摘要
孔内膨胀管钻探技术是保障复杂地层孔壁稳定的有效技术之一。本文针对易出现缩径、坍塌、掉块的强水敏性地层，提出了一种自张式膨胀管护壁方法，并根据该方法的护壁原理研制了相适配的新型扩孔钻具、膨胀管及膨胀管投送装置，在不改变钻孔结构的情况下，对复杂孔段进行局部扩孔，投送膨胀管借助自身张力自然弹开而固定在相应的扩孔段，实现钻进时护壁。通过室内及现场试验对机具进行了优化，最终取得了良好的应用效果。试验证明：该方法操作简单可靠、易于定位，相较于水泥浆护壁具有处理速度快、停待时间短、减少重复处理等优势，适用于岩心钻探领域多孔段复杂地层的固壁与护壁，有利于降低孔内事故处理的成本、提高钻进效率，具有较好的推广应用价值。
从近年施工的复杂岩层来看，水敏性地层多次封水泥固壁，在同径状态下透孔时易被扫掉，固壁效果较差，钻孔裸露时间较长，最后造成坍塌，无法继续钻进。钻孔护壁、固壁最有效的办法是下套管，但在深部复杂地层中，为了确保钻孔能钻进到预定深度，在进行套管层次和钻孔结构设计时，多采用多级钻孔结构并预留足够多的套管层次，造成钻进成本急剧增加；如采用下飞管措施，一方面较难控制，另一方面必须改变钻孔结构。
自1998年以来，美国的威德福公司开发出膨胀管技术并成功用于石油钻井中，在2003年前后进入我国石油部门试验使用，发展成为一种能够有效解决油气井钻探和岩心钻探中地层复杂情况的新兴技术，但受套管直径制约，该技术多应用于油气井勘探、井管修复等领域，难以应用到小口径岩心钻探中。
针对强水敏、易坍塌的复杂地层，采用一种能够适用于小口径岩心钻探的孔内膨胀管技术，不改变钻孔结构，下入孔内套管操作简单可靠，不仅节约泥浆等处理费用，也可以大大提高钻进效率，是一种有效的处理此类地层的手段。
自张式膨胀管护壁技术是指采用具有弹性的钢管作为膨胀管，借助膨胀管投入器（内置膨胀管）退出机构将膨胀管定位于扩孔的复杂地层孔段并解除外管约束，膨胀管依靠自身弹性张开实现钻孔护
如
图1 扩孔钻具结构与工作原理
Fig.1 Structure and working principle of reaming drill tool
膨胀管材料为优质碳素结构钢，管径根据膨胀后的外径确定。如
图2 膨胀管材
Fig.2 Expansion tube material
膨胀管投送器结构组成如
图3 自张式膨胀管投入器的3种状态
Fig.3 Three states of the self-expanding tube injector
当装有膨胀性套管的投入器准确下到扩孔部位时，利用冲洗液的能量推动约束膨胀性套管的外管上行，解除约束的膨胀性套管在其自身张力作用下自然弹开而固定在对应的扩孔段。可利用泵压变化来判断膨胀性套管是否弹出，当投入器外管正常退出时，压力从大到小逐渐变化（克服膨胀性套管与外管的摩擦阻力和钻孔深度的背压）。如果膨胀性套管没有弹出，则水泵处于憋泵状态。提钻时利用卸荷阀卸去钻杆内部水柱的背压，防止出现提钻拔活塞现
（1）扩孔：利用泥浆泵输送的高压冲洗液的压力将扩孔刀片推出并借助钻具回转作用进行扩孔。扩孔结束后，冲洗液停止循环，扩孔刀片在弹簧回弹和孔壁挤压作用下缩回。可借助于泵压变化来判定扩孔刀片是否伸出，若扩孔刀片无法伸出，则扩孔钻具内冲洗液将无法排出，导致泥浆泵憋压；若扩孔刀片顺利伸出，则泵压表将显示在一个大致稳定的数值范围（设计在1 MPa左右）。扩孔刀片主材为金刚石复合片，主要考虑在5级以下软岩层扩孔，可将孔径76 mm扩至92 mm。
（2）投入器安装：首先，用特殊方法将自张式膨胀性套管压入外管内，在外管下部连接防坠器。其次，在活塞下部装入Y型密封圈和上下密封圈座，在活塞上部装入压缩弹簧和球阀座，并连接滑杆接头。然后，将滑杆从外管接头中心穿过，滑杆下端与外管接头连接如
图4 滑杆与外管接头
Fig.4 Sliding bar and outer pipe joint
（3）胀管：将钻具下到预定孔深时，接主动钻杆之前将Ø20 mm钢球阀投到钻杆内，然后连接主动钻杆并下到欲胀管的精确位置锁定。开泵观察泵压表变化，泵压从小到大，此时泵压稍降又上升到最大，然后泵压呈波浪状下降到最小，此为投入器工作正常状态。开泵若出现憋泵，中途无泵压下降，则活塞卡死。不论投入器工作是否正常，开泵送水结束后都必须提
（4）提钻：将主动钻杆提到孔口卸开，向钻杆内投入Ø40 mm卸水钢球阀，挂上提引器打开夹持器并用大锤轻轻敲击钻杆，试提孔内钻杆，如果提不动，再轻轻敲击钻杆并用自由钳转动钻杆，一般情况下都可顺利提起钻杆。
（5）投入器的卸开检查：在地面先用清水冲洗外表，然后用自由钳将外管拆卸。如果内管没有排出，也需要将外管拆卸，检查活塞部位是否卡死。
在材料力学上可以把钻孔内膨胀管的横截面看作曲梁受力弯曲问题进行分析：取膨胀管的横截面并建立坐标（如
图5 材料受力状态示意
Fig.5 Schematic diagram of material stress state
因材料力学曲梁弯曲变形公式有：1/ρ=M/EJ（ρ为曲率半径，1/ρ为曲梁弯曲变形后的曲率），所以在此有：（1/r）-（1/r+Δr）=M/EJ，运算后略去高阶变量，有：
| Δr/ | (1) |
如
则Mφ=ps·（s/2）·b=（p/2）·
代入（1）式得：Mφ/EJ=Δr/
故：EΔr
变形后：
| p=EΔr | (2) |
式中：p——钻孔壁对膨胀管的压力，Pa；s——弧长，m；r——钻孔半径，m；E——材料的弹性模量，GPa；J——材料的惯性矩，J=b
在
| pmax=EΔr | (3) |
根据公式：σ=My/J，W=J/y，推出作用在C截面的最大弯曲应力为：σmax=Mmax/W。
所以有：
| σmax=Mmax/W=2pb | (4) |
式中：y——所选截面的纵坐标轴，m；W——材料的抗弯截面模量，W=b
Δr=123/2-95/2=14 mm，h=0.7 mm，E=200 GPa。
代入
pmax=EΔr
代入
σmax=12p
通过理论计算说明：p较小，是个与si
理论分析是为了更好的接近和指导实践及材料的选型，
从以上推导可以得出：
p=EΔr
σ=Mø/W=12p
即外部约束和材料的几何尺寸Δr（半径的前后变形量）、h（所选管材的壁厚）、r（钻孔半径）等因素对p、σ的影响较大（材料的力学性能是在外力作用下产生的）。而φ对p、σ影响与材料的选择没有关系，它仅表达的是内力与所选择坐标的客观状况。如果仅用一个力（最大力或平均力）来表述膨胀管在钻孔中的状态都不如用上述两个表达式更真
综上，如能选择弹性极限σs远大于Q235的弹簧钢材料制造管材，其效果会远高于目前的状态，但其加工或采购的难度都较大。膨胀管制作中，选用材质为Q235的Ø100 mm直缝焊管，壁厚0.7 mm，将管材沿轴向剖开并按Ø90 mm的外径裁去多余部分。
室内膨胀试验采用直径较大的、壁厚为0.7 mm的优质薄壁钢管，将其沿轴向切割一条贯通缝，通过卷管机械将其卷成直径70 mm的周向部分套叠管子，并将该管压入专用膨胀管投送器的外管内进行水压试验（见
图6 膨胀管的制作与安装
Fig.6 Manufacture and installation of expansion casing
试验过程中，两次遇到泵压升高至8 MPa膨胀管未能退出投入器外管的状况，经事后检查，确定是由于在卷制膨胀管过程中，未将管口倒角，造成膨胀管管端顶入水压接头部位而与外管卡
图7 膨胀管管端出现的问题
Fig.7 Problems at the end of expansion pipe
钟山何家大岭铁矿SZK901孔，该钻孔开孔孔径110 mm，下入5 m孔口管，用Ø91 mm口径钻进至35 m，下入Ø89 mm套管，换Ø77 mm金刚石绳索取心钻具进行钻进。钻进至孔深80~85 m时揭露有凝灰质泥岩（见
图8 SZK901孔凝灰质泥岩段的岩心
Fig.8 Cores of the SZK901 hole tuffaceous mudstone
首先，下入扩孔钻具将80.89~84.89 m孔段扩孔至Ø91 mm，扫孔，卸开主动钻杆回水卸压，使扩孔刀具收回，提钻。然后，用钻杆下入膨胀管投入器（内置膨胀管），下入底端位置为84.29 m，开泵弹出膨胀管固定在扩孔段，最大泵压为5.5 MPa，开泵时间2 min。最后，下入该孔段取心钻进钻具组合，钻头直径为76.8 mm，扩孔器直径为77.3 mm，下钻至92 m孔深，未遇到任何障碍，提钻。
下入膨胀管后开始钻进作业，泵压从原先的4~5 MP降至3~4 MP，直到钻进结束，该孔未出现任何异常问题，终孔孔深为438.64 m，本次试验达到了预期的效果。
小包庄矿区位于安徽省庐江县罗河镇罗河铁矿区外围的庐江、枞阳交界处，通过普查钻探揭露，矿区地层特别复杂。该矿区地层主要为粗安岩、角砾岩、凝灰岩和凝灰质粉砂岩等火山岩，这几类岩石都存在强蚀变，特别是凝灰岩，属于强水敏（遇水膨胀）岩层，钻进过程中极易出现垮塌、掉块现象，施工稍不注意，就会产生糊钻、烧钻、埋钻和卡钻等事故。
小包庄矿区SZK801孔，设计孔深为1200 m。钻进施工中在392.3~396.8 m处发现易膨胀、坍塌的凝灰岩，确定在392.5~396.5 m孔段先进行扩孔然后下入膨胀性套管。扩孔前先进行换浆，以免泥沙将扩孔钻具内活塞卡死无法活动，下入扩孔钻具到预定位置后，开泵进行扩孔作业，泵压约为6.0 MPa，扩孔钻进时间约110 min，扩孔长度为4 m。提钻然后下入膨胀管投入器（内置膨胀管），下入底端位置为396.2 m，开泵弹出膨胀管，最大泵压约为5.5 MPa，开泵时间约2 min。为了保证膨胀管固结，下入膨胀管后在该孔段采用水泥封固，一天后进行透孔，随后进行钻进作业，顺利钻进至1210.15 m结束。
小包庄矿区SZK402孔，该孔设计孔深为1000 m。钻孔在415~422 m处遇易膨胀、坍塌的凝灰岩。扩孔孔段为415~422 m，下扩孔钻具至415 m开泵进行扩孔，泵压为3~4.5 MPa，扩孔时间为110 min。分两次下入膨胀管机具，第一次下入至412 m时遇阻，上下活动钻具后通过，下入底端位置为418.2 m，开泵弹出膨胀管至对应扩孔段，最大泵压约为6.0 MPa，开泵时间约3 min。第二次下入膨胀管机具至底端位置421.8 m，开泵弹出膨胀管至对应扩孔段，开泵最大泵压约为5.5 MPa，开泵时间约3 min。为了保证两根膨胀管之间的搭接，下入炮弹钻头至膨胀管部位，缓慢回转至422 m，未遇任何障碍，然后采用水泥封固，第三天下入正常钻进用金刚石钻具。钻头直径为76.8 mm，扩孔器直径为77.3 mm，顺利下钻至孔底钻进，直至1061.21 m终孔。
（1）自张式膨胀管护壁技术作为地质岩心钻探领域钻孔护壁的一种新技术新方法，施工操作简单、可靠、易于定位，适用于多孔段水敏性、易坍塌地层的护壁，可为今后类似钻探工程提供借鉴。
（2）通过试验研究，膨胀管自张性能受制作管材的材质、尺寸、厚度等影响不能充分发挥，影响护壁效果，钢材厂家应进一步做好管材的保障与供给。
（3）进一步加强深孔、超深孔应用研究，扩大使用范围，为深部地质找矿提供关键技术支撑。
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