红石泉地区复杂漏失地层钻探施工工艺的探索与应用

赵涛

(核工业二一六大队,乌鲁木齐 830011)

0 引言

地层漏失是钻探过程中普遍存在的问题,不仅增加了钻探施工难度,也增加了钻探施工时间和成本。地层漏失严重时还会引起卡钻、井塌等事故的发生[1]。由于地质钻探的孔径、钻进方法以及设备条件具有特殊性,在钻探生产中实施堵漏技术存在诸多问题,对于孔隙型和微裂隙地层的渗漏和微漏失情况,通常选用桥接材料及惰性材料等进行防漏堵漏,可有效解决地层渗漏和微漏失问题[2],但对于构造破碎带以及大范围的复杂破损漏失地层,常规堵漏方法难以见效,往往存在钻进风险高、施工效率低、施工成本高以及钻孔质量难以达到地质要求等问题,容易造成返工甚至钻孔报废,致使钻探成本损失,无法达成项目目标[3]。从红石泉地区近年钻探施工情况看,采用多层套管护孔技术是目前面对区内复杂地层施工最有效、经济的技术方法[4]。

1 工作背景

红石泉铀矿床位于甘肃省龙首山铀矿成矿带西段,是龙首山成矿带铀矿资源勘查的重点工作区之一[5],龙首山铀成矿带是祁连—秦岭铀成矿省的重要组成部分[6]。红石泉地区总体地势西高东低,山势陡峻,区内一般海拔2000～2600 m,高差300～1000 m,属中低山区地貌,山间沟谷发育呈树枝状分布,多“V”字形沟谷和岩坎。钻孔附近地形为典型山地,孔位布设多在山顶、山腰、山脊等位置,设备搬迁困难,需依托工程机械设备修路并平整,才具有设备车辆运输条件。山区搬迁作业,全液压动力头钻机近距离搬迁可依托钻机自身行走机构,立轴式钻机必须通过车辆运输,工作区内各类物资搬运主要依托越野载重车辆。2020年共完成普通地质勘查钻孔9个,均为75°～80°的斜孔,共完成钻探工作量5050.49 m。

2 地质概况

龙首山地质演化经历了三大发展阶段,每个阶段的沉积建造、所受应力、构造变形、变质作用、岩浆活动及成矿作用都有不同的特点[7-8]。区域地层分布不全,主要为元古界,零星出露上古生界、中新生界地层。红石泉铀矿床地区主要钻遇地层以中远古界地层为主,钻孔目的层主要为下远古界地层,其他钻遇的地层多为不同规模厚度的构造破碎带以及表层第四系浮土。地层自上而下可分为:

(1)第四系(Q)。以现代冲积、洪积、风积的砂、砾石、亚砂土、黄土等为主,在区内沉积厚度通常在0～10 m;

(2)构造破碎带。通常发育2～3层,多呈灰黑色,组成成分复杂,规模、厚度、性质不一,通常为钻探施工中事故多发地层;

(3)中元古界墩子沟群(Pt2dz)。不整合于新元古界震旦系孩母山群(Pt3hm)之下,主要为一套厚层富含硅质的碳酸盐岩建造,夹千枚岩、板岩和硅质岩。根据工作区内钻遇地层显示,其中墩子沟群(Pt2dz3)多为薄层结晶灰岩,灰褐色千枚岩,黑色炭质千枚岩,偶夹石英岩;墩子沟群(Pt2dz2)多钻遇硅质条带灰岩,含硅质条带白云质灰岩及硅质灰岩、结晶灰岩,具灰白色、玫瑰红色硅质条带为其特征,在底部含迭层石;墩子沟群(Pt2dz1)多钻遇变质砾岩、变质长石石英砂岩等地层;

(4)下元古界龙首山群(Pt1ln)。主要钻遇塌马子沟组(Pt1t),岩性以为深灰色片岩、片麻岩、灰白色石英岩、角闪岩等为主。

钻探施工目的层基本为浅肉红色伟晶花岗岩和肉红色中粗粒花岗岩为主。从钻遇地层破碎情况来看,区内上部地层碎裂严重,其中多为碎裂灰岩、碎裂板岩和构造破碎带,下部地层为局部破碎的花岗岩及构造破碎带,通常自上而下破碎程度呈减轻趋势,整体钻遇地层破碎程度较高[9]。

3 主要技术难点

根据该工作区往年钻井实际情况,在钻井过程中易出现卡钻、井壁垮塌、井下漏失、井径扩大等复杂情况,这与该地区地层变化情况、钻井技术参数、钻井液维护处理情况有一定关系,报废过一定的工作量,导致了钻井施工难度的增加,延长了钻井周期,大大增加了钻井成本。

钻孔漏失严重。施工钻穿表层5～10 m第四系浮土后,下部10～150 m地层裂隙发育、碎裂严重,浅层构造破碎带发育,钻孔漏失问题很严重。150～400 m段灰岩、板岩地层碎裂严重,400 m以下花岗岩地层裂隙发育,易发漏失。工作区钻孔漏失通常为多段漏失,且井壁漏失与井底漏失共存,漏失情况复杂。

碎裂地层施工风险大。在钻进过程中,因冲洗液漏失,孔壁失去泥浆保护,破碎地层受钻杆扰动极易造成孔壁掉块或坍塌。部分严重碎裂地层无法依靠泥浆维护孔壁安全,钻进过程中风险高,极易造成卡钻、埋钻等严重孔内事故。

部分地层钻进困难。受地质构造运动,工作区内地层组成复杂,其中石英片岩、花岗岩钻进极为困难,钻进效率低至1.0～1.5 m/h。

4 钻进工艺技术方法

4.1 主要施工设备

在施工过程中尽量保证钻机的纯钻时间,减少辅助时间,施工时最好采用进尺行程长的全液压钻机[10]。根据搬迁条件、地形地貌、设计孔深和钻进工艺,在2020年的红石泉钻探工作中,综合优选了2台CSD-1800X全液压动力头式钻机和1台XY-44A立轴式钻机。

4.2 钻孔结构

一级孔径设计为113 mm,由直径113 mm钻头扩孔而成,穿越表层第四系、上部碎裂岩层和构造破碎带,下入108 mm×4.5 mm套管,进行护壁并封隔漏失地层,为后续施工创造施工条件,降低工作风险,提升钻孔成孔率。

一级套管下入后,继续采用绳索取心钻进,如下部地层再次钻遇严重的复杂破碎漏失地层,在采取堵漏和泥浆护壁措施无效的情况下,危及安全钻进,则必须下入二级套管进行护壁,以保障钻孔成孔率。

二级套管采用91 mm×4.5 mm规格的套管,通过2020年的实践经验,二级孔径设计为96 mm可满足工作需要,二级孔径由96 mm钻头扩孔形成,预计二级孔径孔深300～450 m。

三级孔径设计为77.5 mm,采用直径77.0 mm钻头配合77.5 mm扩孔器,钻至完钻孔深。根据在岩浆岩地区采用金刚石绳索取心钻进工艺的技术经验积累,77.0 mm孔径相对常规使用的75.0 mm孔径,在适当增加环状间隙的情况下,上返岩粉情况得到改善,可避免泵压过高造成的地层漏失问题。

图1 钻孔结构图Fig.1 Drilling hole structure

4.3 钻进方法

第四系及上部碎裂岩使用113 mm孔径施工,其中第四系地层多为松散堆积物、黄土等,层厚多在0～20 m,因其结构松散,未胶结或胶结差,且遭受物理、化学和生物风化作用严重,钻进非常容易,根据2020年的工作经验,采用113/87 mm复合片钻头可安全、稳定、高效地钻进。

钻穿表层第四系后,根据工作区域不同,下部地层主要包含有花岗岩、大理岩、灰岩等几类地层,通常地层破碎程度高,构造破碎带发育,可钻性级别较高。采用金刚石绳索取心钻进工艺方法,既可提高在破碎地层的岩心采取率,又可提高在坚硬地层的钻进效率。钻穿上部碎裂地层和构造破碎带后,采用113 mm扩孔钻具对该段进行扩孔,下入套管维护,完成一开孔段工作。

二开孔段主要是为下入二级套管,封隔一开孔段下部地层再次钻遇的构造破碎带,解决破碎地层孔壁掉块和钻孔漏失问题。首先采用77 mm金刚石绳索取心钻进,钻穿下部构造破碎带和碎裂不稳定地层后,使用96 mm扩孔钻具对该段进行扩孔,扩至完整稳定的花岗岩地层后,下入二级套管对破碎漏失段进行封隔。

三开依据2020年区内工作情况,钻孔下部地层相对上部较为完整,严重漏失和掉块等问题较为少见,因此直接采用XJS75系列金刚石绳索取心钻进方法[11],采用77 mm金刚石钻头配合77.5 mm扩孔器钻进至终孔。

4.4 分层钻进技术措施

工作区内表层一般为浮土、黄土等,可钻性级别低,厚度最大仅10 m,且对取心要求不高。采用复合片单管钻进可迅速穿过,通常使用低钻压、低转速、较大泵量。

常规岩浆岩地层通常为较完整的灰岩、花岗岩等地层,部分花岗岩、石英岩地层硬度高,研磨性强,可钻性高达8～10级。此类地层主要采用植物胶配置较低固相的泥浆进行施工,采用XJS75金刚石绳索取心钻进工艺。

碎裂地层和破碎带地层通常面临钻孔漏失问题,在构造破碎带中易发全孔漏失。一般钻进时,护壁堵漏工作非常重要。常规孔隙和微裂隙地层漏失可通过泥浆和堵漏材料进行护壁堵漏,大裂隙地层无法堵漏,只能采用顶漏快速钻进的工作方式。漏层钻进需控制进尺速度,适当增加泵量,宜选用阶梯底唇面钻头钻进。

4.4.1 钻头类型

区内施工采用复合片钻头和孕镶金刚石钻头开展钻进及扩孔工作,复合片钻头用于表层第四系钻进和扩孔工作,金刚石钻头主要用于绳索取心钻进,在坚硬地层扩孔时,可选用对应口径的金刚石钻头进行扩孔。

通过示范区建设，促进马铃薯产业向“标准化、机械化、规模化、集约化、轻简化”发展，加快我县马铃薯产业发展步伐，提高农民种植马铃薯积极性。并进一步带动周边地区马铃薯生产水平的提高，起到科技示范和辐射带动作用，对促进特色现代化农业和农业农村经济科学发展，推动地方特色农业的产业化发展和农民增收，推动社会主义新农村建设具有巨大的现实意义。

4.4.2 钻具组合

根据钻孔结构设计及钻进方法,选用钻具组合见表1。

表1 钻具组合一览表

4.4.3 钻进规程参数

钻进规程参数主要根据钻进工艺和地层确定,工作区内选用如下钻进规程(表2)。

表2 钻进规程参数一览表

4.4.4 泥浆配置和性能

根据地层特性和钻进工艺技术方法进行泥浆配置,表3为泥浆配置参数。通过施工证实,对于严重漏失地层的顶漏钻进,仅采用膨润土基浆钻进,既能满足钻进需求,又能降低泥浆材料消耗。

表3 泥浆配置参数和性能

植物胶防漏钻井液是在传统全液压钻机在岩浆岩地层中使用的低固相或无固相泥浆体系的基础上进行改进的,它即可满足绳索取心钻进需求,又可对低渗透孔隙型漏层和微裂隙漏层有一定的预防和封堵[12]。其配置参数见表4。植物胶兼具提黏、降滤失、润滑作用,使膨润土固相颗粒形成的泥皮质量提升,渗透率降低。适当提升了黏度,增加了孔隙型地层的渗透阻力,固相颗粒之间形成网状结构,抑制了自由水的流动。其携岩能力的提升,岩粉固相颗粒可随渗透进入孔隙、微裂隙中,与膨润土固相共同作用,逐渐形成封堵作用。

表4 植物胶钻井液配置参数

桥接堵漏作为区内堵漏的主要方法之一[13],面对红石泉地区孔内多点、多层位的漏失处问题时,单独使用801或803堵漏剂效果不理想。在堵漏工作中进行了多种桥接剂的配置研究,桥接材料按形状大小可分为颗粒状、片状、纤维状三类,见表5。

表5 现场采用的桥接材料来源

表5中的原料在施工地来源广泛、价格低廉,试验中将3种类型的堵漏材料配合,并添加牛羊粪浸泡,最终混合在冲洗液中使用。

桥接剂配置方案:颗粒状(5～10 kg)+片状(4～6 kg)+纤维状(10～15 kg)+牛羊粪(5 kg)+20.0%纤维素溶液(15 L)+适量水,搅拌浸泡24 h备用。堵漏剂使用方案:1 m3水+6.0%～8.0%膨润土+5.0%～10.0%桥接剂+0.3%～0.5%纤维素CMC+3.0%～5.0%植物胶,采用少量多次投入,泵送法循环挤压。注意泥浆的黏度和切力适当,避免丧失可泵性。

该堵漏方法必须采用“逢漏即堵”的原则,如钻进直至发生严重漏失后再进行堵漏,则效果不佳。在2020年项目多个钻孔施工中,在中粗粒花岗岩和碎裂岩层发生的漏失,对于规模不大的裂隙地层及时采用此法填补孔壁裂隙和孔隙,大大改善了钻孔漏失状况。

聚丙烯酰胺堵漏法,即采用絮凝沉淀和交联封堵作用封堵裂隙[14]。主要材料为1600万聚丙烯酰胺。使用方法是在8.0%的膨润土基浆中加入3.0%～5.0%的聚丙烯酰胺粉末,充分溶解搅拌后,加入25 kg粗粒锯末,快速混合搅拌后,由钻杆送入花岗岩漏层中,边送边提升钻杆。灌入完成后将钻杆提出孔内,静待15～20 min左右下入钻杆试钻。如发生漏失可再次用此方法进行堵漏,通常2～3次堵漏工作后即可封堵漏层。

部分钻孔由于穿过多条破碎带,传统堵漏方法难以奏效。施工研究中发现多数钻孔上部地层松散、破碎程度高;中部至下部地层破碎程度相对轻微,在施工中上部地层采用套管隔离,下部地层采用桥接材料堵漏可获取一定效果。对于部分裂隙较大的地层,采用了复合堵漏袋法堵漏获得了成功[15]。具体方法是由塑料袋、麻布袋、编织袋、劳动布等强度较好的材料为包裹,根据孔内情况做成内20～50 mm 的球状包裹,内部可填充膨润土粉、纤维素粉、聚丙烯酰胺粉末、水泥、惰性材料等,外部涂抹纤维素或聚丙烯溶液,孔深时可将钻杆下到漏层位置后,利用绳索取心钻杆逐个送入孔底,简单易行。开泵循环一段时间后,轻压慢转钻进。由于球袋内材料繁多,在漏层位置具有堆积、固结和填充的作用,在受到挤压破坏后,部分材料被挤入孔壁和孔底,可将孔底裂隙填充堵塞从而改善漏失状况。

5 施工效果

根据工作区内生产条件,在“预留一级孔径”的前提下,放弃采用S95绳索取心钻进工艺,而是更换小口径的XJS75绳索取心钻进工艺进行施工。小口径工艺钻进岩石切削面积减少,图2为2016～2020年工作区内平均台月效率对比,可以看出2020年采用XJS75施工效率提升明显。在钻孔护壁方面,因小口径钻进使得地层暴露面积减少,对地层的扰动较小,因而更有利于孔壁稳定,2020年全年未发生严重孔内事故,成孔率100%,无报废工作量。

图2 2016—2020年工作区内钻孔平均台月效率Fig.2 Average monthly drilling efficiency in the work area from 2016 to 2020

通过植物胶类钻井液的研究和应用,使钻井液体系在满足绳索取心钻进要求下,相对提高了黏度和固相,使其在复杂地层中护壁效果良好,大大提高了钻孔成孔率。在漏失地层中,针对不同的漏失情况,选择采用桥接堵漏法、聚丙烯酰胺堵漏法、复合堵漏袋、泥球等方法,能较好地解决部分地层的漏失问题,一定程度上解决了该地区因冲洗液漏失引起的塌孔埋钻难题,保证了该施工区钻井施工进度,取得了较好的降本增效。

6 结论

采用XJS75金刚石绳索取心钻进工艺,小口径钻进切削面积减少,钻进效率相对往年提升15%。另外,孔壁裸露面积减少,对地层扰动小,更有利于孔壁稳定。钻孔结构护壁采用套管和冲洗液两种护壁方式:针对上部漏失严重地层,采取相应的顶漏快速钻进,钻穿后扩孔采用套管护壁,排除了上部地层破碎严重的安全隐患;针对下部破碎相对轻微的地层,采用泥浆护壁和相应的堵漏措施,采用低固相泥浆可高效钻进至目的层。

综合采用冲洗液配置、桥接材料以及其他可行的防漏堵漏方法与措施,有效改善了孔隙和微裂隙地层的渗漏和微漏失问题,减少了材料消耗,降低了生产成本,提高了孔内安全,为红石泉地区的优质、快速、高效、低成本钻井施工提供了一些参考和经验。