陜北煤田2 300 m 深孔繩索取心鉆探技術的應用

潘小志

（福建省 121 地質大隊，福建龍巖 364000）

概況

陜北石炭二疊紀煤田地處鄂爾多斯盆地東緣，是山西河東石炭二疊紀煤田向西延伸的部分。礦區(qū)地貌上是典型的黃土高原，地層南北向弧形展布，成向西緩傾的單斜，地層由老到新依次為：石炭紀本溪組、太原組；二疊紀下統(tǒng)山西組、下石盒子組；上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組；三疊紀下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組，第四紀等[1]。第四紀結構松散，易堵塞鉆頭，三疊紀部分孔段層理、裂隙發(fā)育，巖心較為破碎，部分空隙達5 mm以上，存在全漏失。含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，厚約215 m，主要可采煤層有三層。具體地層巖性見表1。

表1 ZK1 號鉆孔地層巖性

陜北石炭二疊紀煤田深孔鉆探大多采用常規(guī)提鉆取心的方法，超2 000 m 深孔大多引進石油系統(tǒng)隊伍，施工效率高，但煤層存在打薄、打丟現(xiàn)象，達不到質量要求，而繩索取心鉆探技術可以彌補上述不足，部分地質隊也曾在該地區(qū)嘗試過繩索取心鉆進，因用水量大、施工效率偏低，成本偏高而逐漸放棄使用[2]。

1 施工工藝技術

1.1 主要設備和鉆具的配備

鉆探設備選擇合理與否直接影響到鉆探效率和成本，尤其深孔巖心鉆探設備的優(yōu)化配置顯得更為重要。鉆探關鍵設備選擇必需以孔深、鉆孔結構、施工工藝、環(huán)境條件等因素為依據(jù)，以最佳的設備匹配獲取最高鉆探效率和經(jīng)濟效益[3]。

ZK1 號孔設計深度為2 300 m，選配施工能力達3 000 m 的XY-8C 鉆機，該鉆機最大起重量為300 KN。并配置了BW300/16 泥漿泵、ZT24SG 四角鉆塔、GF150 柴油發(fā)電機組和S75A（CNHT）鉆桿（見表2），選用了雙彈卡繩索取心鉆具和可承受30 t 提升力的送水器。新設備、新鉆具保證了鉆進所需的提升力，配備了高強度送水器、滑輪、三環(huán)、提引器等附屬裝置，滿足了深孔鉆進安全。

表2 主要設備和鉆具配備

1.2 鉆孔結構

嚴格鉆具級配，對保證繩索取心鉆桿的安全使用十分重要。鉆孔施工前尚無明確的該地區(qū)深部地層地質信息，為完成ZK1 號鉆孔和小口徑物探測井要求，鉆孔設計五級成孔（見表3）[4]，留兩級預備口徑為?110 mm 和?96 mm。開孔采用?150 mm硬質合金鉆頭鉆進，穿過表面覆蓋層，下入?146 mm 套管，作為孔口管，深度63.44 m；二開采用?130 mm 金剛石鉆頭鉆進，下入?127 mm 技術套管，深度76.90 m；三開采用110 mm 金剛石鉆頭鉆進，下入?108 mm 技術套管，深度84.25 m；四開采用?98 mm 繩索取心鉆具鉆進至424.75 m，不下入套管，降低環(huán)空壓力；五開采用?81 mm 繩索取心鉆具組合鉆進至終孔深度2 311.05 m。

表3 ZK1 號鉆孔結構

1.3 鉆頭

ZK1 號鉆孔第四系覆蓋層主要為亞砂土夾礫石，膠結性差，易坍塌，鉆孔選擇?150 mm 硬質合金鉆頭開孔鉆進，鉆進至覆蓋層結束用鉆頭5 個。

第四系覆蓋層以下424.75～2 311.05 m 孔段共使用10 個鉆頭，底唇面為三階梯和底噴式（見圖1），鉆頭規(guī)格為?81/49 mm，硬度HRC30～35，鉆頭平均鉆頭壽命188.63 m，最高鉆頭壽命294.10 m，個別鉆頭操作不當，內徑發(fā)生崩刃，水口鋼體出現(xiàn)裂紋。為了改善鉆頭的鉆進效果，將鉆頭水口數(shù)增加到10 個，水口加寬到7 mm，底唇面積降低了15%以上。將水口形狀加工成內窄外寬的扇形，在保持相同時效的情況下，鉆壓可降低約15%，鉆具的負荷大大降低，突出解決了繩索取心鉆進存在的鉆壓過大和泵壓偏高兩個技術難題。

圖1 1 935.10～2 212.06 m 使用的底噴式三階梯鉆頭（內徑磨損）

1.4 鉆進參數(shù)

每個新鉆頭下入孔內鉆進時，應當使用低鉆壓、低轉速進行初磨，讓鉆頭唇面形狀與孔底及巖心根部逐漸相吻合。在鉆進過程中，通過泵壓表的變化，可以判斷孔內的狀況。根據(jù)金剛石鉆頭的口徑、鉆進的巖層性質、孔內的狀況、鉆進時效等綜合考慮，確定泵量的大小。

ZK1 號鉆孔采用594 r/min 轉速鉆進，孔深1 890.11 m 以后采用384 r/min，沖洗液泵流量為52～90 L/min，終孔鉆機電流為55～60 A，總電流100 A，泵壓5.5～6.5 MPa，內管到位時間約30 min，取心時間約1 h。

1.5 無固相沖洗液應用

無固相沖洗液是不用粘土，僅在水中加入化學處理劑而形成。它具有較好的懸攜鉆屑的能力，且在井壁上形成薄的吸附膜，具有一定的護壁能力，有較好的潤滑性和減阻作用。常用PHP- 潤滑型無固相沖洗液配方見表4。

表4 PHP- 潤滑型無固相沖洗液配方及性能指標

Ⅰ號配方的特點是粘度較低，便于開高轉速，適用于鉆進穩(wěn)定或較穩(wěn)定地層。

Ⅱ號配方的特點是懸攜巖粉的能力強，可用于鉆進較穩(wěn)定煤系地層。

Ⅲ號配方的特點都是護壁性能較好，適用于鉆進煤系地層或復雜坍塌地層等。

Ⅳ號配方的特點是有較多的鉀離子，可用于鉆進遇水膨脹的水敏性地層。

ZK1 號鉆孔穿過黃土覆蓋層下完套管至孔深1 890.11 m 為較完整地層，一般使用Ⅱ號配方和Ⅰ號配方無固相沖洗液，特殊地段使用Ⅲ號配方和Ⅳ號配方無固相沖洗液，所用材料PHP 要求分子量在600～900萬以上，水解度為30%。鉆遇漏失、破碎孔段加入隨鉆堵漏劑、改性瀝青和包被劑，以提高濾液粘度，降低失水量，提高護壁效能，粘度保持在22～28 S 左右。

1.6 耐高溫沖洗液應用

ZK1 號鉆孔施工至孔深1 890.11 m，鉆取的巖心露天放置迅速脫水，表層“脫皮”（見圖2），形成坍塌掉塊，沖掃難度大，更換常規(guī)低固相沖洗液，所用材料為鈉土（400 目）、增效粉、純堿、包被劑、防塌型隨鉆堵漏劑、CMC，比重1.03～1.04，粘度最高達177 S，返上來大量顆粒狀巖屑，沖掃孔時間花去125 h 也掃不到孔底。

圖2 “脫皮”巖心

經(jīng)過分析認為，由于井底溫度超過60 ℃，常規(guī)處理劑PHP、包被劑、CMC、隨鉆堵漏劑等會失去作用，無法滿足鉆進性能要求。因此，為了維護孔壁穩(wěn)定，更換耐高溫沖洗液，僅用時20 h 就順利穿過破碎坍塌地段正常鉆進[5]。

1.6.1 耐高溫沖洗液所用材料

水解聚丙烯腈銨鹽（NH4-HPAN）：泥頁巖抑制劑，具有降濾失、稀釋的特點，抗溫能力強，抗熱穩(wěn)定性好等作用，抗溫性能200 ℃～300 ℃。

改性瀝青（GLA）：具有降失水、護壁作用，減摩降阻效果明顯，抗溫性能150 ℃。改性瀝青在高溫時具有較強的粘結性，提高破碎巖層顆粒之間的膠結力，能提高孔壁穩(wěn)定性。

API 鈉土粉：400 目，不需再加入純堿。

配制時，先加入水，再加入鈉土，攪拌20 min 后，再加入改性瀝青、水解聚丙烯腈銨鹽，使處理劑攪拌均勻后倒入沖洗液池中。

1.6.2 耐高溫沖洗液使用配方

進入1 890.11 m 后更換耐高溫低固相泥漿采用384 r/min，泥漿泵流量為52～90 L/min。由于該孔部分孔段有掉塊，而且為裸眼孔，巖粉多，有少量巖屑未充分沉降，調配的耐高溫沖洗液配方為：1 m3水+50～70 kg 鈉土+6～8 kgGLA+10～15 kg NH4-HPAN，沖洗液漏斗粘度維持在28～35 S，比重1.03～1.07，失水量控制在10 mL 以下，PH 值控制在8～9 之間。每個小班檢測2 次沖洗液性能，使用除砂器除砂。終孔后電測加大材料用量，粘度45 S，比重1.10。深孔鉆進在打撈、加尺、下鉆前多沖孔，沖孔時間盡可能長點。

2 鉆進技術效果

通過不斷探索和總結，使用施工能力強的設備，優(yōu)化鉆孔結構，優(yōu)選鉆頭工具，使用耐高溫沖洗液，有效的克服了礦區(qū)的鉆探施工難題，施工效率大幅提高。

ZK1 號鉆孔終孔孔深2 311.05 m，終孔層位為M11 下20 m，終孔孔斜0.89°，井底溫度72 ℃，總回次815 次，平均回次進尺2.84 m，全孔取心率97%，煤心采取率達90%以上，成孔質量好。由于該孔施工單價較高，其綜合效益顯著。

3 經(jīng)驗

（1） 目前深孔鉆進一般采用繩索取心鉆進技術，繩索取心鉆進由于環(huán)狀間隙小等因素，容易引起壓力波動，造成孔壁不穩(wěn)定，在深孔鉆進中降低環(huán)空壓力是非常必要的[6]。

（2） 深孔施工就要有好設備、管材，有了“金剛鉆”就敢攬“瓷器活”；同時配備高強度送水器、滑輪、三環(huán)、提引器等附屬裝置，這樣操作才放心[7]。

（3） 孔深1 800 m 后，由于井底溫度超過60℃，及時更換耐高溫沖洗液材料（常用為水解聚丙烯腈銨鹽、改性瀝青等），充分凈化沖洗液，性能指標不達標要及時更換，使沖洗液具有良好的性能。剛開始認識不到位，造成沖掃孔時間達125 h。

（4） 在陜北石炭二疊紀煤田使用繩索取心鉆探工藝，對比本隊在全國其他地區(qū)施工現(xiàn)狀，仍然存在生產成本偏高的難題，這是需要進一步攻克的難關[8]。