绳索取芯技术在地浸工艺钻孔施工中的应用

汪成勇，曾令，龚美鑫，温得全

（1.核工业二〇三研究所，陕西西安710086；2.核工业二九〇研究所，广东韶关512006）

1 概述

在地浸开采过程中，为了更详细地了解目的层岩性的各方面特征，要求部分工艺钻孔在目的层进行取芯工作，现行的取芯方法一是采用大直径钻杆、大直径岩芯管取芯，二是采用岩芯钻机先取芯再进行多级扩孔施工工艺孔。前者不需要进行多级扩孔，但取芯难度较大，且取芯需要频繁提下大口径钻具，劳动强度大，且在矿层施工时泥浆容易堵塞矿层。重新调配岩芯钻机进行取芯，需要进行多级扩孔，耗费大量人力、物力和财力，工艺钻孔施工周期长，且成井质量较难控制。

我单位在结合现有地浸施工设备的基础上，根据地质情况与施工条件，利用现有转盘式钻机和Ø127mm绳索取芯快速钻探取芯，利用Ø127mm钻杆(内径Ø95.25mm)做外管，采用定制的S95型绳索取芯工具,与单点测斜仪的绞车配合进行取芯,岩芯采取率达到标准要求，劳动强度小，矿层污染较小，节省取芯成本，成井质量较好，同时能大幅缩短单孔成井工期。

2 工程概述

2.1 地层情况及特点

施工区在伊犁盆地蒙其古尔矿区，第四系覆盖层砾石发育，厚度80~250m，钻孔所遇地层为第三系、白垩系、侏罗系，岩石主要岩性为砂砾岩、粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩、煤等。钻孔偏斜，钻孔漏失和涌水，孔壁超径与缩径，孔内掉块和卡钻，是本区多发的孔内事故。施工区岩石可钻性2~8级[1]。

2.2 目的层岩性及取芯要求

2.2.1 目的层岩性

施工区取芯目的层属于侏罗纪系中、下统西山窑组下部与三工河组。西山窑组取芯段的岩性主要为含砾粗粒砂岩、粗粒砂岩，其次为中—细粒砂岩和砂砾岩，夹泥岩、粉砂岩或煤层透镜体。三工河组取芯段岩性为细—粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩夹少量炭质泥岩与薄煤层。

2.2.2 取芯要求

（1）生产钻孔设计取芯位置为目的层位含矿含水层，其钻孔取芯段不低于30m，终孔口径不大于95mm；

（2）含矿含水层的矿芯采取率不小于75%；岩芯（顶、底板）采取率不小于65%；

（3）使用新鲜的优质钻井液，相关泥浆性能记录完整；

（4）钻孔质量达优良，班报表、简易水文观测记录表等原始记录完整。

2.3 工艺钻孔技术要求

2.3.1 工艺钻孔结构要求

取芯钻孔均设计为抽液孔或双功能钻孔。要求开孔直径Ø269mm，施工至含矿含水层顶板位置（潜水泵一般下放至230m左右），再采用变径Ø151.1mm（或取芯口径），施工至孔底，经过综合测井，确定过滤器位置后按要求进行扩孔至孔底。

2.3.2 成井工艺要求

该地区地浸工艺孔主要质量指标验收标准（部分）如表1所示，施工中须严格保证钻孔质量满足验收标准具体施工要求[2]。

表1 钻孔主要验收指标表

3 设备、机具选择

3.1 设备选择

设备选型上，主要施工地浸工艺钻孔，同时根据钻孔取芯的目的和要求，钻探设备仪器[3]如表2所示。

表2 投入的主要施工设备表

3.2 取芯钻具及钻头选择

根据地质取芯要求和预计取芯井段的地层岩性特点,我们选择了S95的绳索取芯器[4]以及与之配套的Ø95mm钻杆。该取芯器外管采用Ø108mm×10mm的管材，内管尺寸为89~76mm，钻具外管总长6m，内管长2m。内管选用Ø89mm×5mm的无缝钢管,保证了内外管的环空间隙,防止泥皮粘糊钻杆内壁造成憋泵现象[5]。

全面钻进选用Ø269.90mm和Ø244.50mm牙轮钻头；其取芯工具选配Ø108mm的自制绳索取芯钻头（见图1），取芯钻头采用十翼阶梯式刮刀PDC保径钻头，保径由合金条焊接在钢制基体上而成，该钻头具有寿命长、制作成本低高的特点，同时能较好地满足本地区松软地层取芯的要求。其次钻头结构设计减少钻头与孔底的接触面；钻头的水眼设计采用顺时针小角度外倾，减少钻井液流对岩芯冲蚀破坏[6]。

图1 绳索取芯钻头示意图（单位：mm）

4 钻进工艺

上部利用转盘钻机碎岩机理，选择“中转速、高泵量、中钻压”规程，采用PDC牙轮钻头全面钻进，使岩石产生体积破碎及时返出孔内;下部取芯段则将钻具全部更换为S95绳索取芯钻杆(加扶正器)和取芯钻具，采用大环空、中泵量实现连续取芯，避免孔底重复破碎，从而实现快速钻探目的[7]。

4.1 钻孔结构

根据地浸工艺钻孔结构要求及地层性质,取芯钻孔均设计为地浸工艺钻孔中的抽液孔，选择三级井段结构，该钻孔结构保证工艺要求，减少扩孔施工量，钻孔结构稳定[8]。一级井段采用269.90mm牙轮或PDC钻头开孔，钻进至320m，根据地质岩层情况确定下入护壁套管；二级井段更换244.50mm牙轮钻头，钻进至设计矿层位顶板上部3m；三级井段更换Ø95mm钻杆、S95取芯钻具与取芯钻头，取芯至设计矿层底板以下3m。取芯结束后，采用215.9mm钻头对取芯段进行扩孔。

套管结构为管箍结构，一开井段采用Ø152mm×10mm，其中下泵位置放置3根Ø160mm×12mm，二开、三开井段采用Ø104mm×10mm，变径处采用尼龙棒连接，矿层段采用环形骨架过滤器，水泥固井从砾料面至孔口。钻孔结构设计见图2。

图2 钻孔结构设计

4.2 钻进工艺及钻具组合

使用Ø269.90mm钻头施工至320.00m，再更换Ø244.50mm牙轮钻头施工至设计含矿含水层顶板位置上端，最后更换为取芯钻头配合S95绳索取芯钻具进行取芯。

4.2.1 钻进工艺及参数

钻具组合及钻进参数如表3、表4。

表3 各井段钻具组合

表4 各层段钻进参数

4.2.2 冲洗液设计

根据矿区地层情况，一开井段地层主要为洪冲积砾石、砂土且松散及褐红色粘土，平均厚度200m；配方：钠土8%、聚丙烯酰胺0.01%、烧碱0.03%、清水搅拌成原浆；泥浆性能为：密度1.12~1.18g/cm3，粘度30~35s，失水量14~18mL/30min，pH值8~10。

二开井段地层岩性主要是砂岩、煤层和部分泥岩，平均厚度150m；配方：钠土1%、聚丙烯酰胺0.02%、烧碱、清水；泥浆性能：密度1.05~1.08g/cm3，粘度20~25s，失水量8~10mL/30min，pH值7~8。

取芯段地层有中、粗砂岩和少量砂质泥岩，平均厚度40m；配方：聚丙烯酰胺0.01%、纯碱0.03%、清水；泥浆性能：密度1.03~1.05g/cm3，粘度18~20s，失水量8~12mL/30 min，pH值8~9[9]。

4.2.3 冲洗液液管理措施：

（1）施工现场配备旋流除砂器和振动筛，并配有泥浆罐、储水罐、沉淀罐、废浆坑，第四系地层砂石砾径大，旋流除砂器容易堵塞水眼，可只依靠振动筛进行除砂，进入基岩层后同时使用旋流除砂器和振动筛，能更好地控制泥浆固相含量。

（2）泥浆在使用中，性能随时在变化，每班利用现场配备的泥浆测试仪检测泥浆性能，再根据地层变化，按照相应地层加入处理剂，将泥浆性能调整至合适范围。将性能指标数据准确记录在报表中。

（3）每班安排人员进行振动筛除砂、捞渣工作，维护泥浆固控设备。

（4）现场机班长必须掌握各种泥浆处理剂的性能及作用。

（5）现场泥浆材料和孔内事故处理材料应准备足量。

4.2.4 取芯钻具操作要求

（1）按照地浸工艺钻孔施工要求，进行一开、二开钻孔施工，并施工至设计取芯位置，开始循环冲孔并替换新鲜泥浆，使孔内泥浆性能满足取芯要求，同时钻具起下钻通畅，再进行起钻更换取芯钻具。

（2）下钻前,检查内外管组装情况，确保设备与工具能正常运转和使用，并放入内管认真检查装配间隙,在地面试运行打捞矛与内管结构保证顺利打捞内管。

（3）下钻前准确丈量各钻具，同时应在打捞钢绳上做个深度记号。

（4）若下钻遇阻，应采用钻杆通井，禁止采用取芯钻具通井。

（5）起下钻和使用吊钳、旋绳装卸钻具时，操作平稳。

（6）初始下放取芯钻具时需要边下钻边循环，要均匀下钻，下至取芯位置的最后一个单根，使用BW350/13型泥浆泵代替TBW1200/7C型泥浆泵先用小排量循环，逐步增大排量循环钻井液冲洗井底再进行取芯作业。

（7）提起钻具不超过50mm，提断岩芯，卸开主动钻杆。提断岩芯后不得再将钻具放到孔底试探。打捞器在冲洗液中的速度约1.5~2m/s，确认打捞成功后，试提打捞矛，再开动绞车正常提升。

4.2.5 取芯技术要求

（1）取芯钻进前，技术人员需进行技术交底，做好相关孔内事故处理预案。

（2）取芯前做好相关数据丈量，保证取芯层位正确无误。

（3）下入的打捞器和钢丝绳都会对该丝扣造成磨损，在打捞岩芯前，应拧上喇叭形护丝套。

（4）投入内管后不能立即钻进，根据内管总成在钻杆柱内的下行时间与钻孔深度、钻孔倾角、冲洗液、泵压等因素有关，一般采用35~40m/min的下降速度测算，待内管到位后先慢转1~3min后，逐渐下放加压至正常钻压进行取芯钻进，钻压不允许超15kN。

（5）内管取出后，检查卡簧与内管总成。钻进至松散砂岩时更换爪簧卡取矿芯，降低岩芯脱落概率。

（6）根据不同地层情况进行调整钻进参数，预计进入矿层后，为保证矿芯采取率，保持单回次钻尺在1.8m以内[10]。

4.2.6 两种钻进应用效果

在同一矿区内，部分单位采用了XY-5/6钻机进行取芯，再更换转盘式钻机进行扩孔施工。其优势是运用了该地区成熟的普钻取芯技术体系，取芯率高，不需要进行泥浆体系与更换钻具配置。统计两种施工方法的部分钻孔见表5。

表5 部分取芯钻孔数据统计

5 结语

通过对比在该矿区采用岩芯钻机取芯再进行扩孔的方法，采用大口径绳索取芯技术，避免多次扩孔钻进，一次性成孔，较传统方法缩短一半工期，大幅度提高了机台效率；其次通过Ø127mm钻杆作为外管降低孔内事故率，保证了钻孔偏斜；采用适合绳索取芯钻进冲洗液，减少了泥浆对水层的污染，保证了钻孔出水量；通过绳索取芯施工的钻孔各项指标均达到验收标准。通过运用绳索取芯技术施工，积累了一定的经验，对今后该地区钻探施工有一定的指导意义。