小型钻机普钻技术应用浅析

李伟刚

1 概述

近几年来，地勘行业市场下滑，地质项目萎缩，在这种情况下，我公司借助国家一带一路发展的契机，同时为了适应国有地勘单位的改革，大力发展国际项目。现就我在巴西孔戈尼亚尔锰矿区的钻探施工经验，对普钻技术的应用做交流探讨。

2 项目基本情况

2.1 矿区地质情况

矿区位于巴西米纳斯州的西南部，处于巴拉那（帕拉伊巴）盆地的边缘部位，属于浅海-滨海相沉积。矿区地层为单一斜层，呈北东向展布，倾角15°～30°，区内无岩浆岩出露，无褶皱，有少量的断裂出露。矿区锰矿石为黑色，隐晶、纤状结构，角砾状构造或块状构造。该矿石受动力作用影响较强，岩石破碎，裂隙发育，构造角砾发育；岩石中有益组分为硬锰矿+软锰矿，主要以软锰矿为主，硬锰矿仅占少量，隐晶质锰矿集合体呈胶状、皮壳状；无益组分为锰铁质+泥硅质，矿物颗粒细小；岩石中矿物分布较均匀，岩石总体组构较均一。锰矿体的赋矿岩性为长石石英砂岩，锰矿体的展布和地层一致，呈整合接触。

图1 锰矿体露天采场

2.2 岩性及地层性质

矿区主要岩性为石英砂岩，区内地层主要岩性有石英砂岩、白云母长石砂岩、氧化锰矿、第四系红土层，含矿段岩层厚度约20m ～50m。岩性有粉砂岩、绢云母粉砂岩、凝灰质板岩、长石石英砂岩、长石砂岩板岩、石英岩，锰矿体赋存于含锰的绢云母长石石英片岩或石英砂岩中。

第四系覆盖层厚度大，胶结性差，遇水松散，且夹杂有不同程度的活石滚石现象；富含石英颗粒的砂岩层段，悬浮能力差，属于不稳定复杂地层，施工难度大。下部片麻岩地层较稳定，进尺较快。

3 钻进工艺

3.1 钻进方法

该项目矿区采用HZ-130YY 型钻机（甲方提供）施工，甲方只提供普钻钻杆，当地配备单动双管钻具，故采用普通上钻取芯工艺。

3.2 钻孔结构

使用∮91 复合片钻头开孔，然后下入∮89 套管做为井口管，再换用∮42金刚石钻头，连接钻具、钻杆使用泥浆钻进上钻取芯。

3.3 工艺过程

干烧开孔——下套管（2m 以上）——地面配好钻具——调好泥浆性能——下钻——开泵送泥浆——钻进——卡断岩心——上钻取芯——记录——下钻——继续钻进、加杆钻进…。

3.4 钻进参数

转速、钻压、泵量要视设备情况、实钻地层性质、井底使用的钻头类型、进尺速度合理调整确定，不同的钻进技术参数对岩（矿）心采取质量有很大的影响。因此，对钻进技术参数选择，既要考虑提高钻进速度的要求也要考虑取芯的要求。

（1）转速是提高钻速的主导因素，是影响取芯效率的关键因素。一般情况下，钻速随转速的增加而增加，转速过高，钻具受离心力作用大，其振动、摆动也大，转速过低，则钻速也低，同时转速的提高又受设备的能力、钻杆柱的强度及孔内情况的影响，且随钻速的增加，泵量必须与之相适应。泵量过小，排粉不净，导致孔底岩粉淤积，岩屑重复破碎，钻头冷却不良，引起烧钻；泵量过大，又易冲毁岩心，造成回次取芯率低。

（2）钻压在金刚石钻进中是辅助要素，切忌靠盲目增加钻压取得钻速。使用时加在钻头上的压力必须高于所钻地层岩石的抗压强度，而低于金刚石本身的抗压强度。钻压过低，钻头浮在岩层面上，不能形成对岩石的体积破碎；钻压过高，易造成孔斜，同时还受钻具、钻杆强度的限制。

（3）金刚石钻进取芯时，因井底面积大，破碎下来的岩屑多，所以需要加大的泵量，泵量越大，流速增加，冲刷力也大；但是不能过大，泵量过大会造成钻具内压高而降低钻进压力，同时增加钻具振动，降低孔内井壁稳定，易造成孔内坍塌等事故，泵量过低会造成井内岩粉排不干净，产生多次研磨，降低钻头寿命，严重时出现包钻、烧钻等孔内事故，因此要根据孔内情况选择合适的循环方式。

3.5 泥浆的使用

泥浆体系的选择及性能的好坏，直接关系到钻进成孔过程的顺利与否。泥浆体系必须有利于安全、优质、高效钻进，有利于取全取准地质和工程等资料，有利于发现和保护矿层，有利于减少对钻具套管及设备的腐蚀，有利于环境保护。泥浆体系一般分为清水润滑冲洗液、无固相聚合物冲洗液、低密度流体冲洗液等。清水适合于孔壁稳定、低速转及浅孔施工，清水冲孔，能快速冷却钻具，钻进效率较高，但对孔壁无保护作用，对钻具润滑性较差；润滑冲洗液适用于高转速深孔钻进，泥浆冲洗液应用于孔壁不稳定的钻孔和钻速快、岩粉多且颗粒粗的钻孔；无固相聚合物冲洗液是高分子聚合物的水溶液，具有胶结护壁好、相对密度小、钻速高等特点，应用广泛；低密度流体冲洗液主要用于缺少地区和钻孔冲洗液严重漏失的地层。

图2 下入井口钻杆示意图

本地区开孔使用清水灌浇钻头，下入套管后使用泥浆。配方：1m3水+20 公斤膨润土+1 公斤CMC（甲方现场只2 种泥浆材料）。此配方较简单，现场使用便于维护，基本可以满足地层使用。

按配方配制时，先把土充分水化，CMC 充分溶解配成胶液，然后在搅拌桶中充分搅拌，使之性能达到比重1.3g/cm3，粘度26s 左右，失水量20ml/h。

注意：每次取芯上钻过程中必须进行注浆操作，防止抽垮地层；每次停转等待过程中，必须对井内进行灌浆作业，稳定井壁。

4 工程案例

Zk1605 钻孔事故处理经过：

8 月12 日下午13 时1605 孔下套管3.9m 后换46mm 钻具加杆钻进，井内开始返上红色泥土水，继续钻进加杆钻至11.25 米，井内返上粗颗粒砂岩岩粉，继续使用清水钻进。

14 时30 分加杆钻进至13.25m，井内粗颗粒砂岩岩粉大量返上，单根钻至井底15.95m，拉上导杆，停泵，解钻杆，上拉单根2.25m，接上立根4.5m，下钻至加杆钻杆离井口1m 处遇阻，班长强力抽拉，来回上下至井口30cm 无法下钻，亦无法上钻。

15 时加大泵量，勉强合车（井口距离不够）强力转动，3min后水泵调压阀打开自动泄压，动力柴油机熄火。

15 时30 分，合车不开泵空转，根据导杆长度计算，钻具距离井底65cm，来回反复转、停，转拉，转顶，因导杆油缸无有效上顶标尺，20min 后无效果，熄火解开导杆。

16 时，用卷扬机向上拉紧钻杆，众人合力搬动管钳上盘井内钻杆，边用钢丝绳向上拉边用加力管钳继续转动，30min 后钻杆上升16cm，离开井口46cm，后无法继续转动，亦无法拉动。

17 时，从矿部拿来20 吨千斤顶2 个，用木板两边搭好支架，保证钻杆受力平衡，用垫插支撑受力，经过多次尝试，向上顶出钻杆50cm，此时钻杆距离井口96cm。

13 日上午7 时，继续用千斤顶提升钻杆10cm，后反弹无法继续，亦无法人力转动。

8 时，经过丈量判断钻杆4.5m 下部已进入井口套管（下套管3.9m）,故在井口用管钳反转，在井下解开钻杆，上钻后发现从井下第二根钻杆扣处解开，此时井内留一根钻杆4.5m 和钻具2m。

9 时，现场果断决定下钻。换用单根2.25m 加一根4.5m 钻杆，合车连接主动钻杆（导杆4.2m），计算机上残尺剩余1.45m（钻杆丝扣0.04m），做好红色标记，缓慢下钻到底。

10 时，井口异响钻杆接触，人力缓慢转动上扣，后用钢丝绳上拉，反复多次尝试，柴油机憋车，判断井下对口成功。迅速开水泵，打压至2kg/m2，水泵稳定，持续5min后，半离合状态慢转，控制不能反转，反复10min 后，井底水路通，地面返上砂粒，继续冲井底15min 后，快速上钻，井内钻杆、钻具全部拉上来，从钻杆壁磨损情况判断井底4.8m 以下全部砂粒，钻杆平口台阶已经磨平，钻具外管全部磨光。

当日11 时，清洗钻具，整理机场，井内事故处理成功。

5 施工经验及建议

5.1 普钻优点

该地区0m ～5m 为硬质锰矿石，上部为红色黏土层，下段为松散石英砂岩层，在泥土层和松散层段，孔径扩大，易断钻杆，这恰恰是普钻的优点，钻进效率高，事故率低。

普通取芯钻进适宜钻进易风化砂泥岩等软弱地层、岩芯破碎的复杂地层，钻进效率比绳索取芯钻进高，泥岩缩径影响不大，孔内事故便于处理。可钻性1 级～5 级地层，效率很高；对粘度、固相要求不高，钻杆为地质专用管材、加工精度不高、易弯曲，成本较低。

5.2 普钻缺点

辅助时间长，频繁上下钻劳动强度大；受取芯管长度限制，不能较大间断连续取芯；受钻杆尺度影响，不能满眼钻进，孔深和采取率均受影响。

图3 钻杆平口台阶磨平图

图4 清洗前后钻具图

钻进硬地层效率低，钻头寿命短，易孔斜，劳动强度大，采取率低，钻探成本高。

普钻多采用单层岩心管、泥浆直接冲蚀岩芯、采取率不高；多采用合金钻头，钻头破碎岩石振动大、岩心易碎、易堵；卡料卡取或干烧法取芯，岩心易脱落，成功率不高；每回次提钻、振动大、泥浆压力等因素影响下岩心易脱落，辅助时间长、劳动强度大；对孔壁破坏较大，易孔斜，孔内事故率高。

5.3 建议

（1）根据地层具体情况选择合适的钻井类型，目前较先进的是绳索取芯钻进，也可采用普钻与绳索取芯相结合的方法，可以提高钻进效率。

（2）钻探施工现场切忌用清水钻进，重视泥浆技术，特别是复杂地层。（3）机场应配备常用的事故处理工具，如丝锥、套铣钻头等。（4）钻探施工过程中，根据实际情况选取合适的钻进参数和泥浆配比方案，预防孔内事故。

（5）处理井内事故必须头脑冷静、思路清晰，切忌盲目蛮干。

6 结语

钻探工程属于地下施工工程，钻孔地下各种复杂情况随时会发生并影响工程质量和进度，做好孔内事故的预防工作，采取有效可行的预防措施，对地层情况进行全面分析，制定合理可行的施工组织技术方案，经常检测泥浆各项指标和检查设备运转情况，多观察钻进过程中所出现的各种现象，确保精心组织、精心施工减少和避免事故的发生，提高生产效率和经济效益。

普钻涉及的面比较广泛，它不仅仅能够适应于提钻取心的固体岩心钻探工作，还适应工建勘查、道桥工程、铀勘、水井等等较大口径钻孔的施工。无论何种钻探取芯方法，都是利用各种施工技术和方案，不断提高预防和处理事故的技术水平。对于复杂地层没有唯一或者万能的解决办法，只有根据实际情况和现场处理工具水平，采取最行之有效的方案解决处理问题，以上是我针对该地区该钻孔的一些方法和现场经验，与同行们交流分享。