磁三54-5孔钻进方法与冲洗液的使用

2015-12-16孙贵生

西部探矿工程 2015年2期

关键词：钻具钻杆钻头

孙贵生

（河北省煤田水文地质队，河北邯郸056201）

磁三54-5孔钻进方法与冲洗液的使用

孙贵生*

（河北省煤田水文地质队，河北邯郸056201）

重点介绍了54-5施工中，针对本区特殊的地层条件，采用不同钻进方法和技术措施等情况。对易斜地层采用的防斜工艺措施得当，根据地层特点所使用的冲洗液效果明显，采用顶漏钻进解决本区漏失造成的影响，减少了辅助时间，为快速揭露覆盖层提供了方法，对沿用钻探方法进行局部上的改进，使钻进方法更具有针对性，通过采取有效的措施，及时解决了施工中存在的难题，提高了钻进效率，从而取得了很好的经济效果。为今后在该勘探区施工提供宝贵经验。

钻进效率；技术措施；钻井液；防斜；顶漏钻进

1 概述

磁三54-5孔是峰峰集团小屯矿后备区项目，本次地质勘查共布设勘查钻孔8个，设计钻探工程量10550.00m。本区位于峰峰集团小屯煤矿的深部，是小屯矿井的自然延伸，目的为了进一步详细查明磁西三号勘查区的煤层赋存情况和构造发育程度，为矿井建设可行性研究和矿井初步设计提供地质资料。

1.1 钻孔质量要求

1.1.1 岩芯采取

本次设计的钻孔为非煤系地层分段取芯（在地层分界线、破碎带、标志层）钻进，煤系地层全取芯钻进。

1.1.2 所有的岩层取芯层段岩芯采取率要求

非煤系地层岩芯采取率≥50%（甲级），煤系地层岩芯采取率≥60%（甲级），破碎带及软弱夹层岩芯采取率≥40%（甲级）。

1.1.3 煤芯采取

凡穿见的煤层厚度大于或等于临界可采厚度（0.60m）的所有煤层均要求取芯化验，要求所有参加验收评级的煤层质量优质、合格率达到100%。其中：优质点的煤芯长度采取率≥90%，重量采取率≥75%；合格点的煤芯长度采取率≥75%，重量采取率≥60%。

1.2 钻孔施工遇到的岩层

本钻孔揭露地层自老至新：①太原组：该组由黑色、深灰色砂质泥岩和灰色砂岩、深灰色石灰岩和煤层组成，本孔揭露厚度44.71m。②二叠系山西组:以灰色中、细粒砂岩、深灰色粉砂岩夹黑色砂质泥岩为主，中夹1～3层煤，其中可采1层，即本区主采煤层2号煤,厚度74.55m。③下石盒子组：由灰和带紫色花斑的粉砂岩及浅灰色铝质泥岩、灰白色及浅灰色砂岩组成，厚度56.20m。④上石盒子组:本组分为4段，主要由灰、紫灰色粉砂岩和浅灰、灰白色砂岩组成，厚度539.05m，硬度4～6级。⑤石千峰组分2段：主要由绿灰色的中细粒砂岩与紫红色的粉砂岩或砂质泥岩组成，二段小型交错层理及波纹较发育。该层厚度220.30m，硬度5～6级。⑥三叠系刘家沟组：为暗紫、浅紫红色薄—厚层细砂岩、砂岩及少量粉砂岩，砂岩具大型楔状交错层理，厚度584.70m，硬度6～7级。⑦和尚沟组：为暗红色泥钙质粉砂岩、粉砂质泥岩与紫红色粉砂岩、砂岩互层组成，厚度25.45m。⑧新生界第四系：为黄色、棕红色粘土，厚度20,20m。

1.3 施工日期

54-5孔设计深度1550m，自2013年5月12日开孔，于2013年8月13日终孔，除去中间非作业等时间7d，实际工期87d，根据地质、测井实际终孔深度1565.16m，终孔直径Ø94mm,验收质量甲级孔。

2 钻探施工中的难点

（1）矿藏巨厚覆盖层的快速揭露是提高钻探效率、节约成本的问题之一。

（2）刘家沟组、石千峰二段地层层理发育，属于易斜地层，倾角约30°，钻进极易发生孔斜，以往施工的钻孔不同程度发生孔斜，给施工增加了难度。

（3）该孔418～423m、508～514m段漏失严重基本不返浆；598～640m段全部漏失，孔口不返浆。

（4）煤系地层泥岩、碳质泥岩，松散破碎、水敏性强，遇水易削落、坍塌、掉块。

（5）施工工期要求120d是普法钻进深孔的难点。

3 使用设备和钻孔结构

3.1 设备

施工设备的选择依据施工的目的、地层情况和现有设备的状况，选择较先进的施工装备。见表1。

表1 现场配备设备

3.2 钻孔结构

一开Ø168mm直径开孔钻至基岩下入Ø140mm套管，二开换Ø113mm径钻至370m，三开换Ø94mm径钻至终孔。

4 钻进方法与技术措施

对于不同的地层特点采用相适应钻探工艺。

4.1 新生界第四系

第四系厚度20.20m，因此采用Ø168mm硬质合金钻头快速穿过，然后下入Ø168mm井口管及Ø140mm套管。转速：171r/min；钻压：5000N；冲洗液流量：160L/min。

（1）开孔前必须对安装质量检查。钻塔天轮、提引器、立轴及钻孔中心必须在一条铅垂线上，钻机安装周正、水平、坚固。

（2）加压全部使用Ø105mm钻铤。

（3）孔口管必须加固、扶正，用水泥封闭、捣实，再用铁管固定。防止套管松动。

（4）冲洗液采用现场挖泥浆坑的粘土和清水配制。

4.2 和尚沟组、刘家沟组、石千峰二段

该层段厚度约680m，主要问题是漏失、地层易发生孔斜、岩石较硬。如何控制孔斜、克服漏失，又能提高钻进效率，加快进尺速度是施工考虑的主要问题。

4.2.1 充分利用粗径钻具防斜和加压

孔径与钻具（主要是粗径钻具）之间的间隙是造成钻具在孔内偏斜的重要条件，间隙越大，则钻具轴心线与钻孔轴心线的夹角越大，钻具偏斜也越严重。钻具在孔底钻进主要是靠粗径钻具在孔内导正，一般情况下，粗径钻具刚性愈好，在孔内导正愈好，钻具轴线与钻孔轴线愈接近，则孔斜率愈小；如果粗径钻具刚性差，而作用力超过极限时，则钻具发生弯曲，此时钻具与钻孔二轴线形成夹角（轴偏角），于是钻头偏斜钻进而造成钻孔弯曲，因此粗径钻具的刚性愈差，其弯曲越严重。依具以上理论第四系下入套管后，采用Ø113mm孔径钻进，充分利用Ø105mm钻铤防斜、控斜，三开Ø94mm孔径用Ø83mm钻铤加压，以达到控制钻孔弯曲的目的。

4.2.2 增加钻孔直径防止孔斜

在一般情况下，仅从防止孔斜出发，钻孔直径以选择较大一点为宜。因为，一方面大孔径粗径钻具在孔内回转时比小孔径粗径钻具稳定，不容易改变钻进方向；另一方面由于其剋取岩石的环状钻进平面较大，对不同可钻性岩石改变钻头方向的问题也能得到一定的控制。该孔二开采用Ø113mm孔径钻进控制孔斜，经测井检验钻孔垂直度得到较好的控制。随着孔深的增加，孔内阻力增大和岩石裂隙增加，钻具产生轻微振动并且钻头复合片有崩刃情况，综合考虑在370m换Ø94mm直径钻进。换径处需轻压、慢转，防止孔斜的发生。

4.2.3 钻具组合

（1）Ø113mm取芯钻具组合:主动钻杆+Ø105mm钻铤+Ø108mm岩芯管+Ø113mm筒状钻头（因取芯较浅全部采用Ø105mm钻铤）

（2）Ø113mm无芯钻具组合：主动钻杆+Ø60mm钻杆+Ø68mm钻铤+Ø83mm钻铤（18m）+Ø105mm钻铤（36m）+Ø113mm无芯内凹钻头。

（3）Ø94mm取芯钻具组合:主动钻杆+Ø60mm钻杆+Ø68mm钻铤+Ø83mm钻铤（45m）+Ø89mm岩芯管（长度6m以上）+Ø94mm筒状钻头。

（4）Ø94mm无芯钻具组合:主动钻杆+Ø60mm钻杆+Ø68mm钻铤+Ø83mm钻铤（45m）+Ø94mm无芯内凹钻头。

（5）钻铤单根之间全部采用锁接头形式连接。

4.2.4 钻头的选择

（1）岩石的可钻性5～7级，因此，全部采用复合片钻头。

（2）取芯采用筒状钻头，避免使用肋骨钻头；无芯使用内凹型钻头，避免使用三翼或锥形刮刀钻头。

4.2.5 钻进参数

（1）钻压：钻具在孔底工作时，当钻压增加到临界值时，钻杆柱就失去直线稳定的形状而发生弯曲，钻具不再保持原始孔轴线线方向，而对孔壁产生侧压力作用，因而在钻进中就会发生钻孔弯曲。考虑地层因素，采用轻压。钻压一般选择加压钻铤的1/3，5000～8000N。

（2）转速：在一定的范围内转速与钻进效率成正比关系，这已是多年来理论研究和生产实践所共同证实的问题，生产中应根据钻探设备、岩石性质、钻具特点以及孔径、孔深等条件来合理选择转速。一般情况下，Ø113mm径转速为149r/min，Ø94mm径转速为171r/min。

（3）泵量：在钻孔条件允许的情况下，为了更好地冷却钻头、清除孔底岩粉，获得较高钻进速度，在不发生憋泵的前提下，可尽量采用较高的泵量。泵量为170～260L/min。

4.2.6 冲洗液的选用

钻井液选择的合理与否将直接影响到钻孔质量、钻进效率和钻探成本，对于岩层结构完整、岩性稳定的地层，适合采用清水做钻井液。清水的特点是便宜、粘度小、冲洗孔底时易呈涡流状态、冲洗效果好、冷却能力强、比重低、有较高的机械钻速。下入套管后使用清水做冲洗液钻进，随着孔深的延伸采用清水+聚丙烯酰胺做冲洗液。采用此冲洗液，台月效率为780m/台月。

4.2.7 钻孔检测孔斜对比

上部地层易斜，为了控制孔斜、保证质量，施工中组织2次测井检查孔斜，检测结果见表2。

从检测结果来看，54-5孔在同一地区防斜措施得当，效果较好。

表2 孔斜检测结果表

4.2.8 钻孔漏失

钻孔漏失是制约提高钻探效率的主要瓶颈问题之一，处理不当，既浪费时间又增加钻探成本，影响生产进度。本孔在418～423m、508～514m段漏失严重；598～640m段全部漏失，孔口不返浆。根据以往施工钻孔和附近钻孔漏失情况，分析原因属于裂隙漏失，考虑地层情况和本孔施工用水比较充足，出现漏失现象后全部采用顶漏钻进突破。418～423m、508～514m段钻进时采用清水+聚丙烯酰胺冲洗液，598～640m段钻进时采用清水+聚丙烯酰胺+锯末冲洗液。顶漏钻进必须始终观察孔底岩粉情况。采用此工艺不但没有影响钻探效率，反而因清水顶漏钻进小时效率高，加快了施工进度。

4.3 石千峰一段、石盒子组

该层段需要解决钻进效率和护壁问题。

（1）钻进参数：采用中转速、中压力，大泵量的技术参数。转速149～171r/min、钻压8000～12000N、泵量170～260L/min。

（2）钻头的选用：以PDC复合片钻头为主要碎岩工具。泥岩段研磨性小、易糊钻采用硬质合金钻头钻进；粗砂岩段，岩石研磨性大，岩粉颗粒大，采用PDC复合片钻头；在泥岩、粉岩、砂岩互层中钻进中，为了减少因岩层的变化而频繁的上下钻具更换钻头时间，使用复合片钻头，从而极大地增加了纯钻进时间，提高了钻进效率。

（3）钻具组合：主动钻杆+Ø60mm钻杆+Ø68mm钻铤+Ø83mm钻铤1小根（或Ø89mm岩芯管）+Ø94mm钻头。Ø68mm钻铤要保证足够加压重量。

（4）更换Ø68mm钻铤接手，由原来外径85mm变为78mm,增加钻具与孔壁环状空间，减小泵压和意外发生事故便于套扫。

（5）取芯钻进：岩芯管加长至7～8m，提高回次进尺效率，增加纯钻进时间减少辅助时间；岩芯管壁厚改为6mm，缩小岩芯管上部异径接头丝扣尺寸，防止岩芯管脱落事故。

（6）深部钻进要使用质量好的钻具，连接接箍要定期更换，即磨损到一定程度要提前更换，确保钻进安全。

（7）冲洗液的使用。冲洗液体系选择是否合理，将直接影响钻进效率和孔内安全，有针对性地选择具有抗盐、抗钙侵污染的聚合物钻井液。聚合物钻井液特点是固相含量低，亚微米粒子比例小，剪切稀释性好，稳定井壁的能力较强，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好。人们通过大量的实验研究，总结出钻井液固相对钻速的影响，钻速随着固相含量高而下降，从研究结果得出，固相含量每降低1%，钻速至少可提高10%。采用此冲洗液和以上措施，台月效率为550m/台月数。

冲洗液的配制：膨润土2%+纯碱（Na2CO3）0.3%～0.5%+聚丙烯腈铵盐（NH4-HPNN）0.2%～0.4%+聚丙烯酸钾（K-PAM）0.1%～0.2%+聚丙烯酰铵（PHP）0.05%～0.1%+广普护壁剂(GSP)0.1%～0.15%。

冲洗液的性能：泥浆比重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 煤系地层

煤系地层泥岩、碳质泥岩，松散破碎、水敏性强，遇水易剥落、坍塌；煤层易缩径。应增加调控冲洗液性能，加大聚合物和护壁剂量。增加破碎地层破碎岩块之间的胶结力，控制冲洗液滤失水量，形成高质量的泥皮。

在煤系地层钻进中，除采用常规的单管钻具钻进外，在见煤预告下过后，采用加长双管取芯钻具，双管钻具内外管加长为3m。它既可保证回次进尺，又可保证岩芯的采取。双管钻具的钻头改为复合片底喷钻头，此钻头既能钻煤又能钻进岩石，极大地改变了双管取芯钻具使用效果。为减少取芯钻具的拆卸时间，钻机配2套双管取芯钻具，钻具上来后检查无问题，立即下入另一套取芯钻具。

在孔内出现缩径时，采用小一级Ø73mm岩芯管加Ø94mm肋骨钻头钻进，增加钻具与孔壁间隙，保证孔内安全。