千枚岩地层在钻探施工过程中事故的预防及处理★

马晓鹏 王伟杰 田国亮

(山东省第六地质矿产勘查院，山东 威海 264200)

千枚岩地层在钻探施工过程中事故的预防及处理★

马晓鹏 王伟杰 田国亮

(山东省第六地质矿产勘查院，山东 威海 264200)

在分析千枚岩的物性特征的基础上，对钻探过程中孔壁失稳因素进行了探讨，以金徽县钻探工作为例，总结了千枚岩地层在钻探施工过程中的事故预防和处理方法，对千枚岩地层钻探工作的有序进行具有借鉴意义。

绳索取心钻探,千枚岩地层,预防和处理

0 引言

钻探工程用途日益广泛，是大有发展前景的一种应用技术。而绳索取心钻探是现在地质勘查阶段中最为直接有效的勘查手段，可以用来探明岩石的性质，了解地质构造，以及某种或若干种矿产分布、产状、品位情况。然而在钻探过程中遇到软弱地层是无法避免的，软弱地层在钻井过程中易发生孔壁失稳的现象，若不进行预防，轻则影响施工进度，重则发生损坏钻具，甚至损害机械设备[1]，所以采取合适的手段预防软弱地层孔内事故是钻探工作中的一个至关重要的部分。本文以千枚岩地层为例，具体分析了千枚岩的物性特征以及孔壁失稳的主要因素，并以工程实例为主，提出了一套应用于千枚岩地层钻探施工过程中的事故预防和处理的方法。

1 千枚岩物性特征

千枚岩是由页岩，粉砂岩或中酸性凝灰岩经低级区域变质作用形成的变质岩。岩石中的细小片状矿物质定向排列，断面上可见许多大致平行，极薄的片理，片理成丝绢光泽。岩石常呈浅红，深红，灰及黑等色，岩性介于板岩与云母之间，见图1。形成似板岩，但有滑性，且含绢云母较多，故与板岩不同，较板岩脆且坚固性差。千枚岩地层在钻探施工过程中属于软弱地层，在该类地层中钻进速度较快，容易发生孔壁失稳破坏，引发掉块卡钻等问题造成下钻受阻及孔斜、孔塌等孔内事故。

2 孔壁失稳的主要因素

千枚岩地层属力学不稳定地层[2]，该类地层引起孔壁失稳破坏主要条件有以下3点：

1)当岩石的变性能或最大剪切力超过岩石强度极限时；

2)孔内液注密度过小使压力差超过岩石强度极限时；

3)千枚岩在液体长时间浸泡冲洗以及频繁提下钻的情况下破坏孔壁的稳定性。

其中1)主要由钻孔设计方案和钻进参数影响，2)和3)两点均与冲洗液的成分和物性有较大的关系，因此选取合适的钻进方案和冲洗液配比方案是预防千枚岩地层孔壁失稳的重要手段。

3 金徽县千枚岩地层预防孔壁失稳的措施

本地区钻孔孔深在1 500 m左右，地表以上设备为XY-6钻机，钻塔，底梁，泥浆泵，搅拌机，取心绞车，配电系统以及辅助设备等，见图2。地下部分为钻具，钻杆，取心系统，套管，冲洗液循环状态以及孔底岩石破碎过程。

为预防孔壁失稳引发孔内事故，根据千枚岩地层的物性特征，并结合技术需求，在施工中从钻孔设计、钻进参数及冲洗液的配比和添加顺序3个方面提出预防软弱地层失稳的措施。

3.1钻孔设计

根据本地区千枚岩的特殊局限性以及保障顺利的施工，采取四开的钻进方法。钻孔结构图见图3。

表1是岩心钻探口径表。结合图3，可以看出本次钻孔开孔孔径146 mm穿过第四系，下φ130 mm套管作为开孔管加以固定；然后换φ110 mm钻头钻至基本完整岩层，下入φ108 mm套管；再用钻具级配φ91 mm钻头+φ89 mm取心管+φ89 mm钻杆进行绳索取心钻进，穿过较破碎的地层，遇完整岩石下φ89 mm套管换径；最后换钻具级配φ75 mm钻头+φ71 mm绳索钻杆钻进直至终孔。在生产中基本采用这个原则，但遇到较为复杂的地层也根据实际情况随时调整。

表1 岩心钻探口径系列表 mm

3.2钻进参数

钻进参数的选择尤为重要，因为千枚岩地层软、钻进速度较快、钻进过程中容易跑偏且该地层受力容易破碎，不利于孔壁稳定。所以在钻进过程中需要控制转速和钻压，这样不仅能够防止孔斜，还能均匀的对孔壁修复，提高孔壁稳定性。

在遵循以上准则的情况下，本次钻探工作选取的钻进参数如下：钻机钻压10 kN～20 kN,钻机转速360 r/min，泥浆泵泵量90 L/min。通过实践证明，本次选取的参数能够达到钻进要求。

3.3冲洗液的配比及添加顺序

冲洗液在钻探过程中是一项重要的影响因素，且不同的添加顺序起到了重要的作用。本文就本次钻探工作，对其不同成分的作用、配比和添加顺序进行了详细的阐述。

1)水：为分散介质(液相)；2)黏土：37.5 kg/m3，为分散相(固相)，搬运作用；3)pH9氢氧化钠(火碱)：是一种强碱，其重要作用是溶于水完全电离可提供中和，控制阳离子浓度，降低水的硬度，氧化岩石(pH10～11)试纸测定;4)待5 min后，加入硝基铁钾抑制剂，配比为4 kg/m3，用于降失水量，防止吸水膨胀；5)防卡护壁润滑剂：2 kg/m3，提高冲洗液的流动性，使钻具润滑提高转速(有一定的护壁作用)；6)待3 min后，加入高粘羧甲基纤维素，配比为3 kg/m3，用于提高泥浆黏度，易于携带悬浮岩屑。加入时慢放且在3 min撒完，7 min后改性；7)泥浆稳定剂：3 kg/m3，用于提高泥浆密度，平衡地层压力，有一定降失水量作用；8)阴离子聚丙烯酰胺：0.2 kg/m3，凝聚泥浆，携带悬浮岩粉，沉淀能力强，对吸水膨胀及水敏性坍塌地层有一定的抑制作用。

后期经实践证明，以上冲洗液材料一定要严格按照顺序添加，否则难以达到预期的效果。

4 施工过程中出现的问题分析和处理方法

孔内事故是在施工过程中，由于种种原因，常常发生各种孔内故障而中断正常钻进的情况。通常有烧钻、卡钻、埋钻、钻杆断裂，取芯钢丝绳断落和孔内落物等事故。

4.1施工过程中所遇事故分析

在本次钻井施工过程中φ89 mm技术套管下至孔深625 m处，继而用φ75 mm配套绳索取心钻具钻进，当钻进至780 m处时，起钻换钻头，下钻的过程到673 m处受阻，进而划眼修复孔壁，能够安全通过并进行正常钻进，直至871 m处，下钻过程从673 m处开始受阻情况愈加严重，明显孔壁已经失去稳定性。在874 m正常钻进过程，进行绳索取心后，冲洗液循环正常，开动钻进时出现严重霸钻现象，司钻者第一反应是活动钻杆，使钻具离开孔底，然后进行起钻，起第一根立杆(一根立杆为3根钻杆，每根钻杆为3 m)没有很明显异常，但起第二根立杆时阻力越来越大，活动钻杆，活动范围越来越小，直至卡死。立即召开现场会议，采用千斤顶及卷扬同时起钻，当到673 m处时阻力突然消失，通过综合分析判断为砂桥卡钻，并且位置在673 m以下出现卡钻，事故前冲洗液为通路。

4.2事故的处理过程

造成砂桥的原因为技术套管未能穿过不稳定地层，而在不稳定地层处形成较大井径，一旦停泵岩屑容易造成砂桥。通过综合分析要想达到设计孔深，必须要解决两方面问题：一是怎样将卡钻孔壁进行修复，二是用何种方法保持钻孔孔壁的稳定性能够顺利的完成这次生产目的。

进行修复孔壁时钻具不要带取心内管，以免在划眼的过程中被岩屑、岩粉堵塞而冲洗液无法送通反复起下钻，进一步破坏孔壁稳定性，增加事故的困难程度。按3.3节的方法进行冲洗液的配比，加入适量的重石灰粉，将冲洗液密度调到1.15 kg/m3，保证冲洗液在施工过程中保持动态压力平衡来维护孔壁稳定性。然后用最小泵量进行划眼，划眼过程中切记不要快，保证循环道路的畅通，慢慢划眼修复至孔底。在此过程再次强调冲洗液的配比及比重不能变化，一直到冲洗液循环正常，起下钻异常阻力消失，这样卡钻事故也就解决了。

5 结语

1)本文分析了以千枚岩为例的软弱地层的物性特征和钻探过程中的孔壁失稳因素，以金徽县钻探工作为例，从钻孔设计、钻进参数及冲洗液的配比和添加顺序三个方面提出预防软弱地层失稳的措施，这对软弱地层地区的钻探工作具有一定的参考价值。

2)通过本次工作，总结在钻探施工过程中必须要以预防为主并且需要采取一个合理的施工方案。

[1] 黄 涛.钻探工程孔内事故及其处理方法浅析[J].科技信息,2013(24):321,316.

[2] 汪 涛.云南某矿区复杂地层深孔岩心钻探关键技术应用研究[D].北京：中国地质大学,2013.

[3] 王海军,文启富.岩心钻探孔内事故分析处理及预防[J].矿业快报,2000(5)：81-83.

[4] 唐建峰.钻孔事故预防及处理基本要求[J].新疆有色金属,2013(10)：12-14.

[5] 孙卫开.岩心钻探孔内事故处理及对策[J].科技与企业,2012(6)：7-10.

[6] 王年友.岩心钻探孔内事故处理工具手册[M].长沙：中南大学出版社，2011.

[7] 浦静怡,张 鑫,吕春玲.关于岩心钻探孔内事故处理与对策探讨[J].科技与企业,2015(4)：186-191.

[8] 时志兴,翟东旭,张东兴.小口径岩心钻探钻孔缩径的预防与处理[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2012(11)：22-26.

Preventionandtreatmentoftheaccidentintheprocessofdrillinginphyllitestratum★

MaXiaopengWangWeijieTianGuoliang

(ShandongProvince6thGeology&MineralResourcesSurveyInstitute,Weihai264200,China)

Based on the analysis of phyllite, on the basis of physical characteristics in the process of drilling hole wall instability factors are discussed in this paper, the last Jinhui county drilling work, for example, summarizes the phyllite stratum in the process of drilling accident prevention and handling methods, of phyllite stratum drilling work orderly.

cordage drilling, thousands of strata, prevention and treatment

P624

A

1009-6825(2017)27-0063-03

2017-07-14★:中国地质调查局项目(1212010881607)资助

马晓鹏(1987- )，男，助理工程师