巖芯鉆探中復(fù)雜地層的護孔工藝

齊治虎，劉國衛(wèi)

（1.河南省能源鉆井工程技術(shù)研究中心，河南鄭州450000；2.河南豫中地質(zhì)勘查工程有限公司，河南鄭州450000）

礦產(chǎn)地質(zhì)勘查工作中常常使用巖芯鉆探技術(shù)來探測礦區(qū)情況和礦產(chǎn)儲備量，這種方法的運作機理通常是使用合適的配套鉆具，以圓周狀分布破壞勘查空地上的巖石，保留位于中心的巖芯進行數(shù)據(jù)分析和反饋。但在巖芯鉆探過程中，常遭遇復(fù)雜地層，這種情形對工作的展開極為不利，極易出現(xiàn)孔壁坍塌或燒毀鉆頭的問題和事故。對于這類會影響勘查工作進度的復(fù)雜地層，需要加強實踐和理論的結(jié)合，提高重視程度，爭取早日研發(fā)出可以對其進行綜合治理的較為完善的方案。

1 地層

1.1 孔壁不穩(wěn)原因

1.1.1 巖石性質(zhì)

孔壁不穩(wěn)定現(xiàn)象多發(fā)于水溶性巖鹽地層、水敏感性粘土地層或泥巖地層、分散的頁巖地層。而在質(zhì)地均勻且硬度較高的地層則不容易出現(xiàn)這種不穩(wěn)定現(xiàn)象。孔壁的不穩(wěn)定通常伴隨著坍塌和孔徑收縮現(xiàn)象[1]。

1.1.2 內(nèi)外地質(zhì)動力作用

內(nèi)外力對地層的作用，會使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂隙或錯位、溶隙。一般來說，內(nèi)外力對地層產(chǎn)生作用分別表現(xiàn)為變質(zhì)作用或分化、堆積、成巖等。這些作用使地層產(chǎn)生縫隙，而這些縫隙被流體或松軟固體填充后，會影響鉆進工作的順利進行。

1.1.3 地下水影響

地層被地下水所支撐，所以地下水的狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響地層穩(wěn)定性。同時，地下水狀態(tài)也會直接影響鉆孔沖洗液的平衡，這關(guān)系到地層的壓力是否穩(wěn)定。

1.2 工藝分類討論

1.2.1 長孔段第一、第二類復(fù)雜地層

這類地層是因為地殼的劇烈運動而產(chǎn)生的，通常會在同一礦區(qū)反復(fù)出現(xiàn)，在鉆孔工作進行時，該地層十分容易坍塌。該地層可能會出現(xiàn)兩種情況，這里進行分類討論：鉆探時，地層漏失輕、坍塌嚴重時，使用低固相泥漿，配以水泥、套管開展工作；而鉆探時，地層漏失和坍塌都十分嚴重時，常使用粘度大但失水量低的泥漿展開工作。

1.2.2 卵礫層

砂卵礫石層的結(jié)構(gòu)較為分散，且結(jié)構(gòu)內(nèi)部的粘結(jié)性很差，所以在鉆進工作開展時容易出現(xiàn)坍塌和漏失的問題。針對這類地層，通常使用具有低固相性的聚丙烯酰胺泥漿，這種泥漿的失水率較低，且粘度較高，具有十分良好的護孔作用[2]。

泥漿配方可參考參數(shù)：加水解度25~30的聚丙烯酞胺500ppm；加入含量5%黑山粘土粉，其與泥漿配比為1∶1；加入含量為粘土重量5%的純堿；加入含量為0.2%的羥甲基纖維素。該泥漿粘度為27~32s，粘度較強；失水率為30min/9mL，失水率較小；pH在8~9之間，呈堿性。

1.2.3 裂隙性漏失地層

不同的地層有不同的處理方法。漏失較為嚴重的，常使用固體顆粒物進行堵漏，或封閉套管。同時，使用清水或使用清水配合減阻劑完成護孔工作，應(yīng)對孔壁不穩(wěn)定的問題；針對漏失中等的復(fù)雜地層，應(yīng)當使用套管或水泥進行封閉，若問題只發(fā)生在淺部，可以使用套管，若問題發(fā)生在深部，則使用水泥封閉。這類地層封閉時使用的水泥為普通硅酸鹽水泥；針對漏失現(xiàn)象較輕的地層，則可以使用低固相性的聚丙烯酸銨—聚丙烯腈泥漿。

1.2.4 泥漿技術(shù)保障

制備泥漿應(yīng)當遵守規(guī)范，按照分散、增稠、增粘的步驟完成操作，并且需要對其維護過程進行測量和記錄、監(jiān)控，定點定時。在操作泥漿時，若出現(xiàn)鉆頭受到阻礙、工作暫停或扭矩升高頻率異常的問題，需要及時挪動鉆頭至安全位置，并且進行記錄上報；嚴格監(jiān)管泥漿護孔施工操作過程，若在監(jiān)控過程中出現(xiàn)鉆井液泄露問題應(yīng)及時進行處理。圖1為該環(huán)節(jié)監(jiān)控示意圖。

圖1 鉆井液監(jiān)控示意圖

當使用如圖所示的監(jiān)控設(shè)備進行監(jiān)測時，可以及時補救，避免鉆進液漏失造成巨大損失。

2 特殊工具選擇

2.1 孕鑲金剛石鉆頭

在特殊地層中開展鉆進工作，應(yīng)當正確選擇鉆頭，且選擇依據(jù)來源于地層狀態(tài)。因為特殊地層多為質(zhì)地不均勻，在軟硬變化上具有不穩(wěn)定性，因此，需要根據(jù)巖石可鉆性等級或地層研磨性對鉆頭進行選擇。

若鉆進地層由破碎的巖石組成，或者地層研磨性較強，可以選擇圓弧形長壽命孕鑲金剛石取芯鉆頭。鉆頭參數(shù)為：粒度40目，胎體硬度HRC35到45；若鉆進地層十分堅硬，或者出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，則可以使用鋸齒形高胎體雙層水口孕鑲金剛石取芯鉆頭，鉆頭參數(shù)為：粒度60目，胎體硬度HRC10到15[3]。

2.2 鉆孔保徑效果

在鉆進工作的展開過程中，若鉆孔的保徑效果較好，則孔壁與鉆孔工具之間會呈現(xiàn)正常的環(huán)狀間隙，并且位于鉆孔孔底的沖洗液的循環(huán)會十分通暢。這一點對于鉆進工作十分重要。特殊工作的使用效果對比參考表1。

表1 金剛石鉆頭、擴孔器使用效果對比

3 泵壓退芯

為了避免松散的砂體巖芯被破壞，施工現(xiàn)場應(yīng)使用泵壓退芯方法進行操作：首先，擰開取芯管及與之相連接的異徑接頭，往內(nèi)部塞入尺寸適合的破舊布料或衣物，并使用拆卸下來的異徑接頭連接水泵回水管和巖芯管；緊接著，開始進行退芯工作。使用半圓形退芯槽搭接巖芯管的一端，打開回水閥并關(guān)閉送水閥，調(diào)整漿泵量至最小并控制泵頭，確保送水頻率具有間斷性，此時觀察從巖芯管中退出的巖芯。若泵壓過高造成巖芯無法正常退出，可以使用小錘輕敲巖芯管進行退芯工作的輔助。

最后，退芯工作的細節(jié)把控也十分重要，在退芯開始時，工作人員不應(yīng)站在退芯的方向，并且在退芯完成后應(yīng)當對工具進行及時的清洗和歸位[4]。

4 堵漏實踐

鑒于工藝的進步需要技術(shù)實踐支持，因此舉出以下案例進行技術(shù)分析。

4.1 工程概況

項目目標：礦區(qū)內(nèi)設(shè)有十八臺鉆機供礦產(chǎn)勘探工作的完成，利用巖芯鉆探技術(shù)對礦區(qū)礦產(chǎn)儲量數(shù)據(jù)進行掌握。

鉆孔深度：1100~1200m；

鉆孔數(shù)量：72個；

鉆孔效率：2.24m/h。

地層分析結(jié)果：該礦區(qū)地層包括粉砂巖、石英巖以及石灰?guī)r、耕植土。地層類型較為復(fù)雜，地層中的巖石質(zhì)量偏向堅硬。

工程問題預(yù)防：針對該礦區(qū)地層情況，在鉆進工作開展時容易出現(xiàn)孔壁坍塌或涌漏水問題，還可能出現(xiàn)鉆具卡住的現(xiàn)象。

針對以上情況，為了保證鉆進工作順利進行，需要結(jié)合正確的護孔工藝。

4.2 設(shè)備選擇

鉆機型號：XY-5型；

鉆探型號：SG-18型；

泥漿泵型號：NBB-60型；

輔助工具：雙管鉆具、陀螺測斜儀。

其他設(shè)置：注意維護鉆具和其他工具，保證其質(zhì)量穩(wěn)定能正常投入使用；改制75S型加厚鉆具至繩索取芯鉆的鉆具上。

4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)置

口徑開孔設(shè)計：130mm；

操作流程：設(shè)置127mm的孔口管，并輔以110mm的鉆孔口徑在風(fēng)化層4~5m處進行工作；在復(fù)雜地層的操作有些不同，即縮小鉆孔口徑至90mm，輔以108mm的套管起導(dǎo)向作用，最后利用75mm的繩索取芯鉆完成取芯、鉆孔作業(yè)。

說明：以鉆孔深度、鉆孔口徑、地層狀況作為結(jié)構(gòu)設(shè)置的數(shù)據(jù)依據(jù)，將鉆孔結(jié)構(gòu)盡量簡化并同時達到提升生產(chǎn)效率的目的，需重點觀察鉆孔的安全性和穩(wěn)定性是否達標。

4.4 選擇沖洗液

根據(jù)不同地層情況進行不同沖洗液的選擇，以下列出幾個例子：

巖石覆蓋層泥漿配比為：水1000、高陽土45、純堿1.4、腐殖酸鉀1、潤滑劑0.8，泥漿配比呈現(xiàn)為堿性；

破碎、松散地層的無固相沖洗液配比為：水1000、PAM2.5、防塌劑1.6、護壁水劑3.6、潤滑劑1.8；

完整地層沖洗泥漿液配比為：水1000、PAM2.6、NaOH1.3、潤滑劑1；

注意事項：當發(fā)現(xiàn)地層有漏失可能時，需要在上述3種泥漿配比中加入PAM干粉、803堵漏劑，使用鉆桿將完成均勻處理后的混合物送入漏失位置。

4.5 分層展開鉆進工作

這里以部分地層作為例子進行說明。

4.5.1 涌漏地層

相比于一般地層，涌漏地層的處理過程更簡單方便。若為了阻隔漏失通道，則可以選擇沖洗液混合惰性材料、堵漏漿液在鉆進操作中使用。例如，針對一般漏失層，應(yīng)當采用801堵漏劑、濃度很高的PAM混合鋸末、羊糞等惰性材料；而針對大規(guī)模的漏失孔段，則封堵材料應(yīng)該選擇抗水性、速凝性都較好的粘彈性注漿混合液進行灌漿封堵工作[5]。針對漏、涌兼具的地層，可以使用傳統(tǒng)泥漿護孔工藝配合下套管隔離，這種工藝相比于化學(xué)洗井液性價比更高，工作效率也更高。

粘彈性注漿混合液的配方為：普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5；符合以下條件的PAM水溶液：濃度1%；未水解；分子量為（300~600）×104；3%氯化鈣[6]。

4.5.2 力學(xué)不穩(wěn)地層

不穩(wěn)地層：鉆進時，將出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌、卡鉆埋鉆、超徑的問題的地層統(tǒng)稱為不穩(wěn)地層。不穩(wěn)地層又分為水敏地層和力學(xué)不穩(wěn)地層[7]。首先介紹力學(xué)不穩(wěn)地層：

若地層的內(nèi)部原本就處于不平衡狀態(tài)，且又附加了鉆穿的外力，就會出現(xiàn)坍塌、掉塊的不穩(wěn)定現(xiàn)象，我們統(tǒng)稱這種作用為多向擠壓作用。針對力學(xué)不穩(wěn)地層，可以采用以下步驟進行鉆孔：開孔過程使用傳統(tǒng)泥漿，調(diào)整稠度以使其達到流塑狀態(tài)；為保證鉆孔施工，完成基本鉆孔要求，應(yīng)使用螺桿泵完成鉆孔的送漿循環(huán)。這種類型的工具與泥漿運輸過程適配性較高；為了保證卵礫層鉆進工作的護孔效果，應(yīng)當配以SM植物膠鉆井液完成工作。鉆井液配比可以參照4%濃度和300Pa·s的粘度進行選擇，以確保“巖芯”被整根取出；若在斷裂破碎帶等類型的地層深部進行鉆進工作，可選多種辦法。這里以使用鉆井液通過作為案例——該鉆井液為大分子量的PHP、濃度范圍為500~1000mg/L。取該鉆井液進行成孔鉆進，需注意是在不憋泵的前提下開展工作。

4.5.3 水敏地層

除了力學(xué)不穩(wěn)地層，不穩(wěn)地層的第二個分類就是水敏地層。

水敏地層：地層被沖洗液入侵，孔壁巖層被水解水化作用影響，出現(xiàn)松散剝落等問題的地層，就被稱為水敏地層。以下列工作案例進行講解：

一地層，有明顯的綠泥石化現(xiàn)象，當鉆進時，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，且沖洗液的浸染問題很嚴重。此地層有明顯的畏水問題，所以必須防止其與自由水接觸，或避免這些地層表面的巖土被水化。

在該地層使用的鉆井沖洗液應(yīng)當滿足失水量小和具有相當?shù)碾x子濃度這兩個要求。針對沖洗液的參數(shù)，可以參考以下幾點：一是使用高效降失水劑——腐植酸鉀、改性淀粉PGS雙重降水劑等；二是使用優(yōu)質(zhì)絮凝劑——300萬以上的分子量、水解度達30%的聚丙烯酰胺PAM；三是使用優(yōu)質(zhì)無機鹽——放塌KCl；最后，使用參數(shù)合適的鉆井液，能有效提高“防水護孔”功能的實現(xiàn)效率。

4.6 封孔、護孔工作

在鉆進工作開展時可以觀察到部分復(fù)雜地層有坍塌、涌漏問題，并且情況較為嚴重，頻率也較高。這些問題影響到了鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，對鉆探工作的數(shù)據(jù)反饋也造成極為不利的影響，致使最終項目無法保證準確性。針對這些問題，緊急組織現(xiàn)場專家和技術(shù)人員進行分析，根據(jù)實際情況即地層、周邊環(huán)境等自然因素提供了相應(yīng)的護孔堵漏措施和方案。

4.6.1 方案內(nèi)容

泥漿護孔、化學(xué)方法堵漏、使用套管進行隔離。

針對這幾種方案內(nèi)容依次進行實踐，比對成果，最終專家小組選用了砂漿堵漏法。該法經(jīng)濟成本較小，受益較大，各項數(shù)據(jù)居中。

4.6.2 砂漿堵漏方案內(nèi)容

首先調(diào)配砂漿，即使用正確比例調(diào)配水泥、減水劑、三乙醇胺等，使用平衡、不平衡、相對平衡三種封孔注漿法，結(jié)合鉆機實際轉(zhuǎn)速完成封閉、超徑封閉、終孔封閉的工作。

這種方法能有效提升鉆探工作的效率。通過觀察，該方法的封堵效果也十分優(yōu)秀。

5 改善措施

基于事實考慮，復(fù)雜地層的鉆探工作十分特殊，目前尚未出現(xiàn)任何一種綜合的、全面的治理措施可以涵蓋整個鉆探系統(tǒng)的工作內(nèi)容，因此，該領(lǐng)域仍在不斷前進、創(chuàng)新、研發(fā)新的技術(shù)，并逐漸應(yīng)用至實踐中，朝著建立完善的工作系統(tǒng)的目標而努力。在工作中，最常見的問題出現(xiàn)在泥漿質(zhì)量上，但一部分問題又與之無關(guān)，這需要我們進一步對其進行討論和研究：

（1）根據(jù)現(xiàn)有理論數(shù)據(jù)庫和技術(shù)經(jīng)驗，對復(fù)雜地層的分類應(yīng)當進一步細化，并且盡快對其性質(zhì)進行確定，通過科學(xué)合理的測試手段完善定量概念，規(guī)范堵漏工作勢在必行[8]；

（2）相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員要意識到，泥漿的參數(shù)可能只適用于大環(huán)境一致的工程中，不存在“萬能”泥漿[9]。若所處項目正在治理孔內(nèi)坍塌漏涌問題，應(yīng)當根據(jù)現(xiàn)有事實并廣泛收集技術(shù)資料進行綜合分析，爭取優(yōu)化對泥漿使用環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控；

（3）在單層護壁設(shè)立過程中，可以將“性價比”因素的實現(xiàn)等級提前，因為現(xiàn)有實踐已經(jīng)證明，絕大部分物美價廉的粘土粉、處理劑在工作完成周期內(nèi)都可以解決單層護壁的問題；

（4）技術(shù)人員應(yīng)當盡快改進鉆頭等操作工具，盡力擴大環(huán)狀間隙和液流通道，在需要時對孔內(nèi)沖洗液進行及時補充。因為，如果人為操作失誤，可能會使孔壁環(huán)在金剛石繩索鉆探取芯過程中，出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，這類問題會造成孔內(nèi)坍塌，且問題多出自于施工人員操作不當，或鉆具內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理等。而在金剛石繩索鉆探中不適用機械除砂裝置，會出現(xiàn)起下鉆助抽吸嚴重、巖屑過多的嚴重問題。解決這些問題，對改善項目質(zhì)量更具有現(xiàn)實意義[10]。

6 結(jié)束語

綜上所述，即使巖芯鉆探現(xiàn)在已經(jīng)較為常見，但其技術(shù)上的使用細節(jié)和實踐依然處于較不完善的階段，在鉆探工作中仍然易出現(xiàn)孔壁坍塌漏失或鉆頭毀壞的問題。為了促進鉆探工作的順利開展，工作人員不僅需要結(jié)合地質(zhì)條件和項目實際情況，還應(yīng)不斷優(yōu)化工作系統(tǒng)，提升自我專業(yè)素質(zhì)，通過實踐和理論的相互結(jié)合提高鉆孔的保護程度，提高鉆具的利用效率，為鉆探工作開拓一片光明的前景。