磁三54-5孔鉆進方法與沖洗液的使用

孫貴生

（河北省煤田水文地質隊，河北邯鄲056201）

磁三54-5孔鉆進方法與沖洗液的使用

孫貴生*

（河北省煤田水文地質隊，河北邯鄲056201）

重點介紹了54-5施工中，針對本區特殊的地層條件，采用不同鉆進方法和技術措施等情況。對易斜地層采用的防斜工藝措施得當，根據地層特點所使用的沖洗液效果明顯，采用頂漏鉆進解決本區漏失造成的影響，減少了輔助時間，為快速揭露覆蓋層提供了方法，對沿用鉆探方法進行局部上的改進，使鉆進方法更具有針對性，通過采取有效的措施，及時解決了施工中存在的難題，提高了鉆進效率，從而取得了很好的經濟效果。為今后在該勘探區施工提供寶貴經驗。

鉆進效率；技術措施；鉆井液；防斜；頂漏鉆進

1 概述

磁三54-5孔是峰峰集團小屯礦后備區項目，本次地質勘查共布設勘查鉆孔8個，設計鉆探工程量10550.00m。本區位于峰峰集團小屯煤礦的深部，是小屯礦井的自然延伸，目的為了進一步詳細查明磁西三號勘查區的煤層賦存情況和構造發育程度，為礦井建設可行性研究和礦井初步設計提供地質資料。

1.1 鉆孔質量要求

1.1.1 巖芯采取

本次設計的鉆孔為非煤系地層分段取芯（在地層分界線、破碎帶、標志層）鉆進，煤系地層全取芯鉆進。

1.1.2 所有的巖層取芯層段巖芯采取率要求

非煤系地層巖芯采取率≥50%（甲級），煤系地層巖芯采取率≥60%（甲級），破碎帶及軟弱夾層巖芯采取率≥40%（甲級）。

1.1.3 煤芯采取

凡穿見的煤層厚度大于或等于臨界可采厚度（0.60m）的所有煤層均要求取芯化驗，要求所有參加驗收評級的煤層質量優質、合格率達到100%。其中：優質點的煤芯長度采取率≥90%，重量采取率≥75%；合格點的煤芯長度采取率≥75%，重量采取率≥60%。

1.2 鉆孔施工遇到的巖層

本鉆孔揭露地層自老至新：①太原組：該組由黑色、深灰色砂質泥巖和灰色砂巖、深灰色石灰巖和煤層組成，本孔揭露厚度44.71m。②二疊系山西組:以灰色中、細粒砂巖、深灰色粉砂巖夾黑色砂質泥巖為主，中夾1～3層煤，其中可采1層，即本區主采煤層2號煤,厚度74.55m。③下石盒子組：由灰和帶紫色花斑的粉砂巖及淺灰色鋁質泥巖、灰白色及淺灰色砂巖組成，厚度56.20m。④上石盒子組:本組分為4段，主要由灰、紫灰色粉砂巖和淺灰、灰白色砂巖組成，厚度539.05m，硬度4～6級。⑤石千峰組分2段：主要由綠灰色的中細粒砂巖與紫紅色的粉砂巖或砂質泥巖組成，二段小型交錯層理及波紋較發育。該層厚度220.30m，硬度5～6級。⑥三疊系劉家溝組：為暗紫、淺紫紅色薄—厚層細砂巖、砂巖及少量粉砂巖，砂巖具大型楔狀交錯層理，厚度584.70m，硬度6～7級。⑦和尚溝組：為暗紅色泥鈣質粉砂巖、粉砂質泥巖與紫紅色粉砂巖、砂巖互層組成，厚度25.45m。⑧新生界第四系：為黃色、棕紅色粘土，厚度20,20m。

1.3 施工日期

54-5孔設計深度1550m，自2013年5月12日開孔，于2013年8月13日終孔，除去中間非作業等時間7d，實際工期87d，根據地質、測井實際終孔深度1565.16m，終孔直徑?94mm,驗收質量甲級孔。

2 鉆探施工中的難點

（1）礦藏巨厚覆蓋層的快速揭露是提高鉆探效率、節約成本的問題之一。

（2）劉家溝組、石千峰二段地層層理發育，屬于易斜地層，傾角約30°，鉆進極易發生孔斜，以往施工的鉆孔不同程度發生孔斜，給施工增加了難度。

（3）該孔418～423m、508～514m段漏失嚴重基本不返漿；598～640m段全部漏失，孔口不返漿。

（4）煤系地層泥巖、碳質泥巖，松散破碎、水敏性強，遇水易削落、坍塌、掉塊。

（5）施工工期要求120d是普法鉆進深孔的難點。

3 使用設備和鉆孔結構

3.1 設備

施工設備的選擇依據施工的目的、地層情況和現有設備的狀況，選擇較先進的施工裝備。見表1。

表1 現場配備設備

3.2 鉆孔結構

一開?168mm直徑開孔鉆至基巖下入?140mm套管，二開換?113mm徑鉆至370m，三開換?94mm徑鉆至終孔。

4 鉆進方法與技術措施

對于不同的地層特點采用相適應鉆探工藝。

4.1 新生界第四系

第四系厚度20.20m，因此采用?168mm硬質合金鉆頭快速穿過，然后下入?168mm井口管及?140mm套管。轉速：171r/min；鉆壓：5000N；沖洗液流量：160L/min。

（1）開孔前必須對安裝質量檢查。鉆塔天輪、提引器、立軸及鉆孔中心必須在一條鉛垂線上，鉆機安裝周正、水平、堅固。

（2）加壓全部使用?105mm鉆鋌。

（3）孔口管必須加固、扶正，用水泥封閉、搗實，再用鐵管固定。防止套管松動。

（4）沖洗液采用現場挖泥漿坑的粘土和清水配制。

4.2 和尚溝組、劉家溝組、石千峰二段

該層段厚度約680m，主要問題是漏失、地層易發生孔斜、巖石較硬。如何控制孔斜、克服漏失，又能提高鉆進效率，加快進尺速度是施工考慮的主要問題。

4.2.1 充分利用粗徑鉆具防斜和加壓

孔徑與鉆具（主要是粗徑鉆具）之間的間隙是造成鉆具在孔內偏斜的重要條件，間隙越大，則鉆具軸心線與鉆孔軸心線的夾角越大，鉆具偏斜也越嚴重。鉆具在孔底鉆進主要是靠粗徑鉆具在孔內導正，一般情況下，粗徑鉆具剛性愈好，在孔內導正愈好，鉆具軸線與鉆孔軸線愈接近，則孔斜率愈小；如果粗徑鉆具剛性差，而作用力超過極限時，則鉆具發生彎曲，此時鉆具與鉆孔二軸線形成夾角（軸偏角），于是鉆頭偏斜鉆進而造成鉆孔彎曲，因此粗徑鉆具的剛性愈差，其彎曲越嚴重。依具以上理論第四系下入套管后，采用?113mm孔徑鉆進，充分利用?105mm鉆鋌防斜、控斜，三開?94mm孔徑用?83mm鉆鋌加壓，以達到控制鉆孔彎曲的目的。

4.2.2 增加鉆孔直徑防止孔斜

在一般情況下，僅從防止孔斜出發，鉆孔直徑以選擇較大一點為宜。因為，一方面大孔徑粗徑鉆具在孔內回轉時比小孔徑粗徑鉆具穩定，不容易改變鉆進方向；另一方面由于其剋取巖石的環狀鉆進平面較大，對不同可鉆性巖石改變鉆頭方向的問題也能得到一定的控制。該孔二開采用?113mm孔徑鉆進控制孔斜，經測井檢驗鉆孔垂直度得到較好的控制。隨著孔深的增加，孔內阻力增大和巖石裂隙增加，鉆具產生輕微振動并且鉆頭復合片有崩刃情況，綜合考慮在370m換?94mm直徑鉆進。換徑處需輕壓、慢轉，防止孔斜的發生。

4.2.3 鉆具組合

（1）?113mm取芯鉆具組合:主動鉆桿+?105mm鉆鋌+?108mm巖芯管+?113mm筒狀鉆頭（因取芯較淺全部采用?105mm鉆鋌）

（2）?113mm無芯鉆具組合：主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（18m）+?105mm鉆鋌（36m）+?113mm無芯內凹鉆頭。

（3）?94mm取芯鉆具組合:主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（45m）+?89mm巖芯管（長度6m以上）+?94mm筒狀鉆頭。

（4）?94mm無芯鉆具組合:主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌（45m）+?94mm無芯內凹鉆頭。

（5）鉆鋌單根之間全部采用鎖接頭形式連接。

4.2.4 鉆頭的選擇

（1）巖石的可鉆性5～7級，因此，全部采用復合片鉆頭。

（2）取芯采用筒狀鉆頭，避免使用肋骨鉆頭；無芯使用內凹型鉆頭，避免使用三翼或錐形刮刀鉆頭。

4.2.5 鉆進參數

（1）鉆壓：鉆具在孔底工作時，當鉆壓增加到臨界值時，鉆桿柱就失去直線穩定的形狀而發生彎曲，鉆具不再保持原始孔軸線線方向，而對孔壁產生側壓力作用，因而在鉆進中就會發生鉆孔彎曲。考慮地層因素，采用輕壓。鉆壓一般選擇加壓鉆鋌的1/3，5000～8000N。

（2）轉速：在一定的范圍內轉速與鉆進效率成正比關系，這已是多年來理論研究和生產實踐所共同證實的問題，生產中應根據鉆探設備、巖石性質、鉆具特點以及孔徑、孔深等條件來合理選擇轉速。一般情況下，?113mm徑轉速為149r/min，?94mm徑轉速為171r/min。

（3）泵量：在鉆孔條件允許的情況下，為了更好地冷卻鉆頭、清除孔底巖粉，獲得較高鉆進速度，在不發生憋泵的前提下，可盡量采用較高的泵量。泵量為170～260L/min。

4.2.6 沖洗液的選用

鉆井液選擇的合理與否將直接影響到鉆孔質量、鉆進效率和鉆探成本，對于巖層結構完整、巖性穩定的地層，適合采用清水做鉆井液。清水的特點是便宜、粘度小、沖洗孔底時易呈渦流狀態、沖洗效果好、冷卻能力強、比重低、有較高的機械鉆速。下入套管后使用清水做沖洗液鉆進，隨著孔深的延伸采用清水+聚丙烯酰胺做沖洗液。采用此沖洗液，臺月效率為780m/臺月。

4.2.7 鉆孔檢測孔斜對比

上部地層易斜，為了控制孔斜、保證質量，施工中組織2次測井檢查孔斜，檢測結果見表2。

從檢測結果來看，54-5孔在同一地區防斜措施得當，效果較好。

表2 孔斜檢測結果表

4.2.8 鉆孔漏失

鉆孔漏失是制約提高鉆探效率的主要瓶頸問題之一，處理不當，既浪費時間又增加鉆探成本，影響生產進度。本孔在418～423m、508～514m段漏失嚴重；598～640m段全部漏失，孔口不返漿。根據以往施工鉆孔和附近鉆孔漏失情況，分析原因屬于裂隙漏失，考慮地層情況和本孔施工用水比較充足，出現漏失現象后全部采用頂漏鉆進突破。418～423m、508～514m段鉆進時采用清水+聚丙烯酰胺沖洗液，598～640m段鉆進時采用清水+聚丙烯酰胺+鋸末沖洗液。頂漏鉆進必須始終觀察孔底巖粉情況。采用此工藝不但沒有影響鉆探效率，反而因清水頂漏鉆進小時效率高，加快了施工進度。

4.3 石千峰一段、石盒子組

該層段需要解決鉆進效率和護壁問題。

（1）鉆進參數：采用中轉速、中壓力，大泵量的技術參數。轉速149～171r/min、鉆壓8000～12000N、泵量170～260L/min。

（2）鉆頭的選用：以PDC復合片鉆頭為主要碎巖工具。泥巖段研磨性小、易糊鉆采用硬質合金鉆頭鉆進；粗砂巖段，巖石研磨性大，巖粉顆粒大，采用PDC復合片鉆頭；在泥巖、粉巖、砂巖互層中鉆進中，為了減少因巖層的變化而頻繁的上下鉆具更換鉆頭時間，使用復合片鉆頭，從而極大地增加了純鉆進時間，提高了鉆進效率。

（3）鉆具組合：主動鉆桿+?60mm鉆桿+?68mm鉆鋌+?83mm鉆鋌1小根（或?89mm巖芯管）+?94mm鉆頭。?68mm鉆鋌要保證足夠加壓重量。

（4）更換?68mm鉆鋌接手，由原來外徑85mm變為78mm,增加鉆具與孔壁環狀空間，減小泵壓和意外發生事故便于套掃。

（5）取芯鉆進：巖芯管加長至7～8m，提高回次進尺效率，增加純鉆進時間減少輔助時間；巖芯管壁厚改為6mm，縮小巖芯管上部異徑接頭絲扣尺寸，防止巖芯管脫落事故。

（6）深部鉆進要使用質量好的鉆具，連接接箍要定期更換，即磨損到一定程度要提前更換，確保鉆進安全。

（7）沖洗液的使用。沖洗液體系選擇是否合理，將直接影響鉆進效率和孔內安全，有針對性地選擇具有抗鹽、抗鈣侵污染的聚合物鉆井液。聚合物鉆井液特點是固相含量低，亞微米粒子比例小，剪切稀釋性好，穩定井壁的能力較強，懸浮攜帶鉆屑能力強，洗井效果好。人們通過大量的實驗研究，總結出鉆井液固相對鉆速的影響，鉆速隨著固相含量高而下降，從研究結果得出，固相含量每降低1%，鉆速至少可提高10%。采用此沖洗液和以上措施，臺月效率為550m/臺月數。

沖洗液的配制：膨潤土2%+純堿（Na2CO3）0.3%～0.5%+聚丙烯腈銨鹽（NH4-HPNN）0.2%～0.4%+聚丙烯酸鉀（K-PAM）0.1%～0.2%+聚丙烯酰銨（PHP）0.05%～0.1%+廣普護壁劑(GSP)0.1%～0.15%。

沖洗液的性能：泥漿比重1.02～1.08；粘度18～21s；失水量8～12mL/30min；泥皮厚度0.3～0.6mm；含砂量＜0.4%；pH值8～9。

4.4 煤系地層

煤系地層泥巖、碳質泥巖，松散破碎、水敏性強，遇水易剝落、坍塌；煤層易縮徑。應增加調控沖洗液性能，加大聚合物和護壁劑量。增加破碎地層破碎巖塊之間的膠結力，控制沖洗液濾失水量，形成高質量的泥皮。

在煤系地層鉆進中，除采用常規的單管鉆具鉆進外，在見煤預告下過后，采用加長雙管取芯鉆具，雙管鉆具內外管加長為3m。它既可保證回次進尺，又可保證巖芯的采取。雙管鉆具的鉆頭改為復合片底噴鉆頭，此鉆頭既能鉆煤又能鉆進巖石，極大地改變了雙管取芯鉆具使用效果。為減少取芯鉆具的拆卸時間，鉆機配2套雙管取芯鉆具，鉆具上來后檢查無問題，立即下入另一套取芯鉆具。

在孔內出現縮徑時，采用小一級?73mm巖芯管加?94mm肋骨鉆頭鉆進，增加鉆具與孔壁間隙，保證孔內安全。

5 結論

（1）本孔采用鉆探工藝和措施，提高了進尺速度，保證了鉆孔質量，提前完成了工期，鉆效提高了74%。

（2）上部覆蓋層的快速揭露，為本區以后施工提供了寶貴經驗。

（3）對于本區易斜地層采用的防斜工藝措施得當，有效地控制了孔斜。

（4）采用無固相沖洗液小時效率高，降低了鉆探成本，提高了鉆探效率。

（5）聚合物鉆井液優良性能，穩定了井壁，提高機械鉆速。

（6）采用頂漏鉆進工藝解決本區漏失造成的影響，減少輔助時間，提高了臺月效率。

6 建議

（1）本區以后施工建議使用螺桿鉆具防止、控制孔斜。

（2）建議使用沖擊回轉鉆進工藝，提高鉆進效率和防止孔斜。

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1004-5716(2015)02-0047-04

2014-03-14

孫貴生（1962-），男（漢族），河北大名人，高級工程師，現從事鉆探施工技術及管理工作。