淺談涌水孔的繩索取心鉆進技術(shù)

呂利強，劉兵

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局第四水文地質(zhì)隊，河北 張家口 075100)

淺談涌水孔的繩索取心鉆進技術(shù)

呂利強，劉兵

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局第四水文地質(zhì)隊，河北 張家口 075100)

鉆探施工經(jīng)常遇到坍塌、掉塊、破碎、漏失等情況，這些問題一般都可以通過調(diào)整鉆井液性能、使用特殊材料封堵等措施有效解決。而涌水則比較難處理，尤其是鉆到 “地下河” 的承壓水時，不但順鉆孔上涌而且沿裂隙徑向流動，堵漏類鉆井液、水泥漿、甚至化學(xué)材料都不能堵住涌水。大口徑全面鉆探可以通過調(diào)整鉆井液比重來平衡鉆進；而小口徑取心特別是繩索取心鉆進，由于工藝的局限性，不能使用固相含量高的大比重鉆井液。套管雖能較好地隔離涌水，但有時涌水層斷斷續(xù)續(xù)綿延幾百米，常常是剛下完管鉆進不了多深又出現(xiàn)涌水，實際施工中卻無法不斷地下管隔離涌水。因此，繩索取心鉆進遇到涌水常常是棄孔。作者在云南省施工的ZK-2鉆孔遇到涌水后，采用注漿、加重鉆井液和下管等多措并舉，取得了較好的效果。

鉆進； 繩索取心；套管；涌水；封堵

1 工程概況

我公司在中國地質(zhì)科學(xué)院組織的“云南江城地區(qū)油鉀兼探鉆探工程”招標(biāo)活動中一舉中標(biāo)。該項目設(shè)計四個鉆孔，編號分別為ZK-1、ZK-2、ZK-3和ZK-4，井型為垂直井，全孔取心，要求巖礦心直徑不小于60mm，最小井徑96mm；采取率要求為含鹽段95%以上，非含鹽段80%～90%。主要目標(biāo)任務(wù)是：通過取心鉆進，獲取“中、新生代”含鹽建造完整的地層序列，建立一個可供找鉀參照的“標(biāo)桿地層柱”；利用對全套巖心的綜合配套測試分析，獲取成鹽成鉀物質(zhì)基礎(chǔ)和來源等準(zhǔn)確可靠的第一性地質(zhì)、地球化學(xué)信息，提供海相-海陸交互相成鹽盆地成鉀的理論參數(shù)，提煉成鹽聚鉀的地質(zhì)模型；通過獲取鹽下層可能的油氣基礎(chǔ)地質(zhì)資料，為鹽下層可能的油氣勘探部署提供科學(xué)依據(jù)，做到“一孔多用，鉀油兼探”；通過鉆探所揭露地層，進一步分析驗證構(gòu)造模擬及物探測試結(jié)果。

ZK-2井位于云南省普洱市江城縣寶藏鄉(xiāng)西南約10公里，該孔設(shè)計孔深1000m，我們配備了HXY-5型鉆機，BW250型泥漿泵。為有效保護鹽層，選用飽和氯化鎂鉆井液體系；φ168表層套管下到了33m。

2 第一層涌水

使用“φ95+1金剛石取心鉆頭+φ89巖心管(帶擴孔器)+φ89繩索鉆具” 組合, 鉆井液比重為1.10，黏度為28s,鉆進到98m時鉆井液消耗嚴(yán)重，鉆具靜止時鉆孔涌水，一小時后返出的全是清水，涌水量達1.70m3/h,井口壓力為0.20MPa。

分析：鉆具旋轉(zhuǎn)的同時帶動鉆井液旋轉(zhuǎn)，離心力對井壁的側(cè)壓力較大，致鉆井液壓力大于地層壓力，造成鉆井液漏失。加大鉆井液比重到1.50時，可平衡地層壓力，但無法正常鉆進：固相在內(nèi)外管間堵塞，泵壓太高；鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，內(nèi)管上下通行困難。

鉆進中由于地層水的侵?jǐn)_，鉆井液時多時少，我們就用鈉土、纖維素、護壁劑等不斷調(diào)漿，補充黏度和比重更大的新漿，致使鉆井液性能不穩(wěn)定，攜粉能力差， 孔底有沉沙，而且孔壁很不穩(wěn)定，有掉塊現(xiàn)象，每次打撈內(nèi)管前都需要把鉆具提起20m。

鉆進到110m后涌水量不再增大，由此判定98～110m段有裂隙。

2.1 水泥封固

(1)強行鉆進到120m后，用P.042.5水泥封堵：從井口注水泥漿0.5m3,加3%工業(yè)鹽，替漿0.30m3,替漿壓力3MPa，停泵后壓力瞬間恢復(fù)至零。候凝24小時后探水泥面在35m，掃到孔底后，涌水1.20m3/h，略有減小。取出的水泥石上部完整、致密，接近底部時有水槽樣孔洞。

分析：井口密封不嚴(yán)、替漿量小、鉆桿和套管內(nèi)余留的水泥漿多，擠進裂隙的有效水泥漿太少致下部水竄。

(2)總結(jié)上次注漿的經(jīng)驗，實施二次注漿作業(yè)：水泥漿1m3, 加3%工業(yè)鹽，替漿0.45m3,憋壓2.5MPa，停泵后壓力瞬間恢復(fù)至零。候凝24小時后探水泥面在35m，掃到孔底后，涌水量仍然是1.20m3/h。

分析：泥漿泵能力小，排量小，注漿和替漿時混漿多。

(3)第三次注漿：先注隔離油塞子(25kg水泥加50kg柴油)，作為前置液，再注水泥漿1m3,比重由小到大，最后替水0.60m3，壓力忽高忽低，管內(nèi)余留20m水泥漿。

候凝后，水泥面還在35m。掃到孔底后，涌水不減。

2.2 頂涌鉆進

注漿后涌水都穩(wěn)定在1.20m3/h不再減小，可見下部水層的活動能力很強，很難徹底封堵，繼續(xù)注漿已無意義。只有穿過含水層或不能繼續(xù)頂涌鉆進時，再下套管隔離涌水。

由于含水層太淺，我們把鉆井液比重調(diào)至 1.50，黏度160s，才能把涌水壓制住，但這么高的參數(shù)根本無法繩索取心鉆進。

只得把鉆井液性能調(diào)整到正常參數(shù)，鉆進中一邊排漿一邊補充新漿。鉆進到220m時，涌水增大到3.60m3/h，井口靜壓0.80MPa。鉆進到234m時，孔底巖粉太多，加不上尺，用撈砂筒撈砂強行鉆進到241m，而且上部還掉塊，已無法繼續(xù)鉆進，決定下管。

分析：① 以上多次封堵，雖然在水泥漿量、替漿量、注漿工藝等方面都做了不同的嘗試，但套管內(nèi)水泥面每次都定格在35m左右，說明鉆孔上部(包括地層)密封不嚴(yán)，有漏/涌層，雖能憋壓但保持不住，停泵后地層涌水把水泥漿往回頂，待水泥漿被頂?shù)?5m時，井內(nèi)液柱壓力與地層壓力平衡，穩(wěn)定在此處靜止、凝固；② 涌水層為地下河類，水流活躍，水泥漿不能在裂隙內(nèi)凝固；③ 地層多處“漏氣”，接近地表有涌水層，致使泥漿雖已加重但液柱壓力很小，不能很好地將涌水壓制。涌水層越接近地面越難實現(xiàn)平衡鉆進。

2.3 下管隔水

為了把涌水壓住，便于調(diào)漿擴孔，再次從井口注水泥漿0.50m3，替漿1m3，候凝后探孔水泥柱面仍在35m。

由于繩索鉆具壁薄而且剛性強，脆性大，難以承受大扭矩，只能逐級擴大孔徑。

首先擴到φ133mm，鉆具組合：

φ133 PDC全面鉆頭+φ89石油鉆桿×38m+φ89繩索鉆桿+φ59立軸，分別在距鉆頭9m和18m的φ89石油鉆桿接頭上焊肋骨條作扶正器。

用重晶石粉、優(yōu)質(zhì)鈉土、纖維素、護壁劑等把鉆井液調(diào)到黏度70s，比重1.50。循環(huán)暢通后比重降到1.41。鉆進一天后涌水達到1.50 m3/h，泥漿基本成清水。

擴到241m后，換φ152牙輪擴孔。到230m時，巖粉多加不上尺，換用φ114管撈砂到235m，撈不下去：底部有大塊。換φ152牙輪繼續(xù)擴孔到底后，用φ96鉆頭+φ89巖心管單管取心：鉆進1.80m，只拿出幾塊泥包礫和硬塊。經(jīng)研究：泥包礫屬泥巖，是隔水層，可以下管。再次撈巖粉清孔后用20m長的φ133管試下順利。

第一根套管上焊φ6mm×250mm鋼筋4根呈螺旋狀以把套管扶正居中，然后每隔30m焊一組；套管平底不做馬蹄；套管絲扣纏生料帶密封；底部50m套管絲扣點焊，以防倒扣。

套管下深238m，距孔底3m遇阻，經(jīng)活動無效。隨后，注水泥漿3t(約3.2m3)，替漿2.4m3，整個過程泥漿泵無壓力顯示。井口返水約0.20m3/h，憋壓10 h打開井口，微冒水，管外微量返水。

分析：水泥漿跑到了218m處的裂隙中和套管外上部的孔隙。

用PDC鉆頭掃水泥，掃到套管底腳時換φ95+2金剛石鉆頭繩索鉆進。出套管后仍然涌水但涌水量很小0.4m3/h，不影響繩索取心正常鉆進。

3 第二層涌水

下管后鉆進中又遇到了涌水：252m時，涌水達到1.6m3/h，鉆進中邊排水邊造漿；285m時，涌水達到3m3/h，地層為完整泥巖，沉砂1m。

分析：① 套管外水泥環(huán)被震松，上下地層裂隙竄通；② 下部地層又涌水。

289m時，從井口直接順套管注漿2.5噸，壓力2～4MPa，替漿2.2 m3，最高壓力達到7MPa，后不斷補水憋壓一小時。

然后，從井口往管外注水泥漿0.4m3，壓力達到3MPa。管外涌水徹底封堵住。

掃孔時從10多米就開始磕磕絆絆：套管內(nèi)壁掛有水泥漿，230～310m段全是水泥柱，310m以下放空：①310m處有掉塊等架橋；② 下部無涌水裂隙，泥漿托住水泥漿；③ 下部涌水壓力大，托住水泥漿不能下行。

后繩索取心正常鉆進時涌水0.5m3/h，打撈內(nèi)管時1～1.5m3/h，井口靜壓力0.7MPa。

在336m處取出的巖心特別破碎，每回次只能鉆進0.5～1.5m就堵心，采取率只有20%，巖性為米粒狀白色砂粒。起鉆后井口涌水3m3/h，1MPa。

鉆進到358m時孔底沉砂15m，無法鉆進。調(diào)配鉆井液比重達到1.17，壓住涌水，用φ96刮刀清理孔底沉砂。

綜合分析：涌水裂隙主要集中在310～330m段，涌水造成坍塌、砂卡，已無法正常鉆進，決定注漿封堵：

管柱組合：φ50鉆桿×100m+φ89繩索鉆桿×238m=338m。

先用比重為1.19的泥漿壓住涌水，下鉆到338m注水泥漿1.2m3，替漿0.7m3。后往井內(nèi)注泥漿0.12m3才滿，密封井口后頂替0.2m3泥漿，泵壓2MPa，停泵壓力就歸0。

用φ113mmPDC全面鉆頭掃水泥柱。用φ96復(fù)合片鉆進到482m。鉆井液比重1.15～1.19，黏度25s，鉆進中涌水1m3/h。鉆桿接頭磨損嚴(yán)重，第一個復(fù)合片鉆進60m，外徑磨損嚴(yán)重，新鉆頭掃孔50多米。每次換鉆頭都要掃孔幾十米，而且，下鉆過程必須分段循環(huán)，一次下多了泵壓高不能建立循環(huán)。

從476m時取心為泥巖，進尺慢，1m/2h，泥漿比重1.18，黏度32s。BW250泵排量小，鉆頭常泥包。

鉆到582m時起鉆，換鉆頭。新鉆頭在部分孔段下不去，到500m開泵困難。下鉆時井口所返已全是清水，但鉆孔涌水層以下一定深度泥漿稠，鉆桿內(nèi)也是上稀下稠，致使泵壓達到5MPa仍然不能建立循環(huán)，只得起出幾柱先開泵循環(huán)。

鉆進到710m，已進泥巖134m，分析涌水層已過，且泥巖隔水性好，于是測井、擴孔、下管。

擴孔鉆具組合：φ100×300mm導(dǎo)向+φ116金剛石擴孔鉆頭+φ89繩索鉆桿×9m+φ115扶正器+φ89繩索鉆桿×9m+φ115扶正器+φ89繩索鉆桿。擴到710m，接22mφ108套管試下順利，正式下管。

管串：木引鞋+套管(小馬蹄，防下部鉆進起鉆時鉆具掛套管腳)，套管規(guī)格為φ108×4.5mm，寶鋼DZ40，節(jié)箍：φ108×5.5mm，內(nèi)徑由φ97mm擴大到φ98mm，便于φ95+1金剛石鉆頭和擴孔器通行。

套管下到孔底后，管外返水，管內(nèi)靜止。后在孔口憋壓5MPa，不能建立循環(huán)。下φ95+1繩索組合鉆具，掃除木引鞋，清除孔底沉砂，管外返水，管內(nèi)返水極少，在孔口能建立循環(huán)。下鉆：φ50鉆桿×45m+φ89繩索鉆桿，到630m，密封井口，注水泥漿1m3，替漿3.1m3，水泥隨涌水返出井口。隨即起鉆，起鉆過程不斷往套管內(nèi)注漿，鉆具起出后，管內(nèi)仍少量返水，后密封管口。

分析：替漿后應(yīng)憋壓4h再打開井口，效果更好。

處理井口：把φ168井口管和φ108技術(shù)套管之間的返水引流出去(不進泥漿池)，鉆井液在泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽和φ108套管組合成的循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，與涌水隔離，不被破壞。

4 施工效果

憋壓72小時后再次打開井口，管內(nèi)涌水很少，掃除固井水泥柱后，涌水量沒有增大。下部鉆進中全孔替換成飽和氯化鎂鉆井液體系，涌水沒有對鉆井液造成破壞，繩索取心可以正常鉆進。平均日進尺20m，半月后鉆進到1000m，順利終孔。

測井時發(fā)現(xiàn)套管外的水泥很少，零零散散。說明涌水返回井內(nèi)時把水泥漿沖散。

5 幾點體會

5.1 鉆孔涌水有兩種情況

一是溶洞承壓水，鉆開的是“湖水”，只順著鉆孔往上涌，在地下沒有徑向流動。

二是流動承壓水，鉆開的是地下河，不但順鉆孔上涌而且沿裂隙徑向流動。這種情況往往很難徹底封堵，即使用大比重泥漿壓住涌水，不開泵循環(huán)，地下河水的徑向流動也能把大比重泥漿置換、稀釋，井口很快又會上返清水。

5.2 處理方法

溶洞承壓水：①首先要調(diào)整泥漿性能，用加重泥漿壓住涌水，甚至形成過平衡狀態(tài)把地層壓漏，在泥漿中加入堵漏類材料，循環(huán)幾個小時即可堵??；② 密封井口直接灌注水泥漿，按水泥5%的量加鹽，盡可能多地往裂隙中灌注；③ 先用加重泥漿壓住涌水后，把鉆具下到涌水層上，注入前置液，然后灌注水泥漿，也能把涌水封堵。

這種情況相對比較容易封堵。

流動承壓水：水泥漿封堵后，即使井口不返水，靠近底部的水泥柱也會被流水沖蝕成孔洞。鉆開水泥柱后，涌水量減小，但鉆進過程中，涌水通道很快又被打開，涌水恢復(fù)。析：地下河水把進入裂隙的水泥漿稀釋、沖走，使其不能深入裂隙膠結(jié)、封堵，只能在裂隙口即孔壁把裂隙堵塞。這種情況，用套管隔離、導(dǎo)水、封堵最有效。

5.3 實際操作

5.3.1 注漿

根據(jù)情況可選擇使用高標(biāo)號水泥、添加劑等，無論使用什么材料，都要在現(xiàn)場做配伍試驗，特別是下鉆具注漿，嚴(yán)防把鉆具固結(jié)；注漿方式可選擇從井口、下鉆具密封井口、用加重泥漿壓制涌水后從裂隙上部注漿等方法。

水泥漿把涌水永久性封堵的可能性很小，但注漿后往往能減小涌水，可強行鉆進一段。

5.3.2 下管

下管往往也不能把涌水堵住，而是隔離、引流，使其不與鉆井液混合。

下管深度：云南地層很復(fù)雜，分層不明顯，涌水層連續(xù)不斷，往往下管鉆進不久又涌，很難不斷地下管隔離。這就需要采取頂涌、造漿、水泥封堵等措施強行盡可能多地鉆進；管腳超過涌水層越深越好，至少100m以上，理論上涌水從管外上返的阻力要小于繞到管底再從管內(nèi)上返的阻力，但實際上管內(nèi)往往還會有少量返水。例如：ZK-2井最下部的涌水層在430m，孔徑為φ116，φ108套管下到710m，管內(nèi)還是有少量涌水。

管徑：套管和孔壁環(huán)狀間隙越大越好，確保導(dǎo)水通道暢通、導(dǎo)水阻力最小。

5.3.3 固井

遇到流動的涌水，即使下管也不能保證把涌水封住。下管后一定要固井，水泥漿返到管外超過涌水層后即被稀釋并帶出地面，即使進入裂隙也被流水沖走，致使套管底腳也很難徹底密封。遇到這種情況千萬不可從井口往管外壓注水泥，以免把導(dǎo)水通道堵塞，迫使涌水返入管內(nèi)。例如：我們施工ZK-1井時，涌水層在590～624m和656～657.50m

兩處，井徑φ122mm，井深732m，φ114mm套管下深680m。由于φ114mm套管加裝了橡膠傘與φ168mm井口管密封、配合，套管底腳沒有封固，致使涌水從管內(nèi)返出，后采用多種方法多次封堵均無效，最終無奈棄孔。

下管后封孔時，下鉆具密封井口或直接密封井口注漿。注漿后憋壓至水泥初凝后再打開井口。以防涌水回流把水泥稀釋沖散。

5.4 其他

(1)加重鉆井液不適宜于繩索取心鉆進。繩索取心工藝鉆孔與鉆具的間隙只有2～3mm,內(nèi)外管間隙只有1.5～2mm，卡簧座與鉆頭的內(nèi)臺階間隙只有3～5mm；要求使用無固相或低固相鉆井液。鉆井液加重后，固相含量增多，鉆具內(nèi)壁結(jié)垢影響過水，泵壓升高，甚至不能建立循環(huán)；鉆具內(nèi)壁結(jié)垢后內(nèi)管不能順利提拉、下放；上下鉆具和打撈內(nèi)管時，鉆具相對于井筒、內(nèi)管相對于鉆具如同活塞形成抽吸，裂隙水很快涌出稀釋鉆井液，破壞泥漿性能，導(dǎo)致孔壁坍塌、孔底沉沙增多等情況。

(2)涌水對井內(nèi)鉆井液的影響。并非只有涌水層以上的泥漿被稀釋：理論上停泵后，涌水層以下的泥漿不會被稀釋，實際上涌水層以下相當(dāng)長的一段距離泥漿還會被稀釋。

(3)平衡鉆進。涌水距離地表越近越難處理，因為即使加重泥漿，由于液柱短，有效壓力低，很難實現(xiàn)平衡鉆進。

(4)加強對施工細(xì)節(jié)的認(rèn)識和操控。在水泥的型號、添加劑的種類、灌注方式和候凝時間等方面都要合理安排，而且每次注漿都要在現(xiàn)場用實際材料做配伍試驗。

總之，鉆孔涌水情況很復(fù)雜，實際施工中要結(jié)合具體情況，采取相應(yīng)的施工工藝，精心組織，認(rèn)真執(zhí)行，把鉆探這個 “粗活”做細(xì)，就能取得良好效果。

[1] 吳棣華. 關(guān)于深孔巖心鉆探若干情況和看法[J].地質(zhì)與勘探，1980(2):6-11.

[2] 孫丙倫，陳師遜，陶士先. 復(fù)雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術(shù)探討與實踐[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008(5):31-34.

[3] 王扶志，張志強，宋小軍.地質(zhì)工程鉆探工藝與技術(shù)，長沙:中南大學(xué)出版社，2008.

2015-07-28

呂利強(1976-)，男，河北武安人，高級工程師，從事水文水井、地?zé)峋?、鹽井、大口徑工程井、小口徑取心井等鉆探技術(shù)的施工和管理工作，現(xiàn)任中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局第四水文地質(zhì)隊鉆探副總工程師，Tel：15127068799；劉兵(1967-)，男，1990年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院探礦工程系探礦工程專業(yè)，現(xiàn)在內(nèi)蒙古地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院工作，Tel：15102670913。

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1009-282X(2015)05-0032-04