多节取粉管结合跟管钻进在龙川江盆地涌水钻孔施工过程中的应用

2023-11-07姚海平李柏军孙泽轩张亮邹亚辉

工程建设与设计 2023年19期

姚海平，李柏军，孙泽轩，张亮，邹亚辉

（1.核工业二八〇研究所，四川广汉 618300；2.中国核工业地质局，北京 100013；3.核工业二四〇研究所，沈阳 110000）

1 引言

在钻探施工过程中，遇涌水钻孔可能导致钻孔孔壁坍塌、卡钻、埋钻等孔内事故，并给施工单位造成巨大的经济损失。因此，涌水钻孔施工一直是钻探施工业界亟待解决的技术难题[1-3]。砂岩型铀矿独特的成矿作用要求含矿含水层上、下具有稳定的隔水层。特别是滇西地区新生代盆地盖层地下水特别丰富，由于含矿含水层上下具有稳定的隔水层，含矿含水层中的地下水多为承压水，钻遇含矿含水层时可能形成涌水钻孔，给钻探施工带来很大的困难。2019 年，笔者所在单位在滇西龙川江盆地砂岩型铀矿钻探施工过程中，总共施工钻孔20 个，遇涌水钻孔16 个，涌水钻孔占施工总钻孔数的80%。施工期间，采用了多节取粉管结合跟管钻进，圆满地完成了年度生产任务。在此，本文对在涌水钻孔施工过程中采用的多节取粉管结合跟管钻进方法进行总结，以期对在钻探施工过程中遇涌水钻孔的相关人员有所启发。

2 施工区概况

2.1 地质概况

龙川江盆地基底与蚀源区由中元古界高黎贡山群（Pt2Gl.）中—深变质岩系、古生界石炭系（C）浅变质岩系与燕山早期、喜山期花岗岩（γ52、γ6）组成；盖层由新近系上新统芒棒组（N2m）陆相碎屑岩系、第四系全新统（Q4）松散砂砾层与新生界火山岩（N2β、N2α）组成[4-5]。

芒棒组是该盆地砂岩型铀矿的找矿目的层[6]。根据钻探揭露，芒棒组可划分出4 个大的含水层和4 个大的隔水层（见图1、图2）。其中，第一、第二、第三含水层为承压水。

图1 龙川江盆地某X 号勘探线水文地质剖面示意图

图2 龙川江盆地水文地质旋回及含水层、隔水层划分示意图

2.2 岩石物理机械性质

根据地质任务设计书，钻遇地层由上至下依次为上新世第二期玄武岩和芒棒组灰白、褐黄色块状砾岩、砂砾岩、砂岩与粉砂岩、泥质粉砂岩互层。各地层的可钻性岩石物理机械特性和分级见表1。

表1 岩石物理机械特性和分级表

3 涌水钻孔施工特征及产生的隐患

1）钻孔施工发生涌水，有下列3 个特征：（1）泥浆稀释，泥浆返浆时突然变稀、返浆量增加；（2）进尺变化，回次进尺突然增加；（3）泵压增加，泥浆泵压力表读数骤然升高，同时返浆泥浆稀释。

2）涌水钻孔施工可能出现的隐患有以下5 种情况：（1）钻具底部悬空，造成跟管钻头脱落；（2）孔低松散时，造成套管下滑脱落；（3）大量沉砂、岩粉沉淀于孔底；当涌水量过大时，在砂卵石层容易造成泥浆循环不畅通、泵压瞬间增高，造成泥浆管憋爆、导致孔壁坍塌、卡钻、埋钻等事故；（4）涌量过大时，在砂卵石层容易造成套管断裂；（5）水头过高，影响机长操作视觉，导致操作失误。

4 涌水孔处理关键技术、处理方案及作用

4.1 多节取粉管钻进

当涌水量大、水头高，有大量岩粉沉淀，无法成孔时，采取钻孔涌水泄压工序，观察涌水水头高度，当无水头高度时，采用多级取粉管打捞孔内岩粉（见图3）。取粉管上端接一个反丝钻头，与孔底的正丝钻头外径一致，成反方向对立，以便捞取岩粉时有足够的容纳空间。穿过沉淀岩粉层后采取套管隔离，换径继续钻进。

图3 多节取粉管钻进打捞孔内岩粉示意图

4.2 跟管钻进

跟管钻进施工工艺是处理常规无法正常进行施工钻孔（钻进）的一种特殊钻探工艺手段。由于跟管钻探施工钻进工艺的形式多样化，且适用的地层条件和施工工艺各不相同[7-9]。其主要原理为，一边向下钻进一边跟进下入套管，通过下放的套管及时保护孔壁，以应对复杂的地层，确保成孔质量（见图4）。

图4 跟管钻进流程示意图

图5 涌水取心钻进示意图

图6 跟管钻进示意图

当采用多级套管隔离多层地下水时，其钻井液循环路径和涌水路径如图7 所示，钻孔结构如图8 所示。

图7 涌水分流示意图

图8 钻孔结构示意图

5 涌水孔处理工艺实例

本文以龙川江盆地ZK37-27 涌水钻孔施工为例，对涌水钻孔处理工艺流程简述如下。

5.1 ZK37-27 涌水孔的特征

ZK37-27 号钻孔，设计孔深390 m，终孔孔径大于90 mm。2019 年4 月13 日开孔，4 月27 日终孔，施工周期为15 d。

在施工过程中钻遇4 层涌水段，由于孔内有涌砂现象，在涌水钻孔施工过程中采用了多节取粉管打捞孔内岩粉结合跟管钻进的钻探施工工艺，达到了成孔的目的。为该地区涌水孔钻探施工提供了工艺参考，涌水段涌水量、流量、渗透系数及孔内情况统计见表2，涌水钻孔施工现场如图9 所示。

图9 ZK37-27 号钻孔涌水施工现场

表2 ZK37-27 钻孔涌水情况统计表

5.2 涌水孔钻孔结构设计

考虑龙川江盆地地层和岩性的特征，采用多级钻孔结构，根据实际适时调整钻进方案。初步确定钻孔结构如图8 所示，使用φ130 mm 合金钻头开孔并钻进，钻穿覆盖层后下入φ127 mm 套管，涌水段采用φ110 mm 复合片钻头钻进，钻穿涌水段，揭露到稳定的隔水层或不承压的砂岩后下φ108 mm套管，后续采用φ94 mm 复合片钻头钻进至终孔。

5.3 钻井液配置

钻穿含水层时，传统加重钻井液无法满足施工要求，同时涌水段钻井液泥浆已被承压水稀释。因此，在涌水段施工时，采用清水代替钻井液钻进。在钻穿涌水段下入隔水套管后，完成孔内涌水与钻井液分离，再使用常规钻井液泥浆钻进。

5.4 涌水孔施工流程

根据涌水孔ZK37-27 的施工情况，施工过程大体分成以下4 个阶段。

5.4.1 第一阶段：0～60 m（第一层涌水层）

跟管钻具组合：φ130 mm 金刚石钻头（无内径）+φ127 mm跟管+变径接手+φ50 mm 钻杆+主动钻杆+水龙头。

取心钻具组合：φ110 mm 单管取心复合片钻头+φ89 mm岩心管+变径接手+φ50 mm 钻杆+主动钻杆+水龙头。

由于该阶段孔内无涌砂现象，暂时不配置多节取粉管钻具。

工艺流程：钻穿覆盖层，为确保孔壁稳定，采用φ130 mm无内径跟管钻头，下φ127mm 第一层套管并固定，采用φ110 mm取心钻具施工至46 m 时，地层出现涌水；起拔岩心钻具，采用上述φ130 mm 跟管钻进并扩孔至46 m 固定φ127 mm 套管，然后采用φ110 mm 取心钻具施工至60 m；起拔岩心钻具，采用上述φ130 mm 跟管钻进并扩孔至60 m 固定φ127 mm 套管，套管内部基本停止涌水，孔内无沉淀岩粉。根据取出的岩心判断地层基本稳定，停止φ130 mm 跟管钻进施工。此时，φ127 mm套管外侧与孔壁之间存在涌水现象，按照上述隔离措施将钻井液和涌水分流，再进行正常取心钻进。

5.4.2 第二阶段：涌水层钻具组合

涌水层钻具组合：60～152 m，第二至四层涌水层钻具组合如图10 所示。

图10 第二至四层涌水层钻具组合示意图

工艺流程：采用φ110 mm 钻头正常钻进至92 m 时，孔内再次出现第二层涌水，水量大，孔内伴随着大量粉砂涌出，防止孔壁坍塌，决定再次采用跟管钻进方法施工，下入上述φ108 mm跟管钻具至92 m 涌水段并固定套管，此时需注意第二层套管要高出第一层套管20～30 cm，更换φ94 mm 取心钻具进行取心施工，按照第一阶段跟管钻进施工工艺施工，在施工至100 m时，涌水量趋于平稳，孔内沉砂太多，采用φ110 mm/φ94 mm多节取粉管打捞岩粉钻具组合，反复打捞孔内沉沙。后续在110～134 m 出现第三层涌水，孔内涌砂，重复以上工序；钻遇143～152 m 出现第四层涌水，将φ108 mm 跟管钻具至155 m岩心完整具有一定的硬度，此刻停止跟管钻进，随后，采用φ94 mm 取心钻具进行正常取心钻进。

5.4.3 第三阶段：155 m 至终孔（无涌水段）

钻具组合：φ94 mm 复合片取心钻头+φ89 mm 单管岩芯管+变径接手+φ50 mm 钻杆+主动钻杆+水龙头。

工艺流程：下入上述双层隔水套管后，钻井液使用重金石粉调配泥浆，添加纤维素、植物胶等处理剂，保持黏度在30 s以上以便悬浮重晶石粉，泥浆比重从1.1 增加至1.8～2.3 左右（即每立方米泥浆添加5～10 kg 重晶石粉），后续施工至终孔较为顺利，在未出现其他异常情况。

5.4.4 第四阶段：封孔

待终孔测井后，对钻孔进行封孔。采用套管封堵法，将钻杆下到孔底，计算好涌水与孔低的距离，注入水泥浆和水玻璃的混合物，然后拔出孔内全部套管。加工一根3 m 以上废旧套管，套管上焊接变头，连接两个单项阀门，制成双球阀套管接箍装置（见图11），将废旧套管埋入孔内，周围填入软胶带至下端，用水泥浆将管材与孔壁固结。将加工好的阀门与泥浆泵连接，控制好泵压、计算好水泥量及水玻璃的比例，开始注入水泥浆和水玻璃的混合物，注入完成后关闭其中一个阀门，每隔5～7 s 观察静止水位状态，等待凝结。待水泥凝固后，卸掉特制双球阀套管接箍，封孔工作结束。

图11 双球阀套管接箍

5.5 涌水孔施工注意事项

套管接箍丝扣要牢固防止退扣脱落；跟管钻进负荷回转增加困难时，应低速慢进，还需考虑套管外部受阻（如孔壁掉块）；定做套管时，根据钻孔需求制作不同口径、长短不一的规格型号套管，方便跟管钻进，加减套管；在孔内沉砂、岩屑堵塞，采用级配匹配的多节取粉管打捞孔内岩粉；封孔时随时关注钻井液泵压力表，核算压力值，防止压力过高、造成意外伤害事故发生。