,地下孔直径将不断缩小,会妨碍后续进一步作业,等井径钻进技术可有效解决这些问题。等井径钻进技术是建立在膨胀管技术基础上发展起来的先进技术,是指在钻进过程中始终采用同一规格的钻头及钻具,在全井钻进过程中保持同一井眼直径的钻井方法,被钻探界称为钻探行业的“探月工程”。而小口径膨胀波纹管护壁技术的成功应用,不仅使我国的钻探事故处理技术处于世界领先水平,还可使钻探行业中的“探月工程”——等径钻进的成功实施成为可能,为钻井技术带来新一轮的革命。