化學泥漿及繩索取芯技術在深孔鉆探中的應用

梁秋生

(明達海洋工程有限公司 北京 100077)

孔深范圍在1000m至3000m的巖心鉆探在工程上被稱為深孔施工，由于在深孔鉆探施工中經常會發生孔壁坍塌、掉塊、裂隙、漏水、縮徑和超徑等現象，因此對施工技術有著較高的要求，既要保證設備能力、還要符合鉆進施工的需求。深部地層對鉆探機具及裝備以及轉進工藝等方面提出了更高的要求[1]，合理的施工技術以及應對施工事故的措施對于鉆探施工至關重要[2-5]。

1 地層結構

開陽磷礦地處貴州中部開陽縣西側約12km，北起溫泉鎮，南至用沙壩，南北長約20km，以產量大、品位高(P2O5 33.32%)而聞名全國，是全國特大型的富磷礦床。主要集中在洋水背斜東、西兩翼深部延伸區，大部分為深孔和超深孔鉆探，遇到的地層也很復雜，施工難度成倍增加[7]。針對此類問題，在鉆探施工實踐中，應分步驟有計劃的實施。

2 鉆探工藝選擇

根據開陽磷礦地質特點以及地層孔段情況，鉆孔的設計可以采用三級鉆孔結構并預留一級。以Φ150mm開孔，穿過覆蓋層4m下入Φ146mm套管，然后采用Φ95mm穿透上部破碎地層，下入75mm套管，之后以Φ55mm繩索取心鉆進，當遇到復雜地層普通方法無法處理，可擴備用孔徑100mm，下入75mm套管，最后換回55mm鉆具裸眼鉆進至1340m。因此配套主要鉆具：Φ95、Φ75及Φ55繩索鉆具。

由于轉盤鉆機其導向和定向性能相對較差，轉盤扭矩大，影響了轉速的提高，不適合鉆探深孔，因此選擇連云港天明機械廠XY2000型立軸鉆機。

鉆探工藝：化學泥漿護壁—變徑跟管—金剛石鉆進—繩索取芯。

3 鉆探施工過程遇到的難點及其解決方法

在鉆探施工過程中主要遇到了鉆孔漏水、縮頸、塌孔、鉆具孔內磨損、變徑跟管的有效回收、泥漿配比試驗及如何有效進行鉆進過程控制等幾個難點[7-8]，主要發生在第一層和第五層，針對以上問題，技術組找到了一套可行的方法，在本次鉆探施工實踐中得到較好應用。

3.1 漏漿

節理發育，透水性強，鉆探施工過程中嚴重漏漿。采用一般的堵漏護壁材料效果很差，且成本較高，可靠性差。

采取的措施：頂水鉆進，加入少量聚丙烯酰胺潤滑鉆具，攜帶巖粉直接由巖石節理裂隙排走。這種方法成本低，鉆機效率也高，但是有一個很大的隱患：給水水泵損壞或壓力不足，容易燒鉆。解決此方法：在鉆機給水管進口處增加一個水流實時觀測流量器，對進入孔內的水量進行檢測，確保鉆具安全。

3.2 塌孔

頁巖夾粉砂巖層巖性以灰綠色頁巖為主夾細砂巖薄層。巖性完整，脆性大，巖體受地應力影響，巖體內聚存較大應力，當巖體出現自由面后，因應力釋放，自由面會產生崩塌。典型特征是：取出巖芯后存放20～30天，巖芯成為餅狀巖芯。

黑色炭質頁巖，泥質結構，層狀構造，微層理發育，進水后易膨脹塌孔。

處理方法：針對地層特征及塌孔、縮頸機理，研究配制了專用的化學泥漿，護壁效果良好，保證了鉆孔施工的順利實施。化學泥漿的配制及使用方法見后面章節敘述。

3.3 磨損

隨著鉆孔的深入，鉆桿整體柔性增加，鉆桿接頭處如有微小變形，鉆桿在高速旋轉中極易磨損護壁套管，造成鉆桿和套管的雙重磨損，形成的隱患是：鉆桿斷裂及套管磨斷或變薄，在回收套管時極易丟管。

解決方法：先將高效潤滑劑作乳化處理，在鉆進施工過程中于孔口順鉆桿外壁慢速加入。

3.4 變徑跟管回收困難

鉆孔經過3次變徑，跟管3層套管，直接采用繩索鉆桿作為跟管套管。在套管(繩索鉆桿)回收過程中，有時回收困難，經過分析，造成套管回收困難的因素主要有：①套管外壁對孔壁的摩擦力，②孔口掉石塊造成的卡管，③鉆孔巖粉的回流沉淀等。

解決問題①的方法：成孔金剛石鉆頭外徑加大1～2mm，擴大成孔直徑，加大套管與孔壁間隙。套管外側全面積涂抹黃油，且黃油表層撒滿聚丙烯酰胺，保持套管與孔壁的潤滑接觸。

解決問題②③的方法：進口套管反壓橡膠密封膠皮，保證孔返出泥漿全部流入泥漿池，不回流至孔內。

3.5 鉆孔偏斜

由于鉆孔較深，預防鉆孔發生偏斜也是一項重要的技術工作，主要結合現場實際情況，采取以下措施[9]：

①鉆機安裝要水平、牢固，地基要平整、堅實，方位角及傾角要在現場業主地質人員確認的情況下符合設計要求，開孔鉆進時，要經常檢查天車中軸線與孔口中心線是否一致。

②開孔孔段鉆進，機上鉆桿不宜過長，應盡量減少鉆具的擺動對鉆孔孔口的影響。

③隨鉆進深度的增加，應加大巖芯管(內管)的長度，一般可以增加到6～12m。

④鉆進過程遇破碎層、松散層時，杜絕使用過大鉆壓和轉速，對鉆進速度要控制在一定范圍內，必要時要減壓鉆進，防止鉆具走偏。

⑤注意鉆進過程中換層，無論地層由軟變硬還是由硬變軟，無論是由完整變破碎還是由破碎變完整，均按要求減壓、減速鉆進，一旦換層，要把鉆頭適當提起一定高度，反復鉆掃，通過上部孔徑的導正，使鉆頭在新的巖層界面時，保持鉆孔不因地層變化發生偏斜。

⑥現場加強技術管理工作，對遇到的問題要及時進行分析研究，對鉆進過程中每隔一定距離進行測斜，以便及時掌握鉆孔孔斜變化情況，及時應對處理。

3.6 井內事故

①加強責任心，努力鉆研并掌握鉆探技術，樹立精益求精的工作態度，避免事故的發生。

②經常進行鉆探技術知識的學習，總結經驗，吸取教訓，防止同類事故重復發生。

③要實行崗位責任制，各行其事，加強對機械和鉆具檢查，保證鉆機、水泵、柴油機等工作正常，發現問題及時處理，對下井鉆具、提引器具要嚴格檢查，不合格者，絕不將就使用。

④對地層狀況要了解清楚，什么層位采用何種工藝參數，用哪種類型和配方的泥漿，要做到心中有數，提前做好準備，防止盲目操作。

⑤隨時觀察鉆機、水泵、柴油機的各種儀表指針的變化情況，從而判斷井內情況，正確調整鉆壓、泵量、轉數等工藝參數，防止燒鉆、糊鉆等井內事故發生。

⑥降管時，鉆桿提引器要擰緊，降下速度要適當控制，遇到換徑處，井內掉塊、探頭石、溶洞、脫落巖芯和有縮徑現象的孔段，降下速度要慢，井口夾持器等工作要靈活可靠，防止跑管事故發生。

⑦降離井底0.5m左右要開始泵送泥漿，待泥漿到達井底，井口返水再開車，緩慢掃下，如井內為干孔或局部返水，要根據經驗判斷泥漿到達井底才能開車。

⑧發現井內阻力突然加大，升上突然遇阻要妥善處理，不得強行開車或猛提鉆具，防止將鉆具“擰死”。

⑨處理事故并做好記錄，做到心中有數，要將事故井深、事故頭位置、事故頭形態、每次的處理方法、所用鉆具名稱、規格、處理效果等要詳細記錄清楚，不得以“處理井故”幾個字而代之。

⑩發生井故后，要及時報告機長和項目經理，共同研究分步處理方案，個人不得隨意改變方案，如情況變化，則需重新研究方案，防止方法不當造成事故加事故。

4 小結

① 開陽磷礦地區的深孔鉆探采用“化學泥漿護壁—變徑跟管—金剛石鉆進—繩索取芯”的鉆探施工工藝，能極大提高鉆進效率和鉆孔質量，該孔施工情況表明，深孔臺月效率為776m，并達到了優質孔的目標，取得了良好的經濟效益。

② 直接采用金剛石繩索鉆孔作為變徑跟管套管，可保證護壁套管的剛度和垂直度，在安裝過程中做好外表潤滑處理及防埋防卡措施后，回收方便且回收率高，降低施工成本。

③ 采用特別配制的化學泥漿護壁，可以有效預防頁巖應力釋放產生的縮頸及黑色炭質頁巖遇水崩解產生的塌孔。

④ 泥漿護壁技術、孔斜控制技術及預防井內事故技術等多手段配合鉆進，加上鉆機機長、機手施工操作的責任心，能夠快捷、高質量完成鉆孔作業。