小口徑超深孔繩索取芯鉆進(jìn)鉆遇復(fù)雜地層技術(shù)應(yīng)對(duì)探析

摘 要：對(duì)于1000～3000m深的小口徑巖芯鉆探稱之為超深孔巖芯鉆探，采取繩索取芯鉆井工藝，鉆遇坍塌、縮徑、漏失地層是深孔鉆進(jìn)的技術(shù)難題，根據(jù)多年的技術(shù)實(shí)踐，提供應(yīng)對(duì)策略。

關(guān)鍵詞：深孔；縮徑坍塌地層；繩索取芯；技術(shù)措施；泥漿使用

中圖分類號(hào)：P634 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）27-0222-02

1 深孔繩索取芯鉆井的特點(diǎn)

深孔取心具有以下特點(diǎn)：①孔壁與鉆桿之間環(huán)狀間隙小，清洗液背面阻力大，泵壓高。②深井地層壓力平衡問(wèn)題。③鉆桿柱在孔中受力復(fù)雜。

2 坍塌縮徑的形成原因

分析原因：①地質(zhì)因素。地層自重應(yīng)力和疊加應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力釋放、孔隙毛細(xì)管壓力或承壓水壓力、巖層層理或片理構(gòu)造、巖石松散破碎過(guò)程中未見(jiàn)膠結(jié)或少量膠結(jié)，或部分水蝕、水化、水溶液粘度高。②工程因素。具有鉆井吸力、鉆井液動(dòng)壓、鉆井泵壓力、井壁沖洗液側(cè)壓力平衡、沖洗液沖洗作用、鉆桿碰撞等作用。③物理和化學(xué)因素。巖石層中濕陷性黃土和粘土（蒙脫石、伊利石、高嶺石）含量較重，在有水存在的情況下膨脹和收縮。水敏感性（如輝長(zhǎng)巖的一部分），水溶性（如碳質(zhì)板巖破裂帶，蝕變區(qū)，石膏），水化（如凝灰?guī)r、白云巖），水的侵蝕，如煤層地層水減少，或者因?yàn)樗莺?，?qiáng)度降低的擾動(dòng)引起的崩潰，崩潰后鉆孔、干擾和旋轉(zhuǎn)表面粘貼，泥漿和泥漿的形狀，粘度增加，降低吸水膨脹；沖刷液和一些礦物鹽在巖石層上的化學(xué)作用增加了巖石的脆性，降低了巖石的強(qiáng)度?；虿糠炙g，水化后，水粘度高。

3 鉆進(jìn)坍塌縮徑地層應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)深孔取心降穴地層的特點(diǎn)，通過(guò)多年不同礦區(qū)的施工實(shí)踐，總結(jié)出以下對(duì)策：

（1）對(duì)于上部復(fù)雜性、無(wú)煤層的洞或有石灰?guī)r洞穴的礦區(qū)，一般選用4-5級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)技術(shù)套管隔離上部復(fù)雜地層后，采用S75鉆具完成含煤地層的施工。開(kāi)放？準(zhǔn)130或更多，兩個(gè)？準(zhǔn)110年，三個(gè)開(kāi)放？準(zhǔn)95四開(kāi)？準(zhǔn)77洞，鉆常用結(jié)構(gòu)。

（2）在礦區(qū)的建設(shè)，首先，必須探索礦區(qū)的地層特點(diǎn)，直徑和孔的部分倒塌，減少巖層應(yīng)該及時(shí)發(fā)現(xiàn)，和復(fù)雜的巖石地層的鉆井特點(diǎn)應(yīng)該在同一時(shí)間。

（3）孔體結(jié)構(gòu)預(yù)留的技術(shù)儲(chǔ)備口徑，尤其是HQ口徑，應(yīng)盡量與中深埋井徑分離，為深部鉆進(jìn)遇到深埋井徑形成創(chuàng)造有利條件。隨著鉆頭鉆井?dāng)U大，減少形成的環(huán)狀間隙孔壁坍塌，減少泵的壓力，降低轉(zhuǎn)向阻力降低。

（4）選擇Q系列繩索鉆桿和鉆桿對(duì)深孔鉆桿系列進(jìn)行優(yōu)化。材料的強(qiáng)度和剛度滿足深孔鉆孔的需要。對(duì)于1500m以上的深孔，必須使用BW250、BW320及更大的泵，使泥漿泵的流量調(diào)節(jié)范圍寬，耐壓性高，避免在塌方地層鉆孔時(shí)受到機(jī)械允許范圍的影響。

（5）深孔鉆進(jìn)防止孔內(nèi)事故的技術(shù)措施

①深孔鉆桿能承受較高的扭矩和拉力。嚴(yán)禁將鋼絲線放入磨損嚴(yán)重、彎曲、開(kāi)裂的孔內(nèi)，以防止鉆頭跳閘、運(yùn)轉(zhuǎn)、斷裂。深孔鉆桿接頭較多，螺紋油應(yīng)加在螺紋上，以防止鉆桿螺紋螺絲處的沖洗液泄漏，致使鉆頭本體不能有效冷卻，導(dǎo)致鉆桿燃燒。同時(shí)，可以減少螺紋磨損。

②當(dāng)鉆桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格防止鉆桿運(yùn)行，深孔上下重物重，鉆桿運(yùn)行后沖擊力較大，會(huì)造成鉆桿墩鼓、鉆頭墩裂?？刂坪侠淼钠鹣裸@速度，操作升降機(jī)要平穩(wěn)，避免和減少令人興奮的壓力和吸入，以防止崩潰。

③在鉆孔時(shí)要注意回水、泵壓、電流變化和異常聲音，防止鉆孔和燃燒。

④遇到主要故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換新鉆桿，并在鉆桿上部選擇幾根新鉆桿，防止疲勞斷裂，預(yù)防復(fù)雜事故的發(fā)生。如果孔中有泄漏，且沒(méi)有返水，則應(yīng)在鉆桿上涂上潤(rùn)滑脂，降低回轉(zhuǎn)阻力。

⑤在復(fù)雜地層鉆井時(shí)，如果由于機(jī)械原因或其他停車時(shí)間的原因，應(yīng)將孔內(nèi)的鉆具抬起或從復(fù)雜井段取出。

（6）深孔提升鉆孔，堅(jiān)持充電；注意檢查鉆桿接頭，及時(shí)更換鉆桿。

（7）在地層發(fā)生崩塌的情況下，綜合采取擴(kuò)徑、調(diào)整泥漿等措施，采取多掃少打，倒桿時(shí)預(yù)留活動(dòng)余地，盡量不停車。在此過(guò)程中，盡量避免卡住，操作時(shí)不要過(guò)沖，多前后移動(dòng)，多清掃，操作中嚴(yán)防打反車造成鉆桿脫扣使事故復(fù)雜化。遇憋泵憋車，取下泵的壓力釋放，不要停止前后掃孔、重新開(kāi)泵的方法。

（8）對(duì)于下陷縮徑特別嚴(yán)重的地層，經(jīng)過(guò)泥漿處理等措施后，鋼絲繩鉆孔仍無(wú)法將孔掃到底部。利用自產(chǎn)的鋼絲繩鉆桿、合金鉆頭和非泵連接頭，在孔段前后掃掠，擴(kuò)大鉆桿與孔壁的環(huán)形間隙，減少因孔塌而產(chǎn)生的粗顆粒碎片。

4 復(fù)雜地層深孔鉆井泥漿墻保護(hù)策略

復(fù)雜地層一般表現(xiàn)為崩塌、直徑減小、地層壓力不平衡三個(gè)方面，地層壓力不平衡會(huì)引起崩塌、涌水、涌砂、直徑減小。在鉆井過(guò)程中，根據(jù)巖心和井眼條件，需要及時(shí)確定這三種條件下裂隙孔內(nèi)巖層的走向，然后調(diào)整泥漿性質(zhì)。對(duì)于塌陷中太重的地層，地層主要破碎，水蝕強(qiáng)度低，甚至顆粒狀完全破碎，膠結(jié)成分很少或沒(méi)有。這類地層的粘度可適當(dāng)高，可高達(dá)25～30度，因此泥漿應(yīng)加大粘土量10～15%，必要時(shí)加入少量重晶石粉。減少偏重的形成和特征巖石地層泥質(zhì)含量過(guò)重，或水侵蝕后體積增加，水泡或破碎的巖石漿形式，粘貼，粘度是嚴(yán)重的，對(duì)于這種地層，增加的鉆柱和孔壁環(huán)狀間隙的同時(shí)，泥漿以減少水損失，縮小直徑為主，在泥粘土用量，平衡地層壓力的增加，應(yīng)該同時(shí)增加如磺化瀝青和防塌保護(hù)劑、低熒光用量，必要時(shí)調(diào)節(jié)腐殖酸鉀或其他類型水處理劑的減損量，17～23s泥漿粘度，比重1.051.15；在地層壓力不穩(wěn)定的情況下，不嚴(yán)重的表現(xiàn)為鉆孔下降或輕微塌陷或鉆孔漏水、巖心涌水或輕微收縮直徑。有時(shí)候，它們中的一些是組合在一起的。對(duì)于這種地層，盡量使用低固相泥漿，使泥漿粘度在20～25s之間，1.05～1.07之間成比例。嚴(yán)重的地層壓力不穩(wěn)定，粘土用量應(yīng)適當(dāng)增加重晶石粉量，尤其是砂地層，以及鉆柱和孔壁之間的環(huán)形間隙應(yīng)該增加，泥漿比重為1.1～1.17和25～28s的粘度。判斷井中復(fù)雜的地層是非常重要的。泥漿應(yīng)對(duì)策略的主要方向是平衡壓力不穩(wěn)定地層中的地層壓力、松散塌陷地層中的低固相泥漿和收縮地層中的抑制（粘度和失水）泥漿。泥漿配方為：澎潤(rùn)土40%+0.5%純堿+磺化瀝青5%+1～2%重晶石粉+1～1.5%高粘NaCMC溶液+2%腐植酸鉀+1%高效潤(rùn)滑劑+成膜劑1%，比重1.12，粘度28S。

在處理地層漏失或沖洗液損失時(shí)，最常用的方法是使用水泥漿堵漏。然而，當(dāng)水泥漿一般被泵送時(shí)，水泥漿的水灰比由于孔中的沖洗液不可避免地稀釋而增加。凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，堵塞效果受到嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致堵管失效。為了克服上述缺點(diǎn)，國(guó)外多年來(lái)使用的快速凝固干粉水泥已被用于封堵。使用時(shí)，用工具將干水泥送入孔的失段，泵送水，泵出水泥，現(xiàn)場(chǎng)使用相應(yīng)的工具進(jìn)行加工。

5 提高難取芯地層采取率的措施

為了圓滿解決困難巖心地層的采用率問(wèn)題，有必要對(duì)巖心取芯鉆具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，選擇適合于復(fù)雜地層的金剛石鉆頭，并采用優(yōu)質(zhì)的沖洗液進(jìn)行考慮。從完善鉆具結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，首先要防止巖心巖心堵塞內(nèi)管或卡環(huán)，其次要改善巖心內(nèi)芯的貯存條件。根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，在這方面可采取以下措施。

（1）選擇鍍鉻內(nèi)管，減少芯接觸表面的摩擦力。

（2）使用半導(dǎo)管、三層管和內(nèi)管，進(jìn)入巖心取芯鉆具，獲得與地層結(jié)構(gòu)基本相同的巖芯。在松散、松散的地層中鉆進(jìn)，采用雙錐臺(tái)階或多臺(tái)階金剛石鉆頭，效果最好。鉆頭具有小的末端半徑和短的內(nèi)徑部分。采用側(cè)水眼鉆頭減少?zèng)_斜液對(duì)原礦芯的沖刷，提高了巖芯的采取。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在深孔繩索取心鉆孔中遇到卡鉗地層的塌陷時(shí)，應(yīng)采用鉆孔體結(jié)構(gòu)，保留預(yù)留直徑，擴(kuò)大鉆柱的環(huán)形間隙，及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷巖層特征，配制和地層相匹配的泥漿，精心操作，順利完成鉆探任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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[3]《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量》（MT/T1042-2017）[S].

收稿日期：2018-8-2

作者簡(jiǎn)介：張吉祥（1967-），男，漢族，云南曲靖人，鉆探工程師，中專，主要從事煤田鉆探工作。