白家疃地震臺(tái)觀測(cè)井糾斜施工實(shí)踐

岳永東，宋殿蘭，譚春亮，林廣利

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 鉆孔概況

1.1 鉆孔要求

中國(guó)地震局白家疃地震臺(tái)擬在臺(tái)址內(nèi)安裝一款GTSM三分量鉆孔應(yīng)變儀，安裝應(yīng)變儀的鉆孔由我單位實(shí)施。鉆孔設(shè)計(jì)要求：①終孔直徑150 mm，深度200 m左右，以滿足儀器安放要求為準(zhǔn)；②穿過第四系覆蓋層后全孔取心，取心率>90%；③孔底儀器安放裸孔段>10 m，孔壁光滑完整；④套管固井；⑤全孔最大斜度<5°。

1.2 鉆探工藝及設(shè)備

由于缺乏可供參考的地質(zhì)資料，結(jié)合鉆孔要求，鉆探工藝設(shè)計(jì)分為兩步：首先是穿過第四系覆蓋層后基巖取心，準(zhǔn)確掌握地層結(jié)構(gòu)，確定應(yīng)變儀安放位置；然后是成孔，滿足三分量鉆孔應(yīng)變儀的安放要求。取心工作擬采用?91 mm合金鉆頭+?89 mm套管隔離松散層，再采用NQ系列(?76 mm)繩索取心鉆進(jìn)至終孔孔深；成孔工作擬采用?219 mm跟管鉆進(jìn)(鉆頭?230 mm)穿過覆蓋層→?180 mm普通潛孔錘擴(kuò)孔至裸孔段上端→測(cè)井→下入?168 mm套管→起拔?219 mm套管→固井→?150 mm PDC鉆頭通井至終孔深度(確保裸孔段大于10 m)→洗井→放置儀器。分別采用TGQ-500CZ和JSK300型鉆機(jī)完成取心及成孔施工工作。

1.3 地層情況

第四系覆蓋層厚度52 m，繩索取心施工鉆遇基巖以灰?guī)r為主，巖溶裂隙發(fā)育，其中：82.85～86.40 m段為溶洞夾泥層，鉆柱部分空放，泥漿完全漏失；146.55～165.15 m段為紅泥礫石填充的裂隙、溶洞層，泥漿嚴(yán)重漏失。繩索取心鉆進(jìn)中多次發(fā)生夾卡鉆、斷鉆桿事故，鉆進(jìn)至184.85 m鉆桿再次斷裂，鉆取19.7 m完整巖心段，滿足儀器放置要求，完成取心工作。根據(jù)取心情況，該孔地層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 白家疃地震臺(tái)觀測(cè)井地層結(jié)構(gòu)圖

1.4 鉆孔孔斜情況

根據(jù)鉆孔取心情況明確了地層結(jié)構(gòu)，該鉆孔施工的主要技術(shù)難點(diǎn)是控制井斜。小徑取心后大徑擴(kuò)孔，極易造成井斜，原孔完成糾斜、擴(kuò)孔工作施工難度大，考慮鉆孔質(zhì)量及施工工期，決定在原孔位西移3 m重開孔完成成孔工作。同心跟管鉆進(jìn)鉆柱穩(wěn)定性好，因此項(xiàng)目組調(diào)整了施工方案，擬采用?219 mm同心跟管鉆進(jìn)跟管至最大深度，穿過覆蓋層及82.85～86.40 m的第一層溶洞，充分利用跟管鉆進(jìn)護(hù)壁堵漏和防斜作用[1]。

施工過程中，?219 mm同心跟管鉆進(jìn)至101 m，管靴打穿，?219 mm套管下至101 m；?180 mm普通潛孔錘鉆入第二層紅泥填充的裂隙、溶洞層，至153 m卡鉆，停止施工，提鉆。鉆進(jìn)過程中回轉(zhuǎn)阻力增大，提鉆后發(fā)現(xiàn)下部鉆桿和鉆頭有偏磨現(xiàn)象，考慮鉆孔已經(jīng)偏斜。測(cè)井結(jié)果表明鉆孔自108 m處開始偏斜，120 m起偏斜嚴(yán)重，偏斜距離2.9 m，鉆孔斜度超過5°，需要糾斜后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

2 孔斜原因分析

2.1 地層因素

該鉆孔地層復(fù)雜，是典型的造斜地層。巖層大小裂隙發(fā)育，其可鉆性各向異性，鉆遇傾角較陡的裂縫時(shí)，容易導(dǎo)致“順層溜”；鉆遇兩層紅泥、砂礫石填充的大裂隙、溶洞層，灰?guī)r與泥砂層硬度差別大，破巖不均勻產(chǎn)生鉆速差，同時(shí)充填物不規(guī)則和孔底高低不平也易使鉆頭滑動(dòng)偏離軸線[2]。

2.2 工藝因素

2.2.1 鉆進(jìn)參數(shù)選擇不當(dāng)

潛孔錘鉆進(jìn)中鉆壓的主要作用是保證鉆頭齒能與巖石保持接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈力，以便有效地傳遞來自沖擊器的沖擊功。鉆壓過小則進(jìn)尺慢、效率低，鉆頭停留在孔底時(shí)間長(zhǎng)，擴(kuò)大孔壁間隙，增加孔斜；鉆壓過大則會(huì)造成鉆桿柱彎曲，粗徑鉆具傾斜，也會(huì)導(dǎo)致鉆孔偏斜。

潛孔錘鉆進(jìn)以沖擊作為碎巖的主要方式，無需過快的線速度。轉(zhuǎn)速過快桿柱離心力增大，加劇鉆具的橫向振動(dòng)和傾斜；轉(zhuǎn)速過慢，則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)重復(fù)，導(dǎo)致鉆速下降，孔徑變大。因此，潛孔錘鉆進(jìn)過程中鉆壓與轉(zhuǎn)速的選擇都存在一個(gè)合理的范圍，過大或過小都會(huì)引起鉆孔一定程度的偏斜。?180 mm潛孔錘鉆進(jìn)鉆壓7～16 kN、轉(zhuǎn)速20～40 r/min較為合理[3]。

2.2.2 鉆具級(jí)配不合理

潛孔錘鉆進(jìn)鉆具結(jié)構(gòu)為?190 mm鉆頭+?180 mm沖擊器+?76 mm鉆桿，鉆具與鉆桿直徑級(jí)差大，且未使用相應(yīng)的扶正器，環(huán)空間隙較大，鉆桿橫向振動(dòng)強(qiáng)烈；鉆桿直徑小而長(zhǎng)度大，剛度不足，在鉆壓作用下更易產(chǎn)生彎曲變形，引起粗徑鉆具上端靠向孔壁，迫使鉆具軸線偏離原孔軸線；較大的環(huán)空間隙導(dǎo)致氣流速度較小，影響孔底巖屑的排出，不利于防斜[4]。

3 回填糾斜施工

為解決裂隙溶洞層的漏失問題，同時(shí)改善鉆孔內(nèi)軟硬間層的造斜環(huán)境，在102～153 m采用橋堵材料+水泥漿復(fù)合堵漏的方式，回填堵漏糾斜。先依次投注黏土球、廢麻繩、鋸末等惰性堵漏材料，再用水泵灌注水灰比0.5的水泥漿，注漿完畢后立即替入清水[5]。待水泥漿完全凝固后，仍采用?180 mm潛孔錘工藝通孔糾斜，控制鉆進(jìn)參數(shù)輕壓慢鉆。鉆進(jìn)至120 m停鉆測(cè)斜，發(fā)現(xiàn)斜度仍較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，糾斜失敗。

分析認(rèn)為導(dǎo)致糾斜失敗的主要原因有：①灌注水泥漿的強(qiáng)度與巖石的強(qiáng)度不一致，鉆具易向原孔斜段偏移；②鉆具級(jí)配不合理，鉆桿直徑偏小且未使用扶正器，鉆桿彎曲變形大導(dǎo)致鉆具傾斜。

4 內(nèi)階梯金剛石鉆頭糾斜施工

由于現(xiàn)場(chǎng)鉆探機(jī)具配備不夠充分，決定更改糾斜工藝，放棄潛孔錘鉆進(jìn)，采用金剛石單管鉆具糾斜。更換為?89 mm鉆桿，并設(shè)計(jì)定制了一種內(nèi)階梯孕鑲金剛石糾斜鉆頭，用于鉆孔糾斜。

4.1 內(nèi)階梯金剛石糾斜鉆頭設(shè)計(jì)

4.1.1 鉆頭唇面設(shè)計(jì)

為解決鉆孔偏斜處巖坡的導(dǎo)斜問題，鉆頭唇面形狀設(shè)計(jì)為三級(jí)內(nèi)階梯式，唇面外高內(nèi)低。糾斜鉆進(jìn)時(shí)，最外層切削刃率先接觸巖體，單邊垂直切削鉆孔偏斜處形成的巖坡，克服了全面鉆進(jìn)鉆頭及錐形鉆頭的巖坡打滑缺點(diǎn)。初始削坡糾斜時(shí)，要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)參數(shù)，輕壓慢鉆吊著打，待外切削刃切削形成臺(tái)階和巖柱后，巖柱將起到導(dǎo)向保直防偏斜的效果，此時(shí)可以適當(dāng)提高鉆壓和轉(zhuǎn)速。由于糾斜鉆進(jìn)過程中不能施加過大的鉆壓，因此要盡量減小鉆頭的底唇面面積，以獲得較高的單位比壓，提高鉆頭的碎巖能力。

4.1.2 鉆頭胎體設(shè)計(jì)

灰?guī)r地層為中硬中等研磨性，因此選擇胎體硬度HRC30，以確保在軟硬層均能獲得良好的鉆進(jìn)效率。金剛石濃度和粒度的選擇對(duì)于金剛石鉆頭的鉆進(jìn)效率有重要影響。金剛石濃度偏高時(shí)，鉆頭胎體端面的金剛石與巖石的接觸面積增大，減小了單粒金剛石上的平均壓力，導(dǎo)致金剛石壓入巖石的深度較小，降低金剛石的碎巖效率。反之，若金剛石濃度偏低，在鉆頭胎體端面出露的金剛石太少，導(dǎo)致單粒金剛石上面的平均壓力過大，出露的金剛石過早的磨損或崩刃、脫粒，嚴(yán)重影響鉆頭壽命。金剛石粒度與巖層性質(zhì)、鉆進(jìn)參數(shù)、金剛石濃度等參數(shù)有關(guān)，一般來說巖石越硬，粒度應(yīng)越小。結(jié)合地層情況及鉆進(jìn)參數(shù)，胎體選擇采用不同粒度(46～80目)的金剛石混鑲，濃度為60%[6,7]。

鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)：外徑190 mm，內(nèi)徑150 mm，胎體高度25 mm，水口數(shù)20個(gè)，鉆頭如圖2所示。

圖2 內(nèi)階梯金剛石糾斜鉆頭示意圖

4.2 內(nèi)階梯金剛石鉆頭糾斜工藝

為降低鉆桿柱的橫向振動(dòng)，提高鉆桿柱的穩(wěn)定性，在桿柱中每間隔10 m安裝一個(gè)扶正器(?89～?190 mm)，且保證扶正器位于?219 mm套管中，以便發(fā)生鉆桿斷裂事故時(shí)加快處理速度。鉆具結(jié)構(gòu)為?190 mm金剛石鉆頭+?185 mm單管鉆具+?89 mm鉆桿+扶正器(?89～?190 mm)。

糾斜施工過程中根據(jù)鉆進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，在滿足鉆頭破巖能力的情況下要盡量選擇小鉆壓，低轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制井斜的目的。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，選擇的鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓8～16 kN，轉(zhuǎn)速100～160 r/min，泥漿泵泵量160 L/min。對(duì)于沖洗液的要求主要是提高黏度，保證沖洗液攜帶巖粉的能力，保持孔底清潔。沖洗液配方：5%膨潤(rùn)土+6%純堿+0.2%CMC+0.1%PHP；沖洗液性能參數(shù)：黏度26～30 s，密度1.03～1.05 g/cm3，濾失量9～12 mL/30 min，泥餅0.5～1 mm。

自孔深108 m處開始糾斜施工，進(jìn)尺1 m，成功取出月牙形巖心兩段，每段長(zhǎng)約300 mm，如圖3所示，削坡成功，初步判斷糾斜工藝有效。提鉆測(cè)斜，斜度<1°，證明了內(nèi)階梯金剛石鉆頭糾斜工藝的可行性。

圖3 糾斜施工取出的月牙形巖心

繼續(xù)采用該鉆進(jìn)工藝施工，通過控制鉆進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)鉆孔質(zhì)量監(jiān)控，勤測(cè)斜，成功鉆進(jìn)至120 m，鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)見表1，最大偏斜距離1.24 m，孔斜2.5°，孔斜控制較好，滿足鉆孔要求，糾斜成功。

表1 白家疃地震臺(tái)觀測(cè)井測(cè)斜數(shù)據(jù)表

4.3 施工中存在的問題

由于鉆探機(jī)具配置的不夠合理，本次施工中存在的最大問題是鉆頭與鉆桿直徑級(jí)差較大，過大的環(huán)空間隙既會(huì)導(dǎo)致鉆孔的偏斜，又降低了沖洗液的上返流速，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。金剛石單管鉆具雖然糾斜成功，但鉆進(jìn)效率僅約為3米/班次。對(duì)于大口徑正循環(huán)鉆井來說，沖洗液的上返速度推薦值最小為0.3 m/s，可以根據(jù)下式計(jì)算滿足該流速時(shí)所需的理論泵量：

式中：Q—泥漿泵排量，m3/s；v—上返流速，m/s；D—環(huán)空間隙大徑，m；d—環(huán)空間隙小徑，m；m—上返速度不均勻系數(shù)，1.03～1.1。

當(dāng)環(huán)空面積一定時(shí)，沖洗液的上返流速與泥漿泵的排量成正比，本次施工各孔段排渣所需的理論最小泵量如表2所示。

表2 鉆進(jìn)中各孔段所需的理論最小泵量

由表2可見，過大的環(huán)空間隙致使盡管使用了BWF160泥漿泵的最大排量，仍不能滿足鉆孔的排渣需求，這導(dǎo)致了以下問題：

(1)沖洗液上返流速不足，造成巖粉在孔底堆積，重復(fù)破碎，影響了鉆進(jìn)的效率，加劇了鉆頭磨損；

(2)巖粉堆積可能會(huì)造成埋鉆事故，此外，為提高較大環(huán)空中鉆桿柱的穩(wěn)定性而安裝了多個(gè)扶正器，又進(jìn)一步導(dǎo)致巖屑易聚集形成“砂橋”卡鉆[8]；

(3)巖屑的堆積也會(huì)影響鉆頭在孔底的穩(wěn)定性，導(dǎo)致鉆孔偏斜。

5 結(jié)論

通過該鉆孔的糾斜實(shí)踐，項(xiàng)目組吸取了深刻的教訓(xùn)，也學(xué)習(xí)了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為今后的施工打下了良好的基礎(chǔ)。

(1)在巖溶裂隙發(fā)育的地層鉆進(jìn)施工時(shí)要特別注意孔斜的預(yù)防，需要結(jié)合具體工況，合理地選擇鉆探機(jī)具、鉆具結(jié)構(gòu)、沖洗液及鉆進(jìn)參數(shù)。大口徑鉆探施工中，合理的鉆具級(jí)配是保證鉆探施工效率及質(zhì)量的關(guān)鍵問題，環(huán)空間隙太大既會(huì)影響鉆桿柱的穩(wěn)定性從而造成孔斜，又會(huì)嚴(yán)重影響鉆探施工效率，導(dǎo)致事倍功半。

(2)內(nèi)階梯金剛石鉆頭糾斜效果明顯，解決了鉆孔偏斜處巖坡的導(dǎo)斜難題，具有良好的糾斜導(dǎo)正作用，配合合理的鉆具結(jié)構(gòu)及采用低壓、慢轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)參數(shù)，可以有效完成孔斜的糾正。

(3)采用潛孔錘同心跟管鉆進(jìn)成功穿過了第一層溶洞，測(cè)井結(jié)果表明鉆孔垂直度良好，證明了該工藝有較好的防斜能力。

(4)水泥漿+惰性材料雖然成功封堵了巖溶裂隙層的漏失，但若要提高糾斜施工的成功率，還需做好巖石的強(qiáng)度檢測(cè)，以便配制強(qiáng)度相符的混凝土，消除巖層的軟硬差異。

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