紅石泉地區(qū)復雜漏失地層鉆探施工工藝的探索與應用

趙濤

(核工業(yè)二一六大隊,烏魯木齊 830011)

0 引言

地層漏失是鉆探過程中普遍存在的問題,不僅增加了鉆探施工難度,也增加了鉆探施工時間和成本。地層漏失嚴重時還會引起卡鉆、井塌等事故的發(fā)生[1]。由于地質鉆探的孔徑、鉆進方法以及設備條件具有特殊性,在鉆探生產中實施堵漏技術存在諸多問題,對于孔隙型和微裂隙地層的滲漏和微漏失情況,通常選用橋接材料及惰性材料等進行防漏堵漏,可有效解決地層滲漏和微漏失問題[2],但對于構造破碎帶以及大范圍的復雜破損漏失地層,常規(guī)堵漏方法難以見效,往往存在鉆進風險高、施工效率低、施工成本高以及鉆孔質量難以達到地質要求等問題,容易造成返工甚至鉆孔報廢,致使鉆探成本損失,無法達成項目目標[3]。從紅石泉地區(qū)近年鉆探施工情況看,采用多層套管護孔技術是目前面對區(qū)內復雜地層施工最有效、經濟的技術方法[4]。

1 工作背景

紅石泉鈾礦床位于甘肅省龍首山鈾礦成礦帶西段,是龍首山成礦帶鈾礦資源勘查的重點工作區(qū)之一[5],龍首山鈾成礦帶是祁連—秦嶺鈾成礦省的重要組成部分[6]。紅石泉地區(qū)總體地勢西高東低,山勢陡峻,區(qū)內一般海拔2000～2600 m,高差300～1000 m,屬中低山區(qū)地貌,山間溝谷發(fā)育呈樹枝狀分布,多“V”字形溝谷和巖坎。鉆孔附近地形為典型山地,孔位布設多在山頂、山腰、山脊等位置,設備搬遷困難,需依托工程機械設備修路并平整,才具有設備車輛運輸條件。山區(qū)搬遷作業(yè),全液壓動力頭鉆機近距離搬遷可依托鉆機自身行走機構,立軸式鉆機必須通過車輛運輸,工作區(qū)內各類物資搬運主要依托越野載重車輛。2020年共完成普通地質勘查鉆孔9個,均為75°～80°的斜孔,共完成鉆探工作量5050.49 m。

2 地質概況

龍首山地質演化經歷了三大發(fā)展階段,每個階段的沉積建造、所受應力、構造變形、變質作用、巖漿活動及成礦作用都有不同的特點[7-8]。區(qū)域地層分布不全,主要為元古界,零星出露上古生界、中新生界地層。紅石泉鈾礦床地區(qū)主要鉆遇地層以中遠古界地層為主,鉆孔目的層主要為下遠古界地層,其他鉆遇的地層多為不同規(guī)模厚度的構造破碎帶以及表層第四系浮土。地層自上而下可分為:

(1)第四系(Q)。以現(xiàn)代沖積、洪積、風積的砂、礫石、亞砂土、黃土等為主,在區(qū)內沉積厚度通常在0～10 m;

(2)構造破碎帶。通常發(fā)育2～3層,多呈灰黑色,組成成分復雜,規(guī)模、厚度、性質不一,通常為鉆探施工中事故多發(fā)地層;

(3)中元古界墩子溝群(Pt2dz)。不整合于新元古界震旦系孩母山群(Pt3hm)之下,主要為一套厚層富含硅質的碳酸鹽巖建造,夾千枚巖、板巖和硅質巖。根據(jù)工作區(qū)內鉆遇地層顯示,其中墩子溝群(Pt2dz3)多為薄層結晶灰?guī)r,灰褐色千枚巖,黑色炭質千枚巖,偶夾石英巖;墩子溝群(Pt2dz2)多鉆遇硅質條帶灰?guī)r,含硅質條帶白云質灰?guī)r及硅質灰?guī)r、結晶灰?guī)r,具灰白色、玫瑰紅色硅質條帶為其特征,在底部含迭層石;墩子溝群(Pt2dz1)多鉆遇變質礫巖、變質長石石英砂巖等地層;

(4)下元古界龍首山群(Pt1ln)。主要鉆遇塌馬子溝組(Pt1t),巖性以為深灰色片巖、片麻巖、灰白色石英巖、角閃巖等為主。

鉆探施工目的層基本為淺肉紅色偉晶花崗巖和肉紅色中粗粒花崗巖為主。從鉆遇地層破碎情況來看,區(qū)內上部地層碎裂嚴重,其中多為碎裂灰?guī)r、碎裂板巖和構造破碎帶,下部地層為局部破碎的花崗巖及構造破碎帶,通常自上而下破碎程度呈減輕趨勢,整體鉆遇地層破碎程度較高[9]。

3 主要技術難點

根據(jù)該工作區(qū)往年鉆井實際情況,在鉆井過程中易出現(xiàn)卡鉆、井壁垮塌、井下漏失、井徑擴大等復雜情況,這與該地區(qū)地層變化情況、鉆井技術參數(shù)、鉆井液維護處理情況有一定關系,報廢過一定的工作量,導致了鉆井施工難度的增加,延長了鉆井周期,大大增加了鉆井成本。

鉆孔漏失嚴重。施工鉆穿表層5～10 m第四系浮土后,下部10～150 m地層裂隙發(fā)育、碎裂嚴重,淺層構造破碎帶發(fā)育,鉆孔漏失問題很嚴重。150～400 m段灰?guī)r、板巖地層碎裂嚴重,400 m以下花崗巖地層裂隙發(fā)育,易發(fā)漏失。工作區(qū)鉆孔漏失通常為多段漏失,且井壁漏失與井底漏失共存,漏失情況復雜。

碎裂地層施工風險大。在鉆進過程中,因沖洗液漏失,孔壁失去泥漿保護,破碎地層受鉆桿擾動極易造成孔壁掉塊或坍塌。部分嚴重碎裂地層無法依靠泥漿維護孔壁安全,鉆進過程中風險高,極易造成卡鉆、埋鉆等嚴重孔內事故。

部分地層鉆進困難。受地質構造運動,工作區(qū)內地層組成復雜,其中石英片巖、花崗巖鉆進極為困難,鉆進效率低至1.0～1.5 m/h。

4 鉆進工藝技術方法

4.1 主要施工設備

在施工過程中盡量保證鉆機的純鉆時間,減少輔助時間,施工時最好采用進尺行程長的全液壓鉆機[10]。根據(jù)搬遷條件、地形地貌、設計孔深和鉆進工藝,在2020年的紅石泉鉆探工作中,綜合優(yōu)選了2臺CSD-1800X全液壓動力頭式鉆機和1臺XY-44A立軸式鉆機。

4.2 鉆孔結構

一級孔徑設計為113 mm,由直徑113 mm鉆頭擴孔而成,穿越表層第四系、上部碎裂巖層和構造破碎帶,下入108 mm×4.5 mm套管,進行護壁并封隔漏失地層,為后續(xù)施工創(chuàng)造施工條件,降低工作風險,提升鉆孔成孔率。

一級套管下入后,繼續(xù)采用繩索取心鉆進,如下部地層再次鉆遇嚴重的復雜破碎漏失地層,在采取堵漏和泥漿護壁措施無效的情況下,危及安全鉆進,則必須下入二級套管進行護壁,以保障鉆孔成孔率。

二級套管采用91 mm×4.5 mm規(guī)格的套管,通過2020年的實踐經驗,二級孔徑設計為96 mm可滿足工作需要,二級孔徑由96 mm鉆頭擴孔形成,預計二級孔徑孔深300～450 m。

三級孔徑設計為77.5 mm,采用直徑77.0 mm鉆頭配合77.5 mm擴孔器,鉆至完鉆孔深。根據(jù)在巖漿巖地區(qū)采用金剛石繩索取心鉆進工藝的技術經驗積累,77.0 mm孔徑相對常規(guī)使用的75.0 mm孔徑,在適當增加環(huán)狀間隙的情況下,上返巖粉情況得到改善,可避免泵壓過高造成的地層漏失問題。

圖1 鉆孔結構圖Fig.1 Drilling hole structure

4.3 鉆進方法

第四系及上部碎裂巖使用113 mm孔徑施工,其中第四系地層多為松散堆積物、黃土等,層厚多在0～20 m,因其結構松散,未膠結或膠結差,且遭受物理、化學和生物風化作用嚴重,鉆進非常容易,根據(jù)2020年的工作經驗,采用113/87 mm復合片鉆頭可安全、穩(wěn)定、高效地鉆進。

鉆穿表層第四系后,根據(jù)工作區(qū)域不同,下部地層主要包含有花崗巖、大理巖、灰?guī)r等幾類地層,通常地層破碎程度高,構造破碎帶發(fā)育,可鉆性級別較高。采用金剛石繩索取心鉆進工藝方法,既可提高在破碎地層的巖心采取率,又可提高在堅硬地層的鉆進效率。鉆穿上部碎裂地層和構造破碎帶后,采用113 mm擴孔鉆具對該段進行擴孔,下入套管維護,完成一開孔段工作。

二開孔段主要是為下入二級套管,封隔一開孔段下部地層再次鉆遇的構造破碎帶,解決破碎地層孔壁掉塊和鉆孔漏失問題。首先采用77 mm金剛石繩索取心鉆進,鉆穿下部構造破碎帶和碎裂不穩(wěn)定地層后,使用96 mm擴孔鉆具對該段進行擴孔,擴至完整穩(wěn)定的花崗巖地層后,下入二級套管對破碎漏失段進行封隔。

三開依據(jù)2020年區(qū)內工作情況,鉆孔下部地層相對上部較為完整,嚴重漏失和掉塊等問題較為少見,因此直接采用XJS75系列金剛石繩索取心鉆進方法[11],采用77 mm金剛石鉆頭配合77.5 mm擴孔器鉆進至終孔。

4.4 分層鉆進技術措施

工作區(qū)內表層一般為浮土、黃土等,可鉆性級別低,厚度最大僅10 m,且對取心要求不高。采用復合片單管鉆進可迅速穿過,通常使用低鉆壓、低轉速、較大泵量。

常規(guī)巖漿巖地層通常為較完整的灰?guī)r、花崗巖等地層,部分花崗巖、石英巖地層硬度高,研磨性強,可鉆性高達8～10級。此類地層主要采用植物膠配置較低固相的泥漿進行施工,采用XJS75金剛石繩索取心鉆進工藝。

碎裂地層和破碎帶地層通常面臨鉆孔漏失問題,在構造破碎帶中易發(fā)全孔漏失。一般鉆進時,護壁堵漏工作非常重要。常規(guī)孔隙和微裂隙地層漏失可通過泥漿和堵漏材料進行護壁堵漏,大裂隙地層無法堵漏,只能采用頂漏快速鉆進的工作方式。漏層鉆進需控制進尺速度,適當增加泵量,宜選用階梯底唇面鉆頭鉆進。

4.4.1 鉆頭類型

區(qū)內施工采用復合片鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭開展鉆進及擴孔工作,復合片鉆頭用于表層第四系鉆進和擴孔工作,金剛石鉆頭主要用于繩索取心鉆進,在堅硬地層擴孔時,可選用對應口徑的金剛石鉆頭進行擴孔。

通過示范區(qū)建設，促進馬鈴薯產業(yè)向“標準化、機械化、規(guī)?；⒓s化、輕簡化”發(fā)展，加快我縣馬鈴薯產業(yè)發(fā)展步伐，提高農民種植馬鈴薯積極性。并進一步帶動周邊地區(qū)馬鈴薯生產水平的提高，起到科技示范和輻射帶動作用，對促進特色現(xiàn)代化農業(yè)和農業(yè)農村經濟科學發(fā)展，推動地方特色農業(yè)的產業(yè)化發(fā)展和農民增收，推動社會主義新農村建設具有巨大的現(xiàn)實意義。

4.4.2 鉆具組合

根據(jù)鉆孔結構設計及鉆進方法,選用鉆具組合見表1。

表1 鉆具組合一覽表

4.4.3 鉆進規(guī)程參數(shù)

鉆進規(guī)程參數(shù)主要根據(jù)鉆進工藝和地層確定,工作區(qū)內選用如下鉆進規(guī)程(表2)。

表2 鉆進規(guī)程參數(shù)一覽表

4.4.4 泥漿配置和性能

根據(jù)地層特性和鉆進工藝技術方法進行泥漿配置,表3為泥漿配置參數(shù)。通過施工證實,對于嚴重漏失地層的頂漏鉆進,僅采用膨潤土基漿鉆進,既能滿足鉆進需求,又能降低泥漿材料消耗。

表3 泥漿配置參數(shù)和性能

植物膠防漏鉆井液是在傳統(tǒng)全液壓鉆機在巖漿巖地層中使用的低固相或無固相泥漿體系的基礎上進行改進的,它即可滿足繩索取心鉆進需求,又可對低滲透孔隙型漏層和微裂隙漏層有一定的預防和封堵[12]。其配置參數(shù)見表4。植物膠兼具提黏、降濾失、潤滑作用,使膨潤土固相顆粒形成的泥皮質量提升,滲透率降低。適當提升了黏度,增加了孔隙型地層的滲透阻力,固相顆粒之間形成網狀結構,抑制了自由水的流動。其攜巖能力的提升,巖粉固相顆?？呻S滲透進入孔隙、微裂隙中,與膨潤土固相共同作用,逐漸形成封堵作用。

表4 植物膠鉆井液配置參數(shù)

橋接堵漏作為區(qū)內堵漏的主要方法之一[13],面對紅石泉地區(qū)孔內多點、多層位的漏失處問題時,單獨使用801或803堵漏劑效果不理想。在堵漏工作中進行了多種橋接劑的配置研究,橋接材料按形狀大小可分為顆粒狀、片狀、纖維狀三類,見表5。

表5 現(xiàn)場采用的橋接材料來源

表5中的原料在施工地來源廣泛、價格低廉,試驗中將3種類型的堵漏材料配合,并添加牛羊糞浸泡,最終混合在沖洗液中使用。

橋接劑配置方案:顆粒狀(5～10 kg)+片狀(4～6 kg)+纖維狀(10～15 kg)+牛羊糞(5 kg)+20.0%纖維素溶液(15 L)+適量水,攪拌浸泡24 h備用。堵漏劑使用方案:1 m3水+6.0%～8.0%膨潤土+5.0%～10.0%橋接劑+0.3%～0.5%纖維素CMC+3.0%～5.0%植物膠,采用少量多次投入,泵送法循環(huán)擠壓。注意泥漿的黏度和切力適當,避免喪失可泵性。

該堵漏方法必須采用“逢漏即堵”的原則,如鉆進直至發(fā)生嚴重漏失后再進行堵漏,則效果不佳。在2020年項目多個鉆孔施工中,在中粗?；◢弾r和碎裂巖層發(fā)生的漏失,對于規(guī)模不大的裂隙地層及時采用此法填補孔壁裂隙和孔隙,大大改善了鉆孔漏失狀況。

聚丙烯酰胺堵漏法,即采用絮凝沉淀和交聯(lián)封堵作用封堵裂隙[14]。主要材料為1600萬聚丙烯酰胺。使用方法是在8.0%的膨潤土基漿中加入3.0%～5.0%的聚丙烯酰胺粉末,充分溶解攪拌后,加入25 kg粗粒鋸末,快速混合攪拌后,由鉆桿送入花崗巖漏層中,邊送邊提升鉆桿。灌入完成后將鉆桿提出孔內,靜待15～20 min左右下入鉆桿試鉆。如發(fā)生漏失可再次用此方法進行堵漏,通常2～3次堵漏工作后即可封堵漏層。

部分鉆孔由于穿過多條破碎帶,傳統(tǒng)堵漏方法難以奏效。施工研究中發(fā)現(xiàn)多數(shù)鉆孔上部地層松散、破碎程度高;中部至下部地層破碎程度相對輕微,在施工中上部地層采用套管隔離,下部地層采用橋接材料堵漏可獲取一定效果。對于部分裂隙較大的地層,采用了復合堵漏袋法堵漏獲得了成功[15]。具體方法是由塑料袋、麻布袋、編織袋、勞動布等強度較好的材料為包裹,根據(jù)孔內情況做成內20～50 mm 的球狀包裹,內部可填充膨潤土粉、纖維素粉、聚丙烯酰胺粉末、水泥、惰性材料等,外部涂抹纖維素或聚丙烯溶液,孔深時可將鉆桿下到漏層位置后,利用繩索取心鉆桿逐個送入孔底,簡單易行。開泵循環(huán)一段時間后,輕壓慢轉鉆進。由于球袋內材料繁多,在漏層位置具有堆積、固結和填充的作用,在受到擠壓破壞后,部分材料被擠入孔壁和孔底,可將孔底裂隙填充堵塞從而改善漏失狀況。

5 施工效果

根據(jù)工作區(qū)內生產條件,在“預留一級孔徑”的前提下,放棄采用S95繩索取心鉆進工藝,而是更換小口徑的XJS75繩索取心鉆進工藝進行施工。小口徑工藝鉆進巖石切削面積減少,圖2為2016～2020年工作區(qū)內平均臺月效率對比,可以看出2020年采用XJS75施工效率提升明顯。在鉆孔護壁方面,因小口徑鉆進使得地層暴露面積減少,對地層的擾動較小,因而更有利于孔壁穩(wěn)定,2020年全年未發(fā)生嚴重孔內事故,成孔率100%,無報廢工作量。

圖2 2016—2020年工作區(qū)內鉆孔平均臺月效率Fig.2 Average monthly drilling efficiency in the work area from 2016 to 2020

通過植物膠類鉆井液的研究和應用,使鉆井液體系在滿足繩索取心鉆進要求下,相對提高了黏度和固相,使其在復雜地層中護壁效果良好,大大提高了鉆孔成孔率。在漏失地層中,針對不同的漏失情況,選擇采用橋接堵漏法、聚丙烯酰胺堵漏法、復合堵漏袋、泥球等方法,能較好地解決部分地層的漏失問題,一定程度上解決了該地區(qū)因沖洗液漏失引起的塌孔埋鉆難題,保證了該施工區(qū)鉆井施工進度,取得了較好的降本增效。

6 結論

采用XJS75金剛石繩索取心鉆進工藝,小口徑鉆進切削面積減少,鉆進效率相對往年提升15%。另外,孔壁裸露面積減少,對地層擾動小,更有利于孔壁穩(wěn)定。鉆孔結構護壁采用套管和沖洗液兩種護壁方式:針對上部漏失嚴重地層,采取相應的頂漏快速鉆進,鉆穿后擴孔采用套管護壁,排除了上部地層破碎嚴重的安全隱患;針對下部破碎相對輕微的地層,采用泥漿護壁和相應的堵漏措施,采用低固相泥漿可高效鉆進至目的層。

綜合采用沖洗液配置、橋接材料以及其他可行的防漏堵漏方法與措施,有效改善了孔隙和微裂隙地層的滲漏和微漏失問題,減少了材料消耗,降低了生產成本,提高了孔內安全,為紅石泉地區(qū)的優(yōu)質、快速、高效、低成本鉆井施工提供了一些參考和經驗。