白家疃地震台观测井纠斜施工实践

2018-03-05岳永东宋殿兰谭春亮林广利

地质装备 2018年1期

岳永东，宋殿兰，谭春亮，林广利

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

1 钻孔概况

1.1 钻孔要求

中国地震局白家疃地震台拟在台址内安装一款GTSM三分量钻孔应变仪，安装应变仪的钻孔由我单位实施。钻孔设计要求：①终孔直径150 mm，深度200 m左右，以满足仪器安放要求为准；②穿过第四系覆盖层后全孔取心，取心率>90%；③孔底仪器安放裸孔段>10 m，孔壁光滑完整；④套管固井；⑤全孔最大斜度<5°。

1.2 钻探工艺及设备

由于缺乏可供参考的地质资料，结合钻孔要求，钻探工艺设计分为两步：首先是穿过第四系覆盖层后基岩取心，准确掌握地层结构，确定应变仪安放位置；然后是成孔，满足三分量钻孔应变仪的安放要求。取心工作拟采用∅91 mm合金钻头+∅89 mm套管隔离松散层，再采用NQ系列(∅76 mm)绳索取心钻进至终孔孔深；成孔工作拟采用∅219 mm跟管钻进(钻头∅230 mm)穿过覆盖层→∅180 mm普通潜孔锤扩孔至裸孔段上端→测井→下入∅168 mm套管→起拔∅219 mm套管→固井→∅150 mm PDC钻头通井至终孔深度(确保裸孔段大于10 m)→洗井→放置仪器。分别采用TGQ-500CZ和JSK300型钻机完成取心及成孔施工工作。

1.3 地层情况

第四系覆盖层厚度52 m，绳索取心施工钻遇基岩以灰岩为主，岩溶裂隙发育，其中：82.85～86.40 m段为溶洞夹泥层，钻柱部分空放，泥浆完全漏失；146.55～165.15 m段为红泥砾石填充的裂隙、溶洞层，泥浆严重漏失。绳索取心钻进中多次发生夹卡钻、断钻杆事故，钻进至184.85 m钻杆再次断裂，钻取19.7 m完整岩心段，满足仪器放置要求，完成取心工作。根据取心情况，该孔地层结构如图1所示。

图1 白家疃地震台观测井地层结构图

1.4 钻孔孔斜情况

根据钻孔取心情况明确了地层结构，该钻孔施工的主要技术难点是控制井斜。小径取心后大径扩孔，极易造成井斜，原孔完成纠斜、扩孔工作施工难度大，考虑钻孔质量及施工工期，决定在原孔位西移3 m重开孔完成成孔工作。同心跟管钻进钻柱稳定性好，因此项目组调整了施工方案，拟采用∅219 mm同心跟管钻进跟管至最大深度，穿过覆盖层及82.85～86.40 m的第一层溶洞，充分利用跟管钻进护壁堵漏和防斜作用[1]。

施工过程中，∅219 mm同心跟管钻进至101 m，管靴打穿，∅219 mm套管下至101 m；∅180 mm普通潜孔锤钻入第二层红泥填充的裂隙、溶洞层，至153 m卡钻，停止施工，提钻。钻进过程中回转阻力增大，提钻后发现下部钻杆和钻头有偏磨现象，考虑钻孔已经偏斜。测井结果表明钻孔自108 m处开始偏斜，120 m起偏斜严重，偏斜距离2.9 m，钻孔斜度超过5°，需要纠斜后再继续钻进。

2 孔斜原因分析

2.1 地层因素

该钻孔地层复杂，是典型的造斜地层。岩层大小裂隙发育，其可钻性各向异性，钻遇倾角较陡的裂缝时，容易导致“顺层溜”；钻遇两层红泥、砂砾石填充的大裂隙、溶洞层，灰岩与泥砂层硬度差别大，破岩不均匀产生钻速差，同时充填物不规则和孔底高低不平也易使钻头滑动偏离轴线[2]。

2.2 工艺因素

2.2.1 钻进参数选择不当

潜孔锤钻进中钻压的主要作用是保证钻头齿能与岩石保持接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效地传递来自冲击器的冲击功。钻压过小则进尺慢、效率低，钻头停留在孔底时间长，扩大孔壁间隙，增加孔斜；钻压过大则会造成钻杆柱弯曲，粗径钻具倾斜，也会导致钻孔偏斜。

潜孔锤钻进以冲击作为碎岩的主要方式，无需过快的线速度。转速过快杆柱离心力增大，加剧钻具的横向振动和倾斜；转速过慢，则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点重复，导致钻速下降，孔径变大。因此，潜孔锤钻进过程中钻压与转速的选择都存在一个合理的范围，过大或过小都会引起钻孔一定程度的偏斜。∅180 mm潜孔锤钻进钻压7～16 kN、转速20～40 r/min较为合理[3]。

2.2.2 钻具级配不合理

潜孔锤钻进钻具结构为∅190 mm钻头+∅180 mm冲击器+∅76 mm钻杆，钻具与钻杆直径级差大，且未使用相应的扶正器，环空间隙较大，钻杆横向振动强烈；钻杆直径小而长度大，刚度不足，在钻压作用下更易产生弯曲变形，引起粗径钻具上端靠向孔壁，迫使钻具轴线偏离原孔轴线；较大的环空间隙导致气流速度较小，影响孔底岩屑的排出，不利于防斜[4]。

3 回填纠斜施工

为解决裂隙溶洞层的漏失问题，同时改善钻孔内软硬间层的造斜环境，在102～153 m采用桥堵材料+水泥浆复合堵漏的方式，回填堵漏纠斜。先依次投注黏土球、废麻绳、锯末等惰性堵漏材料，再用水泵灌注水灰比0.5的水泥浆，注浆完毕后立即替入清水[5]。待水泥浆完全凝固后，仍采用∅180 mm潜孔锤工艺通孔纠斜，控制钻进参数轻压慢钻。钻进至120 m停钻测斜，发现斜度仍较大，达不到设计要求，纠斜失败。

分析认为导致纠斜失败的主要原因有：①灌注水泥浆的强度与岩石的强度不一致，钻具易向原孔斜段偏移；②钻具级配不合理，钻杆直径偏小且未使用扶正器，钻杆弯曲变形大导致钻具倾斜。

4 内阶梯金刚石钻头纠斜施工

由于现场钻探机具配备不够充分，决定更改纠斜工艺，放弃潜孔锤钻进，采用金刚石单管钻具纠斜。更换为∅89 mm钻杆，并设计定制了一种内阶梯孕镶金刚石纠斜钻头，用于钻孔纠斜。

4.1 内阶梯金刚石纠斜钻头设计

4.1.1 钻头唇面设计

为解决钻孔偏斜处岩坡的导斜问题，钻头唇面形状设计为三级内阶梯式，唇面外高内低。纠斜钻进时，最外层切削刃率先接触岩体，单边垂直切削钻孔偏斜处形成的岩坡，克服了全面钻进钻头及锥形钻头的岩坡打滑缺点。初始削坡纠斜时，要严格控制钻进参数，轻压慢钻吊着打，待外切削刃切削形成台阶和岩柱后，岩柱将起到导向保直防偏斜的效果，此时可以适当提高钻压和转速。由于纠斜钻进过程中不能施加过大的钻压，因此要尽量减小钻头的底唇面面积，以获得较高的单位比压，提高钻头的碎岩能力。

4.1.2 钻头胎体设计

灰岩地层为中硬中等研磨性，因此选择胎体硬度HRC30，以确保在软硬层均能获得良好的钻进效率。金刚石浓度和粒度的选择对于金刚石钻头的钻进效率有重要影响。金刚石浓度偏高时，钻头胎体端面的金刚石与岩石的接触面积增大，减小了单粒金刚石上的平均压力，导致金刚石压入岩石的深度较小，降低金刚石的碎岩效率。反之，若金刚石浓度偏低，在钻头胎体端面出露的金刚石太少，导致单粒金刚石上面的平均压力过大，出露的金刚石过早的磨损或崩刃、脱粒，严重影响钻头寿命。金刚石粒度与岩层性质、钻进参数、金刚石浓度等参数有关，一般来说岩石越硬，粒度应越小。结合地层情况及钻进参数，胎体选择采用不同粒度(46～80目)的金刚石混镶，浓度为60%[6,7]。

钻头的结构参数：外径190 mm，内径150 mm，胎体高度25 mm，水口数20个，钻头如图2所示。

图2 内阶梯金刚石纠斜钻头示意图

4.2 内阶梯金刚石钻头纠斜工艺

为降低钻杆柱的横向振动，提高钻杆柱的稳定性，在杆柱中每间隔10 m安装一个扶正器(∅89～∅190 mm)，且保证扶正器位于∅219 mm套管中，以便发生钻杆断裂事故时加快处理速度。钻具结构为∅190 mm金刚石钻头+∅185 mm单管钻具+∅89 mm钻杆+扶正器(∅89～∅190 mm)。

纠斜施工过程中根据钻进情况及时调整钻进参数，在满足钻头破岩能力的情况下要尽量选择小钻压，低转速，以达到控制井斜的目的。经过现场实践，选择的钻进参数为：钻压8～16 kN，转速100～160 r/min，泥浆泵泵量160 L/min。对于冲洗液的要求主要是提高黏度，保证冲洗液携带岩粉的能力，保持孔底清洁。冲洗液配方：5%膨润土+6%纯碱+0.2%CMC+0.1%PHP；冲洗液性能参数：黏度26～30 s，密度1.03～1.05 g/cm3，滤失量9～12 mL/30 min，泥饼0.5～1 mm。

自孔深108 m处开始纠斜施工，进尺1 m，成功取出月牙形岩心两段，每段长约300 mm，如图3所示，削坡成功，初步判断纠斜工艺有效。提钻测斜，斜度<1°，证明了内阶梯金刚石钻头纠斜工艺的可行性。

图3 纠斜施工取出的月牙形岩心

继续采用该钻进工艺施工，通过控制钻进参数，加强钻孔质量监控，勤测斜，成功钻进至120 m，钻孔测斜数据见表1，最大偏斜距离1.24 m，孔斜2.5°，孔斜控制较好，满足钻孔要求，纠斜成功。

表1 白家疃地震台观测井测斜数据表

4.3 施工中存在的问题

由于钻探机具配置的不够合理，本次施工中存在的最大问题是钻头与钻杆直径级差较大，过大的环空间隙既会导致钻孔的偏斜，又降低了冲洗液的上返流速，严重影响钻进效率。金刚石单管钻具虽然纠斜成功，但钻进效率仅约为3米/班次。对于大口径正循环钻井来说，冲洗液的上返速度推荐值最小为0.3 m/s，可以根据下式计算满足该流速时所需的理论泵量：

式中：Q—泥浆泵排量，m3/s；v—上返流速，m/s；D—环空间隙大径，m；d—环空间隙小径，m；m—上返速度不均匀系数，1.03～1.1。

当环空面积一定时，冲洗液的上返流速与泥浆泵的排量成正比，本次施工各孔段排渣所需的理论最小泵量如表2所示。