复杂地层钻孔下管技术

蒋顶辉

（安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052）

复杂地层钻孔下管技术

蒋顶辉*

（安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南232052）

花家湖井田H01002孔在钻进推覆体寒武灰岩过程中，多次出现漏水及溶洞，因该孔较深，为保证钻孔安全、顺利施工，采用了套管隔离漏失层的技术方法。详细介绍了该孔下套管的全过程和下管工艺，及其在下管施工过程中的技术措施、出现的问题和解决方法。

推覆体；溶洞；漏水；堵漏；惰性材料；套管；扫孔；浮力阀；固管；憋泵；震击

1　工程概况

我队施工的国投新集能源股份有限公司花家湖矿H01002孔上部为推覆体寒武灰岩，岩石坚硬，裂隙、溶洞发育，钻孔施工过程中经常发生漏水、坍塌、掉块，在孔深388～495m之间发育3个溶洞，495m以下灰岩地层破碎，不能作为承力层。其中在388m处的溶洞高度为0.5m，采用投粘土球、矸石、砖头等惰性材料，水泥浆液封固的方法成功封堵成功。而在492m处的溶洞高度为1.2m并有流动水体，采用以上方法未见效果。为保证施工正常进行，结合该井田以往的成功经验综合考虑，决定下入Ø139.7mm×7.72mm石油套管护壁，并用水泥固管。根据钻探和测井资料确定522～670m为原地层，虽破碎但未发现漏水，672～675m处为细砂岩，岩芯完整坚硬，可作为套管的承力层，据此确定下管深度确定为673m。

2　扩孔工艺

该孔上部已下入Ø193.7mm×8.33mm石油套管隔离第四系地层，其内径为Ø177.04mm，同时结合该井田以往的成功经验决定扩孔口径为6-1/2″（Ø165.1mm），采用Ø139.7mm×7.72mm石油套管护壁，并用水泥固管，下入深度673m。

扩孔钻具组合：XHP6-1/2″镶齿三牙轮钻头+Ø121mm钻铤1立根（18.5m）+Ø68mm钻铤4立根+Ø50mm钻杆+主动钻杆。采用Ø121mm钻铤除了起到加压的作用外，还起到扶正的作用，以保证钻孔的垂直度。使用泥浆护壁扩孔钻进，钻进参数：转速75～150r/min，钻压10～15kN，泵量150～260L/min。泥浆性能：粘度20～25s，比重1.1～1.2，扩孔到底后使用稠泥浆（粘度25～30s、比重1.1～1.3）充分冲孔排渣2～3h，保持孔底洁净，以利于固管施工作业。起钻时丈量钻具全长，校正孔深，确保套管位置正确无误。

钻进过程中随时注意钻头使用情况，每一原班起钻检查一次，发现轴承松旷时及时更换，确保孔内安全和钻进效率。

冲孔时每隔20～30min反复回转和提下钻具2～3次，以尽可能排除孔底沉渣并保证钻具和孔内安全。

钻进时每一回次反复扫扩孔不低于2次，以保持孔径规则，保证套管下放顺利。

3　准备工作

扩孔到底后，使用2根Ø139.7mm套管（20m±）撸孔，第一次撸孔至深度520m时遇阻，经人工回转和反复提窜无效后提钻，下人原钻具经过扫扩孔后第二次撸孔至550m仍下不去，后经反复扩扫仍无效果。经仔细研究测斜资料发现520～580m孔段顶角由2.4°急增至4.7°，方位变化达60°，造成孔内形成较大的弯曲，而扫扩孔并不能消除其影响，且因用牙轮钻头扩孔，同时岩石软硬不均、孔壁粗糙易形成螺旋形孔壁，致使孔径不规则，再加上套管管箍外径大（Ø156mm），造成套管易遇阻，下放不畅。后采用Ø165mm金刚石环形钻头+ Ø146mm岩芯管（6m），加大岩芯管接头外径至Ø155mm，利用金刚石钻进孔壁规则的优点，并结合轻压快转的钻进工艺以加大孔径、使孔壁规则并消除孔壁螺旋槽，扫孔至620m进入原地层后，使用2根Ø139.7mm套管一次性撸孔到底。

4　下套管

下套管前，施工钻机仔细检查了天轮、钻塔、绷绳、钻机连接螺丝，维护保养了水泵、钻机，准备充足各种下管工具；套管丝扣检验合格；同时提前做好各项地面工作，确保下管工作持续不间断。

因下入的套管重量大（179kN），已超出钻机的提升能力（4×40kN），为保证孔内安全、顺利下管并减轻钻机提升负荷，采用了套管柱中部加入浮力阀的技术方法克服。浮力阀为提前制作的水泥阀，水泥塞长度2m，养护14d以上。经计算，浮力阀位置为套管柱下部220～240m处，具体位置为套管柱下部232m，套管口用木引鞋做导向。

施工时因前期准备工作充分、细致，各工种密切配合，经过8h奋战套管顺利下到预定位置（673m）。下管时加入浮力阀后其重力一直保持在60kN±，大大降低了提升负荷，提高了施工的安全性。

套管直接下到孔底。使用Ø113mm无芯钻头透开浮力阀后冲到套管底口循环泥浆，接上替浆接头开泵循环，泵量167L/min，此时泵压2MPa，循环10min后，调制水泥浆开始进行固管作业。

5　固管施工

该孔因上部推覆体灰岩段漏水，不能实现满固，决定只封固下部180m孔段（492～673m）。经计算确定水泥浆量1.74m3，PC32.5级复合水泥用量2t，水灰比0.5，使用搅拌桶机械搅拌，既降低了工人劳动强度又能保证水泥浆质量。经检测此时水泥浆比重为1.80～1.85。

固管施工采用泵压固管法固管，即用泥浆泵将水泥浆由套管口压入管内，再由套管底口向上充填套管与孔壁之间的环状间隙，替浆液为稀泥浆，替浆量7.9m3，管内水泥塞21m，保证固管质量及安全。

但在替浆量0.7m3时泵压达到12MPa，造成憋泵，此时水泥浆全部停留在套管内，因此未能完成固管工作。

分析认为：固管过程中，套管外环状间隙内的岩粉、堵漏时孔壁上附着的惰性堵漏材料和水泥渣及下管过程中碰落的孔壁掉块等杂物在水力冲刷作用下翻滚、沉淀、聚集，并堵塞循环通道造成憋泵。

研究后采取了如下措施：先清洗套管内的水泥浆，然后下人无芯钻头，采用轻压快转的钻进工艺进行钻进，利用钻具回转时的震动、敲击和水力冲刷作用，逐渐震松并疏通管外循环通道，再用水泥二次固管。

施工钻机在采用以上方案后，采用无芯钻进仅11h2个回次，就达到了松动、疏通循环通道的目的，加大水泥用量至3t，固管成功并安全顺利钻进至终孔（1086m），完成钻孔施工任务，达到预定的地质目的。

6　采用的技术措施

（1）精确综合钻探、地质和测井资料，并根据钻孔实际情况确定套管直径、扩孔口径和扩孔深度、钻具组合。

（2）确定扩孔钻进工艺，使用三牙轮钻头+Ø121mm钻铤的钻具组合，利用Ø121mm钻铤加压扶正，泥浆护壁扩孔钻进，扩孔到底后使用稠泥浆（粘度25～30s、比重1.1～1.3）充分冲孔排渣，保持孔底洁净，以利于固管施工作业。

（3）在扩孔过程中，使用了大直径的加重钻铤保持钻具垂直，预防扩出叉孔；在设备机具允许的情况下，尽量使用大泵量排渣；精确综合钻探、地质和测井资料确定扩孔深度和层位，以保证套管坐在坚硬、完整的岩石上；不使用轴承松旷的牙轮钻头钻进；扩孔时使用优质泥浆。

（4）为保证孔内安全、顺利下管减轻钻机提升负荷，在套管柱中加入自制水泥浮力阀，浮力阀位置经计算确定为套管柱下部220～240m处，并在套管柱底部采用木引鞋做导向。

（5）下套管前，仔细检验套管丝扣，准确丈量套管长度并编号，下套管过程中，丝扣抹油上紧，下放时轻提慢放不能急刹猛蹬，操作要稳，速度要慢，注意安全。

（6）套管下到孔底，透开浮力阀后用钻具冲到套管底口循环泥浆，然后接上替浆接头开泵循环，以清除下管过程中碰落到孔底的杂物。如果能正常循环则固管，如果不能正常循环则不固管，恢复钻进。根据钻进时的反应，再决定是否固管。

（7）固管时泥浆泵管道化各处必须密封良好，不得漏水、漏气；套管连接处必须拧紧，防止泄漏；替浆量计算准确，防止压穿，保证管内留10～20m水泥柱。

（8）替浆结束后，将管口固定在钻孔中心，保持管口、天轮、立轴中心在同一轴线上，水泥养护72h才能解阀，120h后才能透孔钻进。

（9）下完套管后的钻进过程中，为保护套管不因钻具高速敲击震松后脱离的同时减小钻具磨损，在钻杆上加套橡胶保护箍，并根据磨损程度及时更换。

7　结语

（1）在设备能力（尤其是提升能力）不够时，采取在管柱中加入浮力阀是一种有效的技术措施。

（2）在含有溶洞的漏失地层中钻进，在各种堵漏方法中，下套管隔离漏失层是最为有效、风险最低的方法，应尽可能采用。

（3）严格执行必要的、有针对性的技术措施是安全顺利施工的保证。

（4）钻探、地质与测井密切配合，并结合以往的成功经验综合考虑，是本次下管成功的技术基础。

（5）认真分析研究基础资料、集思广益确定的施工技术方法措施就能最大限度减少施工难度、降低风险。

［1］王世光.钻探工程（上）［M］.地质出版社，1987.

［2］国土资源部.固体矿产钻探工［M］.地质出版社，1999.

［3］国土资源部.水文水井钻探工［M］.地质出版社，1999.

［4］中国地质调查局.深部地质钻探技术培训交流会材料（合肥）［R］.2012.

［5］国土资源部.DZ/T0227-2010地质岩心钻探规程［S］.中国标准出版社，2010.

［6］中华人民共和国国家发展和改革委员会.MT/T1076-2008煤炭地质钻探规程［S］.煤炭出版社，2009.

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B

1004-5716（2016）08-0086-03

2015-08-28

2015-09-06

蒋顶辉（1970-），男（汉族），安徽淮南人，工程师，现从事定向钻探技术研究与应用，钻探新技术、新工艺的研究和推广技术工作。