松软煤系地层深孔绳索取心钻探实践

张元清，孟庆伟，颜廷福，刘兴福

(吉林省第五地质调查所，吉林长春130061)

松软煤系地层深孔钻探难度较大，2014年我所在长春市九台区卡伦矿区采用绳索取心液动冲击回转钻进方法，较为顺利地完成了2个较深的钻探孔，终孔深度分别为1112.45 m(ZK6405孔)和1359.95 m(ZK3201孔)，岩矿心采取率达到100%，煤心样品没有燃烧破坏现象，较好地满足了地质的要求。

1 矿区地层概况

该矿区位于长春市九台区卡伦湖镇境内，属松辽平原南缘，地貌形态属河间地块型，为山前倾斜平原雾开河西部地块。区域上出露的地层为第四系、白垩系的泉头组和营城组。

第四系主要以植被土，劣质粘土为主。

泉头组主要以上部棕红色泥岩与灰色粉砂岩、粉细砂岩等，中部灰色细砂岩、粉砂岩与棕红色泥岩互层，下部紫红色泥岩与灰绿色粉砂岩互层。

营城组主要以上部浅灰白色泥岩、灰—灰黑色泥岩、粉砂质泥岩、砂岩不等厚互层，下部灰黑色泥岩、炭质泥岩、炭质页岩、薄煤层、泥质砂岩互层。其中砂岩泥质含量高，泥岩遇水膨胀，属水敏性地层。

2 钻探施工难点

该矿区主要为煤系地层，地层松软，遇水膨胀，局部破碎，深孔钻探时间长，许多煤矿钻探队多采用60外丝锁接手钻杆提钻取心钻进方法，而频繁的提下钻具对松软地层孔壁破坏作用非常大，孔壁超径现象严重，随之坍塌、掉块现象频发，钻杆折断事故经常发生，不得以配备钻铤孔底加压，使孔内钻杆处于减压状态，减少钻杆弯曲，降低对孔壁的破坏作用和钻杆折断现象，但还是避免不了事故的发生，而且钻探效率低下，钻月进尺平均仅350 m左右，在岩心采取率和煤矿层取心等方面都难以保证质量要求，很难顺利完成一个超千米的钻孔。而采用绳索取心钻进方法，由于孔壁与钻杆环空间隙小，松散地层的大颗粒岩粉不易排出，细小颗粒岩粉进入冲洗液中分离困难，造浆现象严重，钻杆内壁极易结皮，冲洗液性能变坏，导致孔壁超径，超径后，绳索取心钻杆因刚性强比常规钻杆更易折断，难于处理。另外，深孔钻进由于取心时间长，钻杆长时间静止在孔内，在冲洗液密度大时还易发生钻杆与孔壁粘卡(吸附卡钻)现象。

3 钻探工艺及技术措施

针对以往提钻取心钻进方法的不利局面，我们采用了绳索取心钻进方法，为保证绳索取心钻进方法的顺利实施，从钻孔结构、冲洗液类型和配方、技术措施等方面着手，较好地解决了松软煤系地层绳索取心问题。

3．1 施工设备的选择

根据钻孔设计深度在1500 m以浅，以及本单位现有设备情况，选用主要设备有XY－5型钻机;BW－250型泥浆泵;SG－23型四角管塔;LW－400型离心式除泥机;JQ－190－2型旋流除砂器等。

3．2 钻孔结构

根据以往施工经验，松软地层采用绳索取心钻进方法，须加大钻孔孔壁与钻杆环状间隙具体的钻孔结构见图1。

图1 钻孔结构图

3．3 钻孔冲洗液

3．3．1 钻孔冲洗液体系确定依据

考虑到该矿区地层大部分为泥岩、砂岩，钻进时遇水膨胀、坍塌，选择低固相或无固相抑制性钻孔冲洗液体系。地表土层以普通钠土泥浆为钻孔冲洗液;泉头组地层以低固相聚合物为钻孔冲洗液，主要以粘土、共聚物、植物胶、铵盐、腐植酸钾、磺化沥青、聚丙烯酸钾等材料组成。营城组地层以无固相聚合物为钻井冲洗液，主要以共聚物、铵盐、页岩抑制剂、腐植酸钾、聚丙烯酸钾等材料组成。

3．3．2 冲洗液配方的确定

主要通过样品浸泡试验来检验冲洗液的护壁性能。岩心在浓度为0.5%聚丙烯酸钾水溶液中浸泡观察，72 h岩心开始崩散，大颗粒沉淀，细小颗粒分散在溶液中。岩心在浓度为1%铵盐水溶液中浸泡观察，120 h岩心破损为大小不等(7.5～12 mm)的块状固体。岩心在浓度为3%的腐植酸钾水溶液中浸泡观察，7 d后(168 h)岩心多处分裂，晃动容器岩心产生大小不等的碎块。岩心在浓度为1%铵盐水溶液+浓度为3%腐植酸钾水溶液+浓度为3%页岩抑制剂水溶液的混合液中浸泡静态观察12 d，岩心有裂隙无剥落破损，晃动未塌落。

3．3．3 钻孔冲洗液的日常维护管理

主要做法是配备专职泥浆工程师，每个小班配有专人配制钻孔冲洗液，对孔内返出的钻孔冲洗液性能测试2～3次，并且作好记录，根据测试数据变化情况调整处理剂的加量，每个小班用新配制的钻孔冲洗液替换掉1～2 m3孔内返出的冲洗液，始终保持钻孔冲洗液性能满足地层护壁要求。

4 技术措施

4．1 套管护孔

煤系地层大部分是软地层，不能确保套管坐落在坚硬岩石上，因此，必须把套管连接好，防止在施工中钻杆敲打把套管打断，造成施工困难。主要做法是丝扣连接处涂抹松香，再用薄钢板焊接丝扣连接处，底部选用反丝套管，上部则用正丝套管。

4．2 除泥机和除砂器的使用

由于煤系地层大部分是泥岩和砂岩，而绳索取心钻进需要控制冲洗液的固相含量，多选用低固相或无固相钻井冲洗液，而该矿区岩石特性是疏松、松软，钻进中孔壁维护困难，孔壁软泥随着钻进的深入逐渐剥离进入孔内混入冲洗液中，致使冲洗液的固相含量急剧增大，既影响钻进效率，又降低冲洗液质量，还增大钻杆内壁结皮，因此，配备离心式除泥机和旋流除砂器有效去除冲洗液中的固相含量。

4．3 打捞工具的配备

我们在绳索取心钻探中已基本淘汰了常用的公锥、母锥为打捞工具，取而代之的是把石油系统用的“可退式”捞矛引进来，它的最大优点是操作简单、打捞方便、不伤钻杆丝扣、可靠耐用，如事故钻杆起拔不动时可以自动退开，不会在孔内留下后患，为下一步处理方案创造条件，现场配有不同规格的“可退式”捞矛，用于各种规格的绳索取心钻杆的打捞。

4．4 割管器的配备

4．5 及时回灌

绳索取心钻进提内管之前和提钻杆时必须随时回灌冲洗液，防止由于抽吸作用造成孔壁坍塌，这一点很重要。在井口套管上制做一个回灌装置，使冲洗液顺利灌入孔内。

4．6 液动潜孔锤的使用

在进入深孔(500 m)钻进中采用绳索取心液动潜孔锤钻具钻进，虽然液动潜孔锤在松软煤系地层对提高钻进速度不明显，但它能起到防止岩心堵塞、提高回次进尺的作用，回次进尺一般都能达到3 m(满管)，从而提高了纯钻时间利用率。此外，它在深孔施工中对内管总成是否到位可反馈一个准确信号，确保准确判断内管总成是否到位。

5 钻探技术成果

从表1的统计数据可看出，绳索取心外加液动冲击器方法明显高于提钻取心，提高了效率降低了孔内事故，还有最大好处是采取率达到100%，并且煤心没有研烧现象，保证地质资料准确性。

表1 绳索取心与提钻取心钻探技术成果对比

6 经验与教训

(1)从实际应用情况看，绳索取心钻进工艺选择机械立轴式钻机是不合适的，倒杆次数多，停钻时间多，易出现孔内事故。而我们在其他类似地层矿区钻探中采用全液压动力头钻机取得很好的钻探成果。

(2)松软煤系地层绳索取心钻进钻杆与孔壁环状间隙选择一定要合理，打破常规做法，保持钻杆与孔壁环状间隙在4～5 mm，特别是＞1000 m的深孔。对顺利施工起到至关重要作用。

(3)选择具有针对性冲洗液配方对松软煤系地层钻进孔壁进行保护，但目前尚没有哪一种配方能真正长时间起到护壁作用，需要随时监测和调整。

(4)下入套管一定要牢固，防止折断，措施一定要跟上，不要轻易起拔套管进行二次下入，更不要随意更改已下完套管状态和规格。从施工的2个钻孔看，某层段在相同位置多次断钻杆和套管往下跑，说明该孔段坍塌超径，后经下入套管没有发生钻杆折断事故。应尽可能一次性深下套管。

(5)钻进中如发现在某一孔段有2～3次断钻杆事故发生，就应及时处理，不要等到出现更大事故时再处理。在钻孔结构允许条件下，下入次一级套管穿过该层段，换下一级钻具钻进。当孔壁超径严重时(“肚子”很大)，可采用水泥封孔方法处理，但需掌握好透孔时间，避免透偏孔。

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