磁三54-5孔鉆進方法與沖洗液的使用

孫貴生

（河北省煤田水文地質(zhì)隊，河北邯鄲056201）

磁三54-5孔鉆進方法與沖洗液的使用

孫貴生*

（河北省煤田水文地質(zhì)隊，河北邯鄲056201）

重點介紹了54-5施工中，針對本區(qū)特殊的地層條件，采用不同鉆進方法和技術(shù)措施等情況。對易斜地層采用的防斜工藝措施得當，根據(jù)地層特點所使用的沖洗液效果明顯，采用頂漏鉆進解決本區(qū)漏失造成的影響，減少了輔助時間，為快速揭露覆蓋層提供了方法，對沿用鉆探方法進行局部上的改進，使鉆進方法更具有針對性，通過采取有效的措施，及時解決了施工中存在的難題，提高了鉆進效率，從而取得了很好的經(jīng)濟效果。為今后在該勘探區(qū)施工提供寶貴經(jīng)驗。

鉆進效率；技術(shù)措施；鉆井液；防斜；頂漏鉆進

1 概述

磁三54-5孔是峰峰集團小屯礦后備區(qū)項目，本次地質(zhì)勘查共布設(shè)勘查鉆孔8個，設(shè)計鉆探工程量10550.00m。本區(qū)位于峰峰集團小屯煤礦的深部，是小屯礦井的自然延伸，目的為了進一步詳細查明磁西三號勘查區(qū)的煤層賦存情況和構(gòu)造發(fā)育程度，為礦井建設(shè)可行性研究和礦井初步設(shè)計提供地質(zhì)資料。

1.1 鉆孔質(zhì)量要求

1.1.1 巖芯采取

本次設(shè)計的鉆孔為非煤系地層分段取芯（在地層分界線、破碎帶、標志層）鉆進，煤系地層全取芯鉆進。

1.1.2 所有的巖層取芯層段巖芯采取率要求

非煤系地層巖芯采取率≥50%（甲級），煤系地層巖芯采取率≥60%（甲級），破碎帶及軟弱夾層巖芯采取率≥40%（甲級）。

1.1.3 煤芯采取

凡穿見的煤層厚度大于或等于臨界可采厚度（0.60m）的所有煤層均要求取芯化驗，要求所有參加驗收評級的煤層質(zhì)量優(yōu)質(zhì)、合格率達到100%。其中：優(yōu)質(zhì)點的煤芯長度采取率≥90%，重量采取率≥75%；合格點的煤芯長度采取率≥75%，重量采取率≥60%。

1.2 鉆孔施工遇到的巖層

本鉆孔揭露地層自老至新：①太原組：該組由黑色、深灰色砂質(zhì)泥巖和灰色砂巖、深灰色石灰?guī)r和煤層組成，本孔揭露厚度44.71m。②二疊系山西組:以灰色中、細粒砂巖、深灰色粉砂巖夾黑色砂質(zhì)泥巖為主，中夾1～3層煤，其中可采1層，即本區(qū)主采煤層2號煤,厚度74.55m。③下石盒子組：由灰和帶紫色花斑的粉砂巖及淺灰色鋁質(zhì)泥巖、灰白色及淺灰色砂巖組成，厚度56.20m。④上石盒子組:本組分為4段，主要由灰、紫灰色粉砂巖和淺灰、灰白色砂巖組成，厚度539.05m，硬度4～6級。⑤石千峰組分2段：主要由綠灰色的中細粒砂巖與紫紅色的粉砂巖或砂質(zhì)泥巖組成，二段小型交錯層理及波紋較發(fā)育。該層厚度220.30m，硬度5～6級。⑥三疊系劉家溝組：為暗紫、淺紫紅色薄—厚層細砂巖、砂巖及少量粉砂巖，砂巖具大型楔狀交錯層理，厚度584.70m，硬度6～7級。⑦和尚溝組：為暗紅色泥鈣質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖與紫紅色粉砂巖、砂巖互層組成，厚度25.45m。⑧新生界第四系：為黃色、棕紅色粘土，厚度20,20m。

1.3 施工日期

54-5孔設(shè)計深度1550m，自2013年5月12日開孔，于2013年8月13日終孔，除去中間非作業(yè)等時間7d，實際工期87d，根據(jù)地質(zhì)、測井實際終孔深度1565.16m，終孔直徑?94mm,驗收質(zhì)量甲級孔。

2 鉆探施工中的難點

（1）礦藏巨厚覆蓋層的快速揭露是提高鉆探效率、節(jié)約成本的問題之一。

（2）劉家溝組、石千峰二段地層層理發(fā)育，屬于易斜地層，傾角約30°，鉆進極易發(fā)生孔斜，以往施工的鉆孔不同程度發(fā)生孔斜，給施工增加了難度。

（3）該孔418～423m、508～514m段漏失嚴重基本不返漿；598～640m段全部漏失，孔口不返漿。

（4）煤系地層泥巖、碳質(zhì)泥巖，松散破碎、水敏性強，遇水易削落、坍塌、掉塊。

（5）施工工期要求120d是普法鉆進深孔的難點。

3 使用設(shè)備和鉆孔結(jié)構(gòu)

3.1 設(shè)備

施工設(shè)備的選擇依據(jù)施工的目的、地層情況和現(xiàn)有設(shè)備的狀況，選擇較先進的施工裝備。見表1。

表1 現(xiàn)場配備設(shè)備

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

一開?168mm直徑開孔鉆至基巖下入?140mm套管，二開換?113mm徑鉆至370m，三開換?94mm徑鉆至終孔。

4 鉆進方法與技術(shù)措施

對于不同的地層特點采用相適應(yīng)鉆探工藝。

4.1 新生界第四系

第四系厚度20.20m，因此采用?168mm硬質(zhì)合金鉆頭快速穿過，然后下入?168mm井口管及?140mm套管。轉(zhuǎn)速：171r/min；鉆壓：5000N；沖洗液流量：160L/min。

（1）開孔前必須對安裝質(zhì)量檢查。鉆塔天輪、提引器、立軸及鉆孔中心必須在一條鉛垂線上，鉆機安裝周正、水平、堅固。

（2）加壓全部使用?105mm鉆鋌。

（3）孔口管必須加固、扶正，用水泥封閉、搗實，再用鐵管固定。防止套管松動。

（4）沖洗液采用現(xiàn)場挖泥漿坑的粘土和清水配制。

4.2 和尚溝組、劉家溝組、石千峰二段

該層段厚度約680m，主要問題是漏失、地層易發(fā)生孔斜、巖石較硬。如何控制孔斜、克服漏失，又能提高鉆進效率，加快進尺速度是施工考慮的主要問題。

4.2.1 充分利用粗徑鉆具防斜和加壓

孔徑與鉆具（主要是粗徑鉆具）之間的間隙是造成鉆具在孔內(nèi)偏斜的重要條件，間隙越大，則鉆具軸心線與鉆孔軸心線的夾角越大，鉆具偏斜也越嚴重。鉆具在孔底鉆進主要是靠粗徑鉆具在孔內(nèi)導(dǎo)正，一般情況下，粗徑鉆具剛性愈好，在孔內(nèi)導(dǎo)正愈好，鉆具軸線與鉆孔軸線愈接近，則孔斜率愈??；如果粗徑鉆具剛性差，而作用力超過極限時，則鉆具發(fā)生彎曲，此時鉆具與鉆孔二軸線形成夾角（軸偏角），于是鉆頭偏斜鉆進而造成鉆孔彎曲，因此粗徑鉆具的剛性愈差，其彎曲越嚴重。依具以上理論第四系下入套管后，采用?113mm孔徑鉆進，充分利用?105mm鉆鋌防斜、控斜，三開?94mm孔徑用?83mm鉆鋌加壓，以達到控制鉆孔彎曲的目的。

4.2.2 增加鉆孔直徑防止孔斜

在一般情況下，僅從防止孔斜出發(fā)，鉆孔直徑以選擇較大一點為宜。因為，一方面大孔徑粗徑鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)時比小孔徑粗徑鉆具穩(wěn)定，不容易改變鉆進方向；另一方面由于其剋取巖石的環(huán)狀鉆進平面較大，對不同可鉆性巖石改變鉆頭方向的問題也能得到一定的控制。該孔二開采用?113mm孔徑鉆進控制孔斜，經(jīng)測井檢驗鉆孔垂直度得到較好的控制。隨著孔深的增加，孔內(nèi)阻力增大和巖石裂隙增加，鉆具產(chǎn)生輕微振動并且鉆頭復(fù)合片有崩刃情況，綜合考慮在370m換?94mm直徑鉆進。換徑處需輕壓、慢轉(zhuǎn)，防止孔斜的發(fā)生。

4.2.3 鉆具組合

（1）?113mm取芯鉆具組合:主動鉆桿+?105mm鉆鋌+?108mm巖芯管+?113mm筒狀鉆頭（因取芯較淺全部采用?105mm鉆鋌）

（2）?113mm無芯鉆具組合：主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（18m）+?105mm鉆鋌（36m）+?113mm無芯內(nèi)凹鉆頭。

（3）?94mm取芯鉆具組合:主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（45m）+?89mm巖芯管（長度6m以上）+?94mm筒狀鉆頭。

（4）?94mm無芯鉆具組合:主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（45m）+?94mm無芯內(nèi)凹鉆頭。

（5）鉆鋌單根之間全部采用鎖接頭形式連接。

4.2.4 鉆頭的選擇

（1）巖石的可鉆性5～7級，因此，全部采用復(fù)合片鉆頭。

（2）取芯采用筒狀鉆頭，避免使用肋骨鉆頭；無芯使用內(nèi)凹型鉆頭，避免使用三翼或錐形刮刀鉆頭。

4.2.5 鉆進參數(shù)

（1）鉆壓：鉆具在孔底工作時，當鉆壓增加到臨界值時，鉆桿柱就失去直線穩(wěn)定的形狀而發(fā)生彎曲，鉆具不再保持原始孔軸線線方向，而對孔壁產(chǎn)生側(cè)壓力作用，因而在鉆進中就會發(fā)生鉆孔彎曲?？紤]地層因素，采用輕壓。鉆壓一般選擇加壓鉆鋌的1/3，5000～8000N。

（2）轉(zhuǎn)速：在一定的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與鉆進效率成正比關(guān)系，這已是多年來理論研究和生產(chǎn)實踐所共同證實的問題，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鉆探設(shè)備、巖石性質(zhì)、鉆具特點以及孔徑、孔深等條件來合理選擇轉(zhuǎn)速。一般情況下，?113mm徑轉(zhuǎn)速為149r/min，?94mm徑轉(zhuǎn)速為171r/min。

（3）泵量：在鉆孔條件允許的情況下，為了更好地冷卻鉆頭、清除孔底巖粉，獲得較高鉆進速度，在不發(fā)生憋泵的前提下，可盡量采用較高的泵量。泵量為170～260L/min。

4.2.6 沖洗液的選用

鉆井液選擇的合理與否將直接影響到鉆孔質(zhì)量、鉆進效率和鉆探成本，對于巖層結(jié)構(gòu)完整、巖性穩(wěn)定的地層，適合采用清水做鉆井液。清水的特點是便宜、粘度小、沖洗孔底時易呈渦流狀態(tài)、沖洗效果好、冷卻能力強、比重低、有較高的機械鉆速。下入套管后使用清水做沖洗液鉆進，隨著孔深的延伸采用清水+聚丙烯酰胺做沖洗液。采用此沖洗液，臺月效率為780m/臺月。

4.2.7 鉆孔檢測孔斜對比

上部地層易斜，為了控制孔斜、保證質(zhì)量，施工中組織2次測井檢查孔斜，檢測結(jié)果見表2。

從檢測結(jié)果來看，54-5孔在同一地區(qū)防斜措施得當，效果較好。

表2 孔斜檢測結(jié)果表

4.2.8 鉆孔漏失

鉆孔漏失是制約提高鉆探效率的主要瓶頸問題之一，處理不當，既浪費時間又增加鉆探成本，影響生產(chǎn)進度。本孔在418～423m、508～514m段漏失嚴重；598～640m段全部漏失，孔口不返漿。根據(jù)以往施工鉆孔和附近鉆孔漏失情況，分析原因?qū)儆诹严堵┦?，考慮地層情況和本孔施工用水比較充足，出現(xiàn)漏失現(xiàn)象后全部采用頂漏鉆進突破。418～423m、508～514m段鉆進時采用清水+聚丙烯酰胺沖洗液，598～640m段鉆進時采用清水+聚丙烯酰胺+鋸末沖洗液。頂漏鉆進必須始終觀察孔底巖粉情況。采用此工藝不但沒有影響鉆探效率，反而因清水頂漏鉆進小時效率高，加快了施工進度。

4.3 石千峰一段、石盒子組

該層段需要解決鉆進效率和護壁問題。

（1）鉆進參數(shù)：采用中轉(zhuǎn)速、中壓力，大泵量的技術(shù)參數(shù)。轉(zhuǎn)速149～171r/min、鉆壓8000～12000N、泵量170～260L/min。

（2）鉆頭的選用：以PDC復(fù)合片鉆頭為主要碎巖工具。泥巖段研磨性小、易糊鉆采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進；粗砂巖段，巖石研磨性大，巖粉顆粒大，采用PDC復(fù)合片鉆頭；在泥巖、粉巖、砂巖互層中鉆進中，為了減少因巖層的變化而頻繁的上下鉆具更換鉆頭時間，使用復(fù)合片鉆頭，從而極大地增加了純鉆進時間，提高了鉆進效率。

（3）鉆具組合：主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌1小根（或?89mm巖芯管）+?94mm鉆頭。?68mm鉆鋌要保證足夠加壓重量。

（4）更換?68mm鉆鋌接手，由原來外徑85mm變?yōu)?8mm,增加鉆具與孔壁環(huán)狀空間，減小泵壓和意外發(fā)生事故便于套掃。

（5）取芯鉆進：巖芯管加長至7～8m，提高回次進尺效率，增加純鉆進時間減少輔助時間；巖芯管壁厚改為6mm，縮小巖芯管上部異徑接頭絲扣尺寸，防止巖芯管脫落事故。

（6）深部鉆進要使用質(zhì)量好的鉆具，連接接箍要定期更換，即磨損到一定程度要提前更換，確保鉆進安全。

（7）沖洗液的使用。沖洗液體系選擇是否合理，將直接影響鉆進效率和孔內(nèi)安全，有針對性地選擇具有抗鹽、抗鈣侵污染的聚合物鉆井液。聚合物鉆井液特點是固相含量低，亞微米粒子比例小，剪切稀釋性好，穩(wěn)定井壁的能力較強，懸浮攜帶鉆屑能力強，洗井效果好。人們通過大量的實驗研究，總結(jié)出鉆井液固相對鉆速的影響，鉆速隨著固相含量高而下降，從研究結(jié)果得出，固相含量每降低1%，鉆速至少可提高10%。采用此沖洗液和以上措施，臺月效率為550m/臺月數(shù)。

沖洗液的配制：膨潤土2%+純堿（Na2CO3）0.3%～0.5%+聚丙烯腈銨鹽（NH4-HPNN）0.2%～0.4%+聚丙烯酸鉀（K-PAM）0.1%～0.2%+聚丙烯酰銨（PHP）0.05%～0.1%+廣普護壁劑(GSP)0.1%～0.15%。

沖洗液的性能：泥漿比重1.02～1.08；粘度18～21s；失水量8～12mL/30min；泥皮厚度0.3～0.6mm；含砂量＜0.4%；pH值8～9。

4.4 煤系地層

煤系地層泥巖、碳質(zhì)泥巖，松散破碎、水敏性強，遇水易剝落、坍塌；煤層易縮徑。應(yīng)增加調(diào)控沖洗液性能，加大聚合物和護壁劑量。增加破碎地層破碎巖塊之間的膠結(jié)力，控制沖洗液濾失水量，形成高質(zhì)量的泥皮。

在煤系地層鉆進中，除采用常規(guī)的單管鉆具鉆進外，在見煤預(yù)告下過后，采用加長雙管取芯鉆具，雙管鉆具內(nèi)外管加長為3m。它既可保證回次進尺，又可保證巖芯的采取。雙管鉆具的鉆頭改為復(fù)合片底噴鉆頭，此鉆頭既能鉆煤又能鉆進巖石，極大地改變了雙管取芯鉆具使用效果。為減少取芯鉆具的拆卸時間，鉆機配2套雙管取芯鉆具，鉆具上來后檢查無問題，立即下入另一套取芯鉆具。

在孔內(nèi)出現(xiàn)縮徑時，采用小一級?73mm巖芯管加?94mm肋骨鉆頭鉆進，增加鉆具與孔壁間隙，保證孔內(nèi)安全。

5 結(jié)論

（1）本孔采用鉆探工藝和措施，提高了進尺速度，保證了鉆孔質(zhì)量，提前完成了工期，鉆效提高了74%。

（2）上部覆蓋層的快速揭露，為本區(qū)以后施工提供了寶貴經(jīng)驗。

（3）對于本區(qū)易斜地層采用的防斜工藝措施得當，有效地控制了孔斜。

（4）采用無固相沖洗液小時效率高，降低了鉆探成本，提高了鉆探效率。

（5）聚合物鉆井液優(yōu)良性能，穩(wěn)定了井壁，提高機械鉆速。

（6）采用頂漏鉆進工藝解決本區(qū)漏失造成的影響，減少輔助時間，提高了臺月效率。

6 建議

（1）本區(qū)以后施工建議使用螺桿鉆具防止、控制孔斜。

（2）建議使用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝，提高鉆進效率和防止孔斜。

[1]李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社，1988.

[2] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營：石油大學(xué)出版社，2001.

[3]陳庭根，等.鉆井工程理論與技術(shù)[M].山東東營：石油大學(xué)出版社，2000.

[4]岳文禮.鉆孔事故預(yù)防處理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1981.

[5]孫貴生，等.唐山宋家營勘探區(qū)施工技術(shù)與工藝[J].中國煤炭地質(zhì)，2013（11）.

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1004-5716(2015)02-0047-04

2014-03-14

孫貴生（1962-），男（漢族），河北大名人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探施工技術(shù)及管理工作。