重庆天府磨心坡矿区复杂地层钻进护壁堵漏技术

李俊

摘 要：重庆天府磨心坡矿区以上部灰岩地层岩层破碎、溶洞裂隙发育、漏失严重，长兴地层岩石硬度高，可钻性级别在7-10级，下部煤系地层倾角大且厚的水敏性地层而著称。为了有效地控制该矿区煤层标高，施工时钻孔均设计为定向斜孔。通过对该地区钻进过程中护壁堵漏的一系列的探索和分析，针对施工钻孔出现的具体问题，采取了相应的技术措施，提高了钻进效率，减少了孔内事故，实现了安全生产，为矿区地质勘探报告的提交奠定了基础。

关键词：复杂地层；定向钻进；全漏失；垮塌

1 矿区地层情况

重庆天府磨心坡矿区位于重庆市北碚区，地质构造属于观音峡背斜，在大地构造上位于重庆陷褶束之南段，构造线走向以北北东——南南西为主。该区主要含煤地层为二叠纪龙潭组，全区采煤层5层，真厚约140m。钻孔穿过的地层由新到老为：（1）第四系：厚度0-10m不等，均为第四系松散堆积物，呈盖层状分布。由亚粘土、砂质亚粘土和含泥砂、碎石、砾石组成的残坡积、冲洪积物组成。（2）三叠系下统嘉陵江组（T1j）：主要以灰色、灰白色中厚层状白云岩、岩溶角砾岩，生物碎屑灰岩，灰色厚层～块状石灰岩为主，平均厚度520米。（3）三叠系下统飞仙关组（T1f）：主要以紫红色钙质泥岩、浅灰色中厚层～厚层状灰岩、鲕粒灰岩、生物碎屑及砂砾屑灰岩、黄绿色钙质泥岩为主，平均厚度500米。（4）二叠系上统长兴组（P3c）：主要以灰、深灰色中厚-厚层状石灰岩为主，中、上部含燧石结核。平均厚度120m。（5）二叠系上统龙潭组（P3l）：分五段，其中二、四段由石灰岩、硅质灰岩组成。一、三、五段由泥岩、细粒砂岩、粉砂岩和煤层交替组成，并含有较多的黄铁矿、菱铁矿结核或透镜体。主采煤层位于第一段，平均真厚36m。（6）二叠系中统茅口组（P2m）：主要以浅灰、深灰色厚至块状石灰岩为主，平均厚约95m。

2 钻探施工难点

（1）钻孔为定向斜孔，施工过程中必须严格控制钻孔的方位和顶角。（2）构造复杂，岩石破碎，绝大多数钻孔在孔深500m以浅为全漏失。（3）长兴灰岩中、上部含燧石结核较多，岩石坚硬钻头打滑，进尺慢，不但影响了钻进效率，同时也不能在该段进行造（纠）斜钻进。（4）真厚只有140m的煤系地層，由于地层倾角较大，钻孔揭露煤系段厚度在260-300m。如果钻孔遇逆断层，煤系地层厚度将进一步增加（施工时有3个钻孔遇断层）。（5）由于煤系地层主要以泥岩、细粒砂岩、粉砂岩和煤层这些水敏性为主，在施工过程中为了保证钻孔壁的稳定性，在煤系地层中施工时必须使用泥浆护壁。（6）深孔定向斜孔钻进，容易造成断钻杆事故的发生。矿区完成的14个钻孔，钻孔上部600m以浅如果不采取堵漏措施，均为全漏失钻孔。最深的钻孔在950m处也有漏失点。钻孔进入煤系地层后多数钻孔出现垮塌、掉块（黄铁矿、菱铁矿结核），尤其是以绳钻施工的钻孔，更为严重。

3 非煤系地层堵漏方案

由于该矿区钻孔都是设计的定向斜孔钻孔，施工时我们采用了以Φ94mm终孔的普通钻进方法。为了避免定向钻进过程中发生断套管事故，我们采取了在上部嘉陵江组、飞仙关组地层中按设计将钻孔的顶角、方位角控制到设计要求，揭穿长兴组后再下套管堵漏的方法。

3.1 开孔护壁堵漏方案

开孔钻进主要以控制钻进用水量和慢速进行钻进，钻至完整基岩3-5m后，快速下入井口管进行挡垮、堵漏。然后采用Φ110mm孔径钻进。大层钻进使用清水作为冲洗液。

3.2 非煤系地层堵漏方案

该区的嘉陵江组、飞仙关组、长兴组地层，受地质构造的影响，钻进过程中主要表现为漏失，偶尔也有掉块的现象发生。考虑到下部煤系地层施工时要使用泥浆护壁，所以在进入煤系地层前，必须保证钻孔返水。在这段施工过程中，我们主要采用堵漏和下套管挡的办法。堵：施工过程中每回次坚持直接向孔内投拌有锯末的黄泥球。这种方法可以封堵孔内的小裂隙带来的冲洗液消耗，保证钻孔正常返水。挡：如遇较大的裂隙或溶洞时，堵不行就采用套管挡。具体方法是，用130mm孔径扩孔下Φ127mm套管。如我们施工的ZK2号孔，扩孔下了520mΦ127mm套管。

3.3 下套管的注意事项

下套管前用同径岩芯管穿过下套管段，确认孔内畅通无阻时再下套管。下放的套管外部应涂黄油，以利于起拔。套管丝扣连接处涂抹松香，保证套管在施工过程中不漏水。套管下端应用手锤打成喇叭口，上端应接一个喇叭型管袖，孔口处应用木楔、粘土和草绳封严，使套管居于井口中心处和预防冲洗液倒流。下套管时应尽量快，中途不得停顿。如果下入的套管多，为了减轻上部套管拉力，可将套管底端用木楔（或挡板）堵住，套管下好后，将其扫掉。由于该区钻孔都是定向斜孔钻孔，钻孔孔壁为上小下大的“鸡蛋”形，堵漏套管下到位后套管底部必须进行封堵。该区采用的是“架桥”下水泥浆止水。

4 煤系地层护壁方案

4.1 泥浆选类

针对磨心坡矿区煤系地层的特点，在泥浆的选择过程中，我们考虑了使用不分散固相泥浆（聚合物）作为钻孔的冲洗液。其理由一是在使用过程中粘土颗粒因为高聚物的存在而变得更粗；二是对进入冲洗液体系的岩粉起絮凝作用，不使其分散，利于除渣净化；三是对孔壁不稳定砂、泥页岩和煤层不起分散作用，而起抑制保护作用，泥浆配方为：粘土∶水∶水解聚丙烯酰胺∶羧甲基纤维素=1∶20∶0.1∶0.1-0.2。配制好的泥浆性能为：比重1.05-1.10；粘度20-30秒；失水量8-12ml/30min；pH值8-9。在配制泥浆前最好将粘土粉浸泡2天，使其充分水化。

4.2 严格按照配制程序、方法操作

一是严格计量。在配制泥浆时，各种添加剂的配量要准确。特别是加量较小的，更要做到十分精确。这样可防止因加量不足或过多，造成泥浆性能指标达不到设定值，而致使孔内事故的发生。二是依次加入。泥浆是添加剂与溶解介质的组合。它的多功能体系由多个单功能体组成，即多种添加剂混合组成。在配制过程中，应按照分散、增稠、增粘、润滑、絮凝的方式依次加入。三是性能调整。性能调整是泥浆配制过程中的一个调制程序，主要是由于环境、条件、人为等因素，造成按剂量配制出来的泥浆达不到体系所要求的性能指标。四是充分搅拌。充分搅拌是促使各个单功能体快速、均匀地溶入泥浆中，完成整个配制过程。

4.3 泥浆的维护和管理

一是切实做好对返浆性能的测定。施工过程中每班派专人对返浆性能进行认真的测定，使泥浆的性能保持在最佳值。发现问题及时进行维护和处理。二是及时调整泥浆性能。钻进过程中如果发现钻孔有垮塌的迹象，马上调整泥浆比重，同时向泥浆加入腐植酸钾，以抑制砂、泥岩水化。三是泥浆循环系统搭棚避雨，防止雨水和地表水流入泥浆池内对泥浆的损害。四是认真、及时对有害固相进行清除。钻场布置时，泥浆循环系统必须符合规程要求。

5 取得的成果

重庆天府磨心坡矿区施工的14个钻孔，采用上述护壁堵漏措施基本上完成了钻孔的施工，有效地解决了上部地层漏失和下部煤系地层垮塌、掉块的现象，控制了煤层的标高，为提交地质报告提供了深部第一手资料。但使用绳钻施工的ZK2号孔进入煤系地层80m后泥浆使用不当，造成钻孔大面积垮塌，钻孔无法再继续施工。后采取在飞仙关组打偏眼才使得该孔顺利竣工，该孔报废钻探进尺350m。使用普钻施工的ZK7号孔，由于断层影响，使其煤系地层厚度增加。该孔在断层破碎带处垮塌严重，泥浆无法有效地保护孔壁，后采用下飞管的办法，才使用钻孔顺利终孔。

6 结束语

钻探施工过程中，针对不同地层漏失、垮塌的特点，分段采用不同的堵漏、护壁手段，能够有效地解决钻孔部分漏失、全漏失和钻孔在水敏性地层施工中的垮塌、掉块现象，提高钻进效率，减少和避免孔内事故的发现，实现安全生产。