深孔岩心钻探问题探讨

2014-12-22汪洪民WANGHongmin

价值工程 2014年36期

汪洪民WANG Hong-min

（青海省第二地质矿产勘查院，西宁 810028）

（The 2nd Geology and Mineral Resources Institute of Qinghai Province，Xining 810028，China）

0 引言

随着我国社会主义的不断向前发展，我国愈来愈重视各种技术领域的突破，力争在许多重要技术领域走在世界前列，摆脱我国自主技术能力水平低的帽子。钻探技术作为矿产能源开发、交通基础设施建设和高层建筑建设过程中必不可少的重环节，其发展水平直接关系我国国民经济建设能否正常快速前行。当前，在浅层钻探领域我国的各项技术已经相当成熟，而且正在不断取得创新与突破，然而随着浅层矿产资源的枯竭，浅层孔钻探不足以保证各种高技术标准的交通基础设施和高层建筑的正常开发建设，因此，亟需对深孔钻探技术进行研究，以期能适应现代社会的发展需要。

1 深孔岩心钻探问题概述

深孔岩心钻探相对于目前普通的岩心钻探，不仅其孔深明显增加，而且钻探成本与钻探难度都急剧增大，因此，深孔岩心钻探问题必须得到相关人员的高度重视，在安全第一的前提下不断探索与试验相关技术，力争深孔岩心钻探技术取得新的突破。在深孔岩心钻探中，设计钻探小孔的结构和钻进过程中孔壁的稳定是需要重点注意的地方，因为如果对这两个方面的问题不加以重视，那么在钻探过程中，由于地层应力、地层的孔隙压力、地层破裂压力和地层坍塌压力的综合作用，会出现安全事故。要想避免深层钻探过程中出现的各种安全隐患，需要重视地质结构、岩石性质、钻探工艺和孔内侧井的技术。本文以深孔岩心钻探过程中，孔壁的稳定与安全为出发点，对于深孔岩心钻探过程中的孔壁稳定、钻探装备与钻探过程两方面探讨其中存在的问题并给出对应的解决办法。

2 深孔岩心钻探存在的问题及对策

2.1 孔壁稳定性

2.1.1 存在的问题在深孔岩心钻探过程中，孔壁稳定性是首先需要考虑的问题，其他方面的技术均是围绕这个中心进行的。在深孔钻探中，主要涉及到的孔壁稳定问题就是孔壁的坍塌或口径变化、地层的裂变这两类问题，这也是所有钻探过程中存在的普遍性的问题。在钻探施工中，出现的井喷、漏浆、脆性地层坍塌、井口径变化、地层变形、钻探工具粘附、固井不返水泥浆等问题都是由于孔内井壁稳定性不达标造成的，而且由于对相关情况的掌握程度不够，导致解决措施也没有起到有效作用。对于深孔岩心钻探，孔壁稳定问题必须放到首要位置予以考虑，对于钻探前的预测工作做充分，并准备相应的应急预案，防止事故的发生以防引起不必要的损失。对于孔壁失稳的原因，主要为工程、地质方面的因素影响。对于工程方面的问题，下文在钻探工艺和钻探实施方面做详细的介绍，此处主要介绍地质因素对孔壁稳定性的影响及解决办法。

影响孔壁稳定性的地质因素主要包括地质的构造、地质应力和地层岩性和含粘土矿物的类型、地层强度和裂隙纹理的发展、孔隙率、渗透性和孔隙中的流体压力等。孔壁失稳的实质是由于孔眼在特定的状态下，其强度无法承受孔壁岩石受到的应力。在孔被钻开后，如果孔内钻井液柱的压力与孔壁处岩石的剪切强度无法抵抗孔壁围岩的应力，那么孔壁岩石将会发生破坏，对于脆性的岩石结构，其孔壁将会发生崩塌；对于塑性的岩石结构，其孔径将会发生改变，局部变小；如果孔内的钻井液密度过大，则岩石所受的周向应力将超过岩石的拉伸强度而对地层结构构成破坏。

2.1.2 相应的对策①克服地层孔隙压力的危害。地层孔隙压力的形成，与地层的沉积过程和地层中矿物成分等有密切关系。地层孔隙压力一般较大。因此，要想克服地层孔隙压力对孔壁稳定性带来的危害，首先需要确定地层孔隙压力。孔隙压力的确定有如下几类方法：第一，钻探前预测。这种方法需要查阅相关的地震层资料，并依据相关的关系和计算方法，对地层孔隙压力进行计算预测。这种方法的预测精度与地震资料的质量、当地的地质分层情况、岩性以及计算模型等相关。一般有直接计算和等效深度计算两种计算方法。第二，随钻监测法。这种方法是依据钻探过程中，对测量到的随钻信息进行实时监测，记录异常压力值。第三，钻后测井检验法。这种方法是在钻井过程结束之后，对测井资料进行评估计算，得出地层的孔隙压力，一般采用的技术手段是泥页岩声波时差法、泥页岩电阻率（电导率）法、泥页岩密度法等。第四，实测地层孔隙压力。利用专用的压力测量仪器，对地层孔隙压力进行准确测量。得到地层孔隙的压力资料尤其是异常压力资料之后，即需要进行下一步工作，对孔隙压力进行克服。采取的方法就是注浆护壁堵漏技术。一般是向钻孔中注入足量的水泥浆，在对小孔进行堵住的同时，增强孔壁的水泥防护层厚度，提高其强度以抵抗应力。②克服地层破裂压力。在影响孔壁稳定性的地质因素中，地层破裂压力是另一个重要的因素。地层破裂压力存在时，孔壁将会发生裂纹甚至是开口，将会使钻探失败。同样，要想克服地层破裂压力带来的破坏，需要对地层破裂情况进行研究并得到地层破裂的压力值。相关研究表明，地层破裂的方向与最小水平有效应力有关，裂缝的延伸方向与最小水平有效应力垂直。因此井壁地层发生破裂，一般更容易出现垂直方向的裂纹。井壁在左右两侧应力不平衡时将会发生开裂，出现井漏现象。地层破裂压力的数据一般采用地层破漏试验得到。处理这样的井漏情况，采用堵塞的方法基本上起不到作用，一般采用降低外施压力，即将钻井液的密度降低。

2.2 钻探装备

2.2.1 存在的问题当前，在我国钻探行业中，采用的钻机处于较低技术水平，在深层岩心钻探中，钻机设备的落后，制约了钻探水平的提升。在钻探装备中，主要是钻头驱动方式落后和钻探架高度较低。对于钻头驱动方式，目前主要采用的是立轴式岩心钻机以及转盘式石油钻机，这两类钻机在实际使用过程中，均存在不同程度的故障率和钻探缺陷，而我国研发的液压动力头钻机发展十分缓慢，无法满足我国深孔岩心钻探的要求。对于钻探架高度较低的问题，主要是受制于经济能力及高钻架的适用性。

2.2.2 相应的对策对于我国钻探装备无法适应深层岩心钻探的问题，必须引起我国装备制造业相关同行的足够重视。对于钻头的驱动方式，还是选择全液压动力头钻机，对于深层岩心钻机，可以采用转盘+高速顶驱的驱动方式，顶驱的最高速度要达到600r/min，最低转速要确定在70r/min。对与钻塔高度，在进行深层岩心钻探时应选择塔架高度为45米的，钻架的地盘高速要高于4米。

2.3 钻探过程

2.3.1 存在的问题在深层岩心钻探中，钻探过程中存在许多问题。本文受制于篇幅，仅对其中的钻井液的使用存在的问题进行介绍。在传统的地质岩心钻进中，一般依靠增减粘土含量、添加化学处理剂和加水稀释的方法调整钻井液性能。这些方法虽然在短期内能取得一定效果，但是钻井液的维护成本极高。这种方法对钻井液中的优质膨润土和化学处理剂的含量有减小作用，造成不必要的浪费，而且还可能在钻井中形成坏死土，影响钻探工作。

2.3.2 对策对于钻探过程中，钻井液的使用问题，可以采用目前刚开发出的钻井液固控技术进行有效调控。固孔设备主要有振动筛、除砂器、除泥器和离心机，这些装备的使用，能够将钻井液中的岩屑和劣质的粘土固相进行消除，保持钻井中优质粘土的含量，起到调整钻井液性能的目的。