S95繩索取心鉆進(jìn)工藝在極傾斜地層中的施工應(yīng)用

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質(zhì)二〇四勘探隊(duì)，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

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S95繩索取心鉆進(jìn)工藝在極傾斜地層中的施工應(yīng)用

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質(zhì)二〇四勘探隊(duì)，黑龍江 七臺(tái)河 154600)

本文主要分析了采用S95系列繩索取心鉆進(jìn)工藝在極傾斜地層的施工過程、存在問題、取得的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)等。通過對施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析研究，從而找出了解決問題的辦法，順利完成施工任務(wù)，并吸取經(jīng)驗(yàn)，接受教訓(xùn)，為今后施工奠定了基礎(chǔ)。

繩索取心；鉆進(jìn);傾斜地層；施工

0 引言

二○四勘探隊(duì)開展繩索取心鉆進(jìn)有三十年的歷史，在硬巖地區(qū)、軟巖地區(qū)、軟硬互換地區(qū)、松散巖層都進(jìn)行過鉆探施工，均取得了較好的效果。但是在極傾斜地層中使用繩索取心鉆進(jìn)還是第一次，這也給工程技術(shù)人員和職工提出了一個(gè)新的課題。

1 勘探區(qū)概況

1.1 目的任務(wù)

天榮公司二道嶺礦區(qū)屬高瓦斯礦區(qū)，由于天榮礦區(qū)沒有進(jìn)行瓦斯參數(shù)檢測工作，直接影響瓦斯抽采工作設(shè)計(jì)參數(shù)的選定及瓦斯預(yù)抽效果。同時(shí)，根據(jù)國家瓦斯抽采和利用的相關(guān)政策，為申辦二道嶺礦區(qū)煤層氣采礦權(quán)提供基礎(chǔ)資料。

1.2 位置、范圍與交通

勘查區(qū)位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗古拉本鎮(zhèn)，即內(nèi)蒙古阿拉善二道嶺礦區(qū)東北部，勘查區(qū)總面積為13.33 km2，烏海-巴音一級公路從勘查區(qū)西側(cè)邊沿通過，勘查區(qū)內(nèi)有多條簡易公路與烏-巴公路相通，交通便利。

1.3 自然地理

二道嶺礦區(qū)地處寧夏、內(nèi)蒙古分界的賀蘭山脈主分水嶺西坡，山勢較陡，溝谷較發(fā)育，為典型的山區(qū)地形地貌特征。地勢東高西低，海拔高程1838～2010 m。最高氣溫37.1 ℃，最低氣溫-22.7 ℃，最大凍土深度約為0.8～0.9 m。

1.4 地層

地層區(qū)劃歸屬華北地層區(qū)陜甘寧盆緣分區(qū)，勘查區(qū)區(qū)域地層為該分區(qū)的賀蘭山地層小區(qū)，區(qū)域地層由老到新有：太古界賀蘭山群、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭-二疊系山西組-石盒子組、三疊系中統(tǒng)紙坊組，上統(tǒng)延長群、侏羅系延安組-直羅組-安定組、第四系。

1.5 構(gòu)造與巖漿巖

1.5.1 構(gòu)造

勘查區(qū)主體褶皺構(gòu)造為寬緩的二道嶺向斜，向斜東南翼走向呈北東向，傾向北西，傾角8°～57°，傾角呈深部緩淺部陡、南部緩北部陡之變化。向斜東南翼靠軸部附近及向斜北西翼發(fā)育有次級小褶曲發(fā)育。

1.5.2 巖漿巖

在區(qū)域上巖漿巖總體不發(fā)育的情況下，二道嶺礦區(qū)是受深部隱伏巖體影響的一個(gè)特例。燕山期形成的基性火山巖在東邊緊鄰的汝箕溝礦區(qū)有出露，屬地幔成因的基性巖。二道嶺礦區(qū)及相鄰的汝箕溝礦區(qū)延安組煤層的煤化程度顯著高于鄰區(qū)呼魯斯太、石炭井的山西、太原組煤層，煤種為無煙煤。這種異常表明該煤系(延安組)經(jīng)受了隱伏巖漿體的熱變質(zhì)作用。

1.6 煤層

該井主要設(shè)計(jì)煤層：二1-1煤層、二1-2煤層、二1-3煤層、二2煤層、二3煤層、二4煤層、三煤層、四煤層、五煤層、七1煤層。

煤層傾角平均為25°～35°，淺部煤層傾角平均約55°，深部傾角變緩傾角小于20°，煤層埋深400～1200 m。

1.7 煤質(zhì)

煤質(zhì)為低灰、低硫、低磷、高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)無煙煤。

2 施工情況

天榮煤層氣項(xiàng)目是烏海能源公司天榮公司的項(xiàng)目，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)鉆探工程量4292 m，共四口煤層氣參數(shù)井。其中T1設(shè)計(jì)井深1333 m，除鉆探施工外，還要進(jìn)行煤層解析化驗(yàn)、物探測井、煤層試井、巖石力學(xué)測試等工作。

T1井于2009年1月11日進(jìn)行一開鉆進(jìn)，由于地層傾角大(從地面凸起的地層測得傾角為85°左右)，泥巖地層松散較軟，施工中多次出現(xiàn)了井斜。施工中采用了輕壓吊打、鐘擺糾斜、?127 mm鉆具擴(kuò)孔糾斜均無明顯效果，后經(jīng)采用?168 mm鉆具擴(kuò)孔糾斜，恢復(fù)了正常鉆進(jìn)(處理井斜時(shí)間為128.33天)，但當(dāng)鉆進(jìn)到孔深1143.73 m時(shí)出現(xiàn)了燒鉆事故(處理燒鉆時(shí)間為75天)，于2009年10月27日恢復(fù)正常鉆進(jìn)，2009年11月17日鉆探施工結(jié)束(純鉆時(shí)間為72天)，孔深1347.66 m。

2.1 設(shè)備的選擇

該井的施工采用設(shè)備為HXY-6B型液壓鉆機(jī)和與之配套的繩索取心絞車，泥漿泵為NBB250/60型泥漿泵，四腳鉆塔。工藝采用S95系列繩索取心金剛石鉆進(jìn)工藝，即鉆桿和巖心管直徑均為89 mm，內(nèi)管直徑73 mm，鉆頭直徑95 mm。

2.2 井身結(jié)構(gòu)

一開采用?95 mm金剛石鉆頭施工至52.46 m，再用?130 mm鉆頭擴(kuò)孔施工后下入?127 mm表層套管，并在?127 mm套管內(nèi)下入?108 mm技術(shù)套管。T1井由于處理井斜，所以一開下表套后因井斜又起出套管，采用的是?170 mm鉆頭施工到孔深255.28 m后下入?168 mm表層套管。為防止鉆具折斷，在?168 mm表層套管內(nèi)又下入一層?108 mm技術(shù)套管，下入深度為255.28 m。?108 mm技術(shù)套管與?168 mm表層套管之間用彈性扶正器導(dǎo)正，防止出現(xiàn)套管折斷。二開采用S95金剛石繩索取心鉆進(jìn)至完鉆。具體如圖1所示。

2.3 鉆具組合

鉆具組合如下：

一開鉆具組合：?95 mm金剛石鉆頭+?95.5 mm擴(kuò)孔器+?89 mm巖心管+?95.5 mm擴(kuò)孔器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動(dòng)鉆桿。

擴(kuò)孔鉆具組合：?130 mm擴(kuò)孔鉆頭+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動(dòng)鉆桿。

糾斜鉆具組合：?170 mm鉆頭+?168 mm粗徑鉆具+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動(dòng)鉆桿。

二開鉆具組合：?95 mm鉆頭+?95.5 mm擴(kuò)孔器+?89 mm巖心管+?95.5 mm擴(kuò)孔器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動(dòng)鉆桿。

圖1 鉆孔井身結(jié)構(gòu)圖

2.4 鉆頭選擇

繩索取心金剛石鉆進(jìn)中，鉆頭的選擇使用要依據(jù)地層情況、巖石硬度及研磨性合理選擇。根據(jù)地質(zhì)資料可知，該區(qū)主要以泥巖、粉砂巖、砂巖為主，可鉆性為3～7級，因此鉆頭的選擇情況見表1。

2.5 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

該井各井段鉆進(jìn)參數(shù)的選擇如表2所示。

2.6 鉆井液的使用與管理

2.6.1 鉆井液的使用

(1)開孔至完整基巖采用細(xì)分散鉆井液；

(2)完整基巖至目標(biāo)煤層以上10 m，采用低固相或無固相鉆井液鉆井，以便起到良好的護(hù)壁作用；

(3)進(jìn)入目標(biāo)煤系地層根據(jù)井內(nèi)地層情況，選擇優(yōu)質(zhì)無固相鉆井液鉆井。

2.6.2 鉆井液的管理

(1)選配優(yōu)秀的泥漿管理人員，負(fù)責(zé)現(xiàn)場鉆井液的配制、性能測定與調(diào)整、材料的保管；

(2)配齊鉆井液性能測試儀器；

(3)施工中每2 h測量一次鉆井液的密度及黏度，8 h測量一次API全套性能，并記入班報(bào)表；

(4)鉆井液性能需調(diào)整前做小型試驗(yàn)，鉆進(jìn)過程中保持近平衡鉆進(jìn)；

(5)及時(shí)、準(zhǔn)確、取全鉆井液各項(xiàng)錄井資料；

(6)做好簡易水文觀測，并記入班報(bào)表。

鉆井液性能見表3。

表1 金剛石鉆頭選擇表

表2 鉆進(jìn)參數(shù)選擇井段

表3 鉆井液性能表

3 極傾斜地層井斜的處理

T1井于2009年1月11日進(jìn)行一開鉆進(jìn)，采用?95 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)至井深52.46 m，換用?130 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔至52.46 m，下入?127 mm表層套管，為防止因環(huán)狀間隙大施工中易出現(xiàn)斷鉆現(xiàn)象，在?127 mm表層套管內(nèi)部又下一層?108 mm 技術(shù)套管。之后換?95 mm金剛石內(nèi)凹式鉆頭進(jìn)行二開鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)到孔深100 m時(shí)進(jìn)行工程測斜，發(fā)現(xiàn)孔斜已超標(biāo)。于是開始進(jìn)行糾斜鉆進(jìn)，先后采用了?108 mm鉆具擴(kuò)孔糾斜、?127 mm鉆具反復(fù)擴(kuò)孔糾斜均沒有取得較好的效果。然后先后三次采用水泥封井眼后透孔糾斜，一次采用水泥加191樹脂封井眼后透孔糾斜，都沒有取得較好的效果。最后采用的是?168 mm鉆具擴(kuò)孔糾斜至255.28 m，取得了較好的效果，為T1井的順利完成奠定了基礎(chǔ)。

4 燒鉆事故處理

2009年8月14日1班鉆進(jìn)到井深1143.73 m時(shí)，因水龍頭密封漏水停止鉆進(jìn)，派人進(jìn)行處理。處理結(jié)束后本應(yīng)先開泵再開車鉆進(jìn)，但是由于先開車直接進(jìn)行鉆進(jìn)，使孔內(nèi)鉆頭因無循環(huán)井液冷卻出現(xiàn)了燒鉆事故。

事故發(fā)生后，為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，現(xiàn)場工程技術(shù)人員先后采用了合金割刀入鉆桿內(nèi)割斷鉆桿后下絲錐打撈出被割斷的鉆桿的方法未果(因沒有完全割斷)。后經(jīng)過自反(自反后井內(nèi)有八立根和四小根鉆桿、鉆桿接頭一個(gè)、金剛石擴(kuò)孔器二個(gè)、內(nèi)外管總成一套、金剛石鉆頭一個(gè))、又用反絲鉆具反孔內(nèi)鉆桿，反絲鉆具于2009年8月24日反出井內(nèi)八立根和四小根鉆桿，此時(shí)井內(nèi)有鉆桿接頭一個(gè)、金剛石擴(kuò)孔器二個(gè)、內(nèi)外管總成一套、金剛石鉆頭一個(gè)。

2009年8月25日開始用割鐵鉆頭切割外巖心管，而內(nèi)巖心管不做處理，做導(dǎo)正用。但在用金剛石鉆頭切割外巖心管過程中，由于井內(nèi)鐵塊、巖屑等的擠夾作用，使金剛石鉆頭的胎體脫落，造成切割困難，切割的速度很慢，加之該井較深，上下鉆具所用時(shí)間較長，也影響了切割的進(jìn)度。于是2009年9月6日決定采用整體消滅的方法進(jìn)行處理，先后采用了用磨鐵鉆頭(上部帶有裝砂管)、割鐵鉆頭、掏眼鉆頭、強(qiáng)磁打撈器撈取等方法最后把孔內(nèi)所有殘留物全部消滅(鉆桿接頭一個(gè)、金剛石擴(kuò)孔器二個(gè)、內(nèi)外管總成一套、金剛石鉆頭一個(gè))，于2009年10月27日恢復(fù)了正常鉆進(jìn)。

5 時(shí)效分析

由于T1井施工時(shí)間長，機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題較多，維修保養(yǎng)時(shí)間長達(dá)13天，擴(kuò)孔下套管及處理套管時(shí)間為15天，停等時(shí)間為8天。處理井斜時(shí)間為128天。處理燒鉆時(shí)間為75天，純鉆時(shí)間為72天，施工全部時(shí)間為311天。純鉆率僅為23.23%，事故率為24.2%，停鉆率為2.6%，機(jī)械事故率為4.2%。

6 取得的成果

6.1 鉆探成果

(1)掌握了在極傾斜地層進(jìn)行鉆探施工，如何進(jìn)行糾斜與防斜的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，為今后在同類地區(qū)施工找到了方法；

(2)鍛煉了隊(duì)伍，學(xué)會(huì)了在不同地區(qū)施工如何選擇適巖金剛石鉆頭的方法與經(jīng)驗(yàn)；

(3)深深的體會(huì)到了“細(xì)節(jié)決定成敗”這句話的真正意義。如果我們在細(xì)節(jié)上要做好，也不會(huì)因?yàn)椴婚_泵就開車鉆進(jìn)導(dǎo)致燒鉆事故的發(fā)生，T1井會(huì)提前二個(gè)半月結(jié)束施工任務(wù)。

6.2 地質(zhì)成果

2009年1月11日，T1井一開鉆進(jìn)，完鉆日期2009年11月17日。完鉆井深1347.66 m，完鉆層位二2煤層底板。裸眼完井，鉆井周期311天，完井周期325天。巖、煤心收獲率96%。詳情見表4、表5、表6。

表4 T1井鉆井?dāng)?shù)據(jù)表

表5 T1井井身質(zhì)量表

表6 T1井目標(biāo)煤層數(shù)據(jù)表

6.3 煤層解吸化驗(yàn)成果

6.3.1 含氣量

本區(qū)共施工煤層氣參數(shù)井4口，從T1井測試成果看，本區(qū)甲烷含量干燥基為2.05～7.93 m3/t，平均5.21 m3/t；干燥無灰基為3.02～19.26 m3/t，平均7.26 m3/t。甲烷濃度在77.59%～86.89%，平均為82.13%，質(zhì)量良好。

6.3.2 參數(shù)井含氣量測試

T1井對一上、一、二1-1-1、二1-1-2、二1-2、二1-3、

二2煤層進(jìn)行了取心，共采集49個(gè)氣體含量測試樣品(其中有2個(gè)快速樣)。含氣量測試情況見表7。

表7 T1井含氣量測試情況孔號

6.4 試井成果

T1井試井結(jié)果見表8。

表8 T1井試井成果

6.5 其他情況

T1井還做了以下工作：

(1)全井完成采煤層頂、地板力學(xué)樣14個(gè)；

(2)全井設(shè)計(jì)采煤心煤樣11個(gè)，實(shí)際采5個(gè)，煤心采取率100%；

(3)全井采瓦斯解析樣49個(gè)；

(4)全井巖心采取率96%；

(5)全井巖、煤心照片77張；

(6)全井試井煤層2層組；

(7)物探測井參數(shù)：雙井溫、井斜、視電阻率、井徑、天然伽馬、伽馬伽馬(長短源距)、側(cè)向電流、聲速(聲幅、單收、雙收)。

7 經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)

7.1 經(jīng)驗(yàn)

通過這個(gè)項(xiàng)目的施工，我們?nèi)〉煤芏嗟慕?jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，主要經(jīng)驗(yàn)如下：

(1)因?yàn)榇隧?xiàng)目設(shè)計(jì)要求目標(biāo)煤層以上可以不做取心要求，但因?yàn)槲覀儧]有在這類地層施工，也無無巖心鉆進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，所以我們還是采取原來的老辦法進(jìn)行取心鉆進(jìn)，使效率大大降低，如果采用無巖心鉆進(jìn)效率可提高40%以上。

(2)掌握了在傾角較大的泥巖地層施工的方法，采用粗徑鉆具進(jìn)行施工能起到防斜的作用。T1井在施工中一開始采用的是S95繩索取心鉆頭進(jìn)行施工，施工中采用滿眼防斜鉆具組合，內(nèi)凹型防斜鉆頭等防斜措施，但仍然出現(xiàn)井斜，最大時(shí)井斜為170m為7°，無法正常施工。也曾經(jīng)采用水泥封閉后重新施工的方法，但無法達(dá)到預(yù)期目的。處理孔斜的時(shí)間占全部時(shí)間的60%以上。后來采用?170 mm的合金鉆頭，配?168 mm的巖心管作粗徑鉆具(60～70 m)，上部連接?89 mm繩索取心鉆具進(jìn)行施工，取得了較好的效果?？咨?00 m時(shí)孔斜為1.7°，達(dá)到煤田鉆探孔斜標(biāo)準(zhǔn)。

(3)下套管技術(shù)還有待進(jìn)一步提高。以前我們的下套管技術(shù)是比較粗糙的，只是在擴(kuò)完孔之后把套管底部打成喇叭口形狀，并在外圍纏上海綿帶下入孔內(nèi)預(yù)定位置即可，不用考慮套管脫節(jié)或跑套管事故的發(fā)生。而在T1井下套管時(shí)，由于套管下入的較深(255.28 m)，并且是二層套管，所以這種方法很不合適，經(jīng)常出現(xiàn)套管斷跑現(xiàn)象，因處理套管就用去了15天的時(shí)間。所以經(jīng)驗(yàn)是必須固井。

(4)機(jī)械事故率居高不下。出現(xiàn)機(jī)械事故率高的主要原因：一是設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，從2008年11月份開始設(shè)備一直處于滿負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)，按照設(shè)備的管理規(guī)定已經(jīng)超出了設(shè)備的中修時(shí)間，但因設(shè)備處于服役期，所以沒有辦法修理；二是鉆孔較深鉆具較重增加了鉆機(jī)的負(fù)荷；三是后期出現(xiàn)了孔內(nèi)事故，頻繁上下鉆具使設(shè)備磨損更加嚴(yán)重；四是現(xiàn)場使用維護(hù)與保養(yǎng)不到位。

(5)處理井斜的時(shí)間過長。主要原因是在處理井斜時(shí)，使用同一種方法處理時(shí)間太長，而且效果不是很好時(shí)仍然反復(fù)使用。如：長時(shí)間的使用?108 mm鉆具和?127 mm鉆具擴(kuò)孔糾斜，在擴(kuò)孔糾斜效果不好的情況下仍然反復(fù)用此鉆具在60～75 m輕壓吊打糾斜，也同樣沒有產(chǎn)生較好的效果。又如：三次使用水泥+191樹脂封孔糾斜，效果也同樣不好，用去了大量的時(shí)間。

(6)處理燒鉆的時(shí)間過長。其原因一是外管總成上擴(kuò)孔器部位的懸掛環(huán)在處理時(shí)隨鉆具一起轉(zhuǎn)動(dòng)，無論是用磨鐵鉆頭還是割鐵鉆頭處理因轉(zhuǎn)動(dòng)而沒有效果，給處理工作帶來了很大困難；二是在用磨鐵鉆頭或割鐵鉆頭處理時(shí)，因急于求成處理過快，導(dǎo)致磨偏或割偏。所以到后來不得不用“劈”的辦法進(jìn)行處理。

7.2 教訓(xùn)

在施工中特別是在深孔施工如何才能避免孔內(nèi)事故的發(fā)生，通過T1井我認(rèn)為應(yīng)做好以下幾項(xiàng)工作：一是做好事故可能發(fā)生的幾類事故的應(yīng)急響應(yīng)，備足可能發(fā)生幾類事故的物資準(zhǔn)備，制定好施工方案與措施；二是對鉆機(jī)人員特別是機(jī)班長人員進(jìn)行安全事故教育，做到警鐘長鳴，在關(guān)鍵時(shí)刻領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員也要跟班指導(dǎo)生產(chǎn)；三是一旦出事故，不要慌張，要認(rèn)真對待，要把對事故的處理方案考慮詳細(xì)，對所有細(xì)節(jié)要認(rèn)真分析，防止把事故擴(kuò)大化；四是T1井在處理燒鉆事故過程中走了不少彎路，出現(xiàn)許多意想不到問題，使事故的處理時(shí)間大大的延長。

[1] 時(shí)志興, 賈有金. 燒鉆事故的預(yù)防與處理措施[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2012, 39(3):40-42.

[2] 李海明. WFSD-2孔二開孔斜分析及糾斜施工[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2012, 39(1):21-24.

[3] 李宏. 低固相泥漿在福建煤田鉆探中的應(yīng)用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2011, 38(9):18-20.

2017-03-20

張鴻飛(1963-)，男，吉林舒蘭人，黑龍江省煤田地質(zhì)二〇四勘探隊(duì)高級工程師，探礦工程專業(yè)，主要從事鉆探生產(chǎn)與管理工作，黑龍江省七臺(tái)河市桃山區(qū)景豐路22號，E-mail：zhf6510248@163.com。

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1009-282X(2017)03-0024-05