复杂破碎地层中应用SDB系列金刚石钻探工艺提高取芯质量的探索

陶 曙

(湖南省交通规划勘察设计院,湖南长沙 410008)

所谓复杂地层包括松散地层和破碎地层。松散地层指第四系砂卵石覆盖层;破碎地层指基岩经风化和构造运动而形成的硬、脆、碎地层或软、酥、脆地层。复杂地层岩芯钻探取芯难度较大,如果没有采取有效的措施,钻探取芯就可能达不到地质要求而造成损失。运用SDB系列金刚石钻具(也称双级单动金刚石钻具)配套S系列植物胶钻井液的钻进方法,复杂地层的岩芯采取率可达到95%～100%,而且大多数可取得原状结构柱状岩芯,能直观准确反映地层的原位结构和成份。本文结合实际工程,探讨和总结该项技术的实际应用。

1 复杂地层中影响取芯质量的因素

1.1 地质因素

地质因素是地质条件决定的取芯难易程度,复杂地层取芯大致可分为以下2大类:

1)取芯比较困难,或者相当困难的复杂地层,如砂卵石覆盖层、基岩的断层带、软弱夹层、严重破碎的挤压破碎带、软酥脆岩层以及自然状态下完整,但一经钻进就成为粗砂颗粒的岩层(如白云岩、硅质岩等),这类地层必须经过人们采用特殊的工艺技术措施和特殊的工具才能满足取芯的质量要求。

2)取芯非常困难,目前只能通过一定特殊的工具采取部分代表性样品的地层,既不能保证岩芯采取率要求,更不能保证岩样结构的地层,如基岩中已经压破碎成均匀粗颗粒,又无粉状物充填的硬碎地层;砂卵石地层中的架空层,近代沉积的浅表层、人工堆积层、无细颗粒充填的均匀砾石层,石英砂岩卵石层,以及抽水井、降水井周围卵石层等。

1.2 技术因素

技术因素是指人们采用的取芯工具、材料和工艺技术措施对取芯质量的影响。

1.2.1 冲洗液的影响

从传统的要求来说,钻探冲洗液的作用只是冷却钻头、排除岩粉、保护孔壁(部分冲洗液)和润滑钻具(润滑冲洗液)四大功能。

传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液,都对岩芯有冲刷、浸润和液化作用,岩芯中松软破碎的细颗粒成份都会溃散而被冲掉,因此很难取得高质量的岩芯。现在植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用,除了上述功能外,还具有保护岩芯(护胶作用),粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能,这三大特殊功能为上述第一类复杂地层提高取芯质量创造了必需的先决条件。

1.2.2 取芯钻具的影响

取芯钻具的影响包括钻具的种类、结构和加工质量。单管钻具只在完整岩层和岩芯质量无严格要求的地层中使用,孔底反循环钻具因为岩芯严重分选和混乱,现在也很少应用。

钻具的单动性能是钻具影响取芯质量的主要因素,SDB系列钻具目前是国内外单动性能比较好的单动双管钻具。其基本要求是钻进速度快、不易堵岩芯、不磨损岩芯,不因切削具的振动而破碎岩芯。不难理解:选择的钻头进尺快,岩芯在钻头处停留的时间短,被冲洗液冲刷的时间短;钻头设计的保径效果好,内径磨损小,不呈喇叭口,则不易堵岩芯,避免岩芯自磨;硬质合金双管钻头和复合片钻头不设计内出刃,在软岩中钻进不会因为钻具的晃动使岩芯直径变小。

1.2.3 操作技术的影响

操作技术包括钻进参数和施工工艺。就岩芯钻探来说,钻进参数是指钻进压力、转速和泵量。泵量是影响取芯质量最关键的钻进参数。不论哪一种冲洗液,泵量越大,冲刷岩芯越严重,对软弱、破碎的岩芯十分不利,因此应根据岩石的性质选择冲洗液的种类,保证冷却钻头和排除岩粉的条件下,应尽量采用最小的泵量。泵压在正常条件下不作为钻进参数的要求,但是泵压在不正常时,会影响取芯质量,应引起操作者注意,查明原因,采取措施排除。

1.3 人为因素

人为因素对取芯质量的影响是人们对取芯质量的要求和付出的努力程度。由于工程勘探的目的不同,对取芯质量的要求不一样,对于取芯质量要求不高的钻孔,自然毋须花大的代价去追求高的取芯质量。但对于取芯质量要求高的工程和钻孔,特别是取芯难度大的钻孔,不花代价是较难达到目的的。

2 S系列植物胶钻井液的功能

S系列植物胶钻井液,是粘弹性钻井液,不仅具有其他钻探冲洗液的基本性能,而且具有与其他冲洗液不同的特殊功能;在钻孔中,尤其是复杂地层护壁效果较好;使用中因为配制的表观粘度比较高,即使采用较小的泵量,排粉的能力也很强,可以排除3 mm以上的砂砾;它本身具有一定的润滑性,可降低水的润滑系数1/4,起到润滑钻具的作用。在采用必须的泵量保证冷却钻头的条件下,它们能够充分地起到普通钻探冲洗液四大功能的作用。值得深入探索和充分利用的是S系列植物胶配置的钻井液的特殊功能,这些特殊功能起到了普通钻探冲洗液不能起到的作用,因而解决了岩芯钻探中一些较难解决的难题。

S系列植物胶配置的粘弹性钻井液表现突出的特殊功能有3项:①护胶作用(也叫护心作用);②粘弹性减振作用;③减摩阻效应。

2.1 护胶作用

S系列植物胶是天然多糖类支链型高分子材料,用水溶胀后形成体型网状结构,在岩芯表面吸附形成胶膜,防止水份渗入和穿透,避免液化和崩塌,因此也避免岩芯被冲刷,起到隔水作用。浓度越高,网状胶膜越厚而密实,因而护心、护壁的效果好,同时这种粘弹性胶体在砂样和软弱岩芯表面及一定深度的表层具有胶结作用和粘弹性强度,抵抗钻具的振动破坏和地表其他外力的破坏,保持原状结构,而泥浆产生的泥皮是粘塑性体,胶体很少,大多是固体颗粒,护壁原理不一样,效果也就不一样,因而不能护芯。如在湖南省张花高速公路青坪大桥补勘中,同一钻探点、同样的岩层,分别运用普通钻井液与植物胶钻井液(配合SDB系列金刚石钻具)取得的岩芯如图1所示。

图1 现场岩芯示意图

2.2 粘弹性减振作用

粘弹性是指流体既有粘性又有弹性,是高分子类流体的一种特性。钻杆在粘弹性冲洗液的钻杆中高速旋转时,转速越高,横向振动力越大,但钻杆某一点横向作用于冲洗液某一点的时间就越短,冲洗液对钻杆的径向反作用力就越大,这个力阻止钻杆弯曲变形,就像钻杆在同口径的直孔中选装一样,这样就增大了钻杆弯曲的半波长度,减小了振动,也减轻了钻杆对孔壁的敲击作用,这就是粘弹性钻井液能减振的原因。现场实践证明,S系列植物胶钻井液粘度越高,钻杆转速越高,减振的效果越明显,振动越小,越平稳。在同等条件下,它比其他冲洗液钻进,转速可高开1～2档。在数十米砂卵石层钻孔中,Φ94口径可开800～1 000 r/min转速。金刚石钻进需要高转速,才可能高效率,进尺快,减少岩芯在钻头处被冲刷的时间,有利于提高取芯质量。,松软地层和软弱岩层钻进进尺很慢时,取芯效果就不好。同时,钻具旋转平稳,振动小,也减少了钻具对岩芯的机械破坏作用。有利于提高取芯质量。

2.3 减摩阻效应

润滑冲洗液是为了降低钻井液的摩擦系数,减少在循环通道中的摩擦阻力,而达到降低泵压,减小钻具振动的目的。S系列植物胶钻井液具有较好的减摩阻效应,不是因为本身摩擦系数大小的原因,而是一种层间滑动,它的摩擦系数为0.26,水中加入皂化油的摩擦系数是0.12,但是S系列植物胶钻井液比皂化液、清水、低固相泥浆(含PHP)的降摩阻效果都好。

在松散破碎底层钻进中,S系列植物胶粘弹性钻井液的减摩阻效应有如下好处:

1)泵压低,不会在钻头附近和内管形成高压区,可以避免岩芯被破坏。

2)冲洗液与岩芯之间的摩擦力小,减小岩芯被冲刷摩擦破坏的可能性;内管内壁与岩芯的摩擦力也小,岩芯不容易被粗糙的内管摩擦而损坏。

3)金刚石钻头和钻具的磨损降低,提高钻头和钻具的使用寿命。

4)水泵压力小,动力消耗少,水泵故障减少。

以上S系列植物胶粘弹性钻井液在很大程度上解决了复杂地层提高取芯质量、金刚石钻进开高转速和降泵压的难题。

3 SDB系列金刚石钻具的介绍

3.1 概述

SDB系列钻具是深厚砂卵石覆盖层和基岩金刚石钻进专用系列钻具。是配有普通内管和半合式内管互换的两级单动机构的双层岩芯管钻具,包括SDB110、SDB94、SDB77三级口径。它适用于未胶结的砂卵石覆盖层及所有基岩地层金刚石岩芯钻探,配合S系列植物胶钻井液岩芯采取率高,可随钻取原状岩样。

3.2 特点

本系列钻具的结构包括导向除砂打捞机构、单向阀机构、双级单动机构、内管机构和外管机构五大部分。下面分述SDB系列金刚石钻具各部件的特点。

1)双级单动机构。为提高钻具的单动性能,保障单动机构的可靠性,SDB系列钻具设计了两级单动机构。同时起单动作用。

2)内壁磨光的内管和半合管。SDB系列钻具的内管有2种:一种是内壁磨光的普通内管;另一种是内壁磨光的半合管。可以根据需要互换。半合管是在钻进松散、破碎地层时为了取原结构岩芯样时才使用。

3)单向阀。单向阀使冲洗液在正循环钻进时畅通,而在下钻过程中封闭,防止钻具在接近孔底时,孔内高粘度的冲洗液悬浮的砂子进入钻杆和内外管之间,堵塞过水通道。单向阀的上阀座上面有打捞头,用于打捞钻具。

4)缩短了岩芯管,增设了沉砂管和隔砂管。为了保证钻具有良好的单动性,缩短了内外管长度。但钻进基岩时,可根据用户需要同时增加内外管长度。在沉砂管内设有隔砂管,进入沉砂管内的钻井液,由于高速转动时的离心分离作用,岩屑分离下沉,避免进入单向阀和内外管之间,起到了除砂作用。

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4 SDB系列金刚石钻探工艺操作技术要点

4.1 钻进参数及操作注意事项

1)S系列植物胶钻井液和SDB钻具钻进砂卵石地层和基岩破碎地层时,要注意按照钻进参数(表1)一高两小的三要素操作,即“高转速,小泵量,小压力”才能得到最好的钻进和取芯效果。

表1 砂卵石地层和破碎地层金刚石钻进参数

2)钻具在孔内正常进尺时,不要提动钻具,也不要随意改变钻进参数,否则易产生岩芯堵塞。

3)出现岩芯堵塞后,若提动钻具几次无效,应及时提钻,避免磨掉岩芯。

4)裸孔钻进中,如出现坍塌掉块,处理的措施有继续打入套管,下入小一级套管,水泥固壁等,不要强行钻进,防止埋钻。

5)孔较深时,起钻要向孔内回灌浆液,以保持压力平衡,防止钻孔坍塌掉块。

6)泥土层和纯砂层钻进,回次末要停泵干钻几公分再起钻,使岩芯自然堵塞,以防岩芯脱落。

4.2 基岩钻进操作技术要点

1)基岩钻进中,遇到破碎地层,钻进参数与砂卵石层样,要一高两小,尤其要注意控制泵量,才能取好破碎地层岩芯,在张花路青坪桥ZK8—1效果如图2所示。

2)基岩钻进,根据孔深,应适当加长内外管长度,内管长度2.5～3 m为宜。

图2 张花路青坪桥ZK 8—1效果示意图

4)复杂地层起下钻时速度要慢,起钻时注意向孔内回灌浆液。

5)破碎性较大的岩层钻进时,岩芯易破碎,取芯困难,采取的措施有:

①选择振动较小进尺又快的金刚石电镀钻头。

②减短钻具内外管长度,保证单动性能良好。

③提高冲洗液的粘度,S系列植物胶,可提高2～3min以上的粘度。

④钻机转速以中等转速为宜,减小振动。

⑤泵量要小,以能冷却钻头为宜。

⑥钻具口径在可能的条件下选择较大一些为好,一般宜用Φ108或Φ91。

⑦软塑性地层,孕镶金刚石钻头进尺慢,取芯不好,则可选用硬质合金双管钻头或复合片钻头,进尺快,则取芯好。

5 SDB系列金刚石钻探分析总结

5.1 优势

工程地质勘察中,在复杂地层取芯困难,运用SDB系列金刚石钻具结合S系列植物胶钻井液进行钻探取芯,能提供直观有效的地质资料(图3),其重要作用表现为:

1)对破碎岩石钻探能大幅度提高岩芯采取率。

2)对岩石原状结构破坏很小,能提高技术员对岩石的分析和判断。

3)查清滑坡和查找滑动面比较准确。

5.2 不足之处

5.2.1 无法满足极个别特殊地层取芯要求

在堵漏技术和材料方面还没有突破性的进展,尤其是长孔段纵向裂隙沿孔漏失加上坍塌,还束手无策。即使在钻进、护壁、取芯3个方面,也还有不能满足要求的特殊情况,如坚硬打滑地层钻进,强水敏性地层的护壁,第三类复杂地层的取芯,都存在有难度,一点岩芯都取不上来也是有可能的,有待于勘探工作者不断探索和研究。

图3 青坪桥ZK 8—1对比效果图

5.2.2 运行成本高

1)植物胶比较贵,每1 t需要5 000多元,而普通泥粉每1 t只需400多元,折算到进尺上比较,用植物胶比用泥粉每1 m增加成本30元左右。

2)钻探施工每班需要作业人员比普通钻探施工多2人。

3)钻进辅助工作时间太长,比普通钻探施工每1 d少钻进4m左右,使得生产进度较慢。

综上3点,使用此项钻探工艺比普通钻探施工的生产成本高出1倍,对此,提出下列2点建议:

1)遇复杂地层确实需要解决少量控制性钻孔取芯难题时才应用此钻探工艺。

2)施工作业时,需2套SDB钻具同时配合使用,以减少辅助工作时间,提高钻进效率。

6 结束语

在全国工程地质勘察行业,还有许多单位不了解SDB系列金刚石钻具结合S系列植物胶钻井液进行钻探取芯工艺的优越性,或者没有真正掌握它的要领。此项特殊钻探工艺取芯率高,并能取得原状结构柱状岩芯,很好地解决了复杂地层中钻探取芯困难的问题,在实际工作中可加以推广应用。

[1]李月良,李映华.提高岩心钻探取芯质量的研究和技术[Z].2007.

[2]李月良,李映华.复杂地层金刚石钻进提高取心质量的关键技术[Z].2008.