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钻探施工论文:钻探施工工艺研究

时间:2021-07-27

钻探施工论文:钻探施工工艺研究

本文作者:刘亚斌作者单位:青海省第一地质矿产勘查院

钻探施工难点

(1)上岩组斑点状碳质绢云千枚岩、碳质绢云千枚岩层理发育,岩石倾角大,硬度低,其构造破碎带岩石酥松破碎,且有长度不均的黑色泥质岩段。在这种岩体中形成钻孔后,岩体原始的力学平衡状态被破坏,若钻孔倾角大,受重力作用,以及泥浆冲刷、提下钻的抽吸作用,钻进过程中易出现坍塌掉块、缩径现象,成孔困难,岩心堵塞现象十分严重,取心难度大、采取率低。(2)下岩组白云石大理岩和条带状白云石大理岩硅化严重,岩石坚硬完整致密,研磨性低,可钻性级别高,钻效低。

钻探工程要求

全孔岩心采取率不低于95%;终孔直径不小于96mm(HQ);钻孔设计顶角30~40°,每30m及终孔测斜一次。顶角每百米允许误差为3°,方位角每百米允许误差为5°。

主要施工工艺

1钻探设备

使用宝长年公司生产的LF70全液压动力头钻机,配备额定压力7.0Mpa的全液压泥浆泵。LF70钻机使用96mm(HQ)口径,施工时理论钻进能力为542m,钻机可钻进顶角范围0~45°内的任意钻孔,非常适合矿区大角度钻孔的钻探施工。为了弥补钻机处理事故强力起拔能力低的弱点,现场配备了液压千斤顶,起拔能力75t。

2孔身结构

全孔绳索取心钻进。使用122mm(PQ)口径开孔,下108mm套管隔住第四系,以96mm口径终孔。下套管过程中,在108mm套管入岩部分的外壁上涂抹黄油,并密封好孔口,为便于终孔后起拔套管。

3钻进参数选择

钻压:孕镶金刚石绳索取心钻头压力的确定,按照单位压力40~80kg/cm2计算。宝长年LF70钻机孔底压力的确定需要读到钻压表上的两个数值。开始钻进时,将油缸慢速给进控制阀至于钻进位置,钻具缓慢回转向孔底接近但未接触孔底时(悬吊状态),钻压表显示的值为孔内钻具总重量与油缸下行给进力之和。当钻头完全接触孔底时,由于存在地层反作用力,钻压表显示的数值会减小为另一个值,这两个数值的差值称为失压值,失压值乘以油缸有效面积(45cm2)即为孔底钻压。一般来说,在一定范围内钻速是随着钻压的增大而增加的,但与此同时,单位进尺金刚石的耗量也随钻压的增大而增大[1]。过大的钻压会使金刚石耗量急剧增大,导致钻头使用寿命降低,影响绳索取心工艺优势的发挥。转速:金刚石钻进是以高切削频率表面疲劳破碎和小体积量体积破碎为主要碎岩机理,所以转速是金刚石钻进工艺中保证钻进效率的重要因素。对于转速的确定,按普通金刚石钻头钻进的圆周速度(孕镶钻头1.5~3.0m/s)计算转速。根据地层情况,岩石完整时,可适当开较高的转速,当地层复杂时,要将转速控制在一定的范围内。泵量:绳索取心钻进时钻柱与孔壁之间的环空间隙小,冲洗液上返流速快,加之孕镶金刚石钻头所切削出的岩屑粒径极小,所以一般而言,泵量的大小只要保证钻头冷却、能够排出岩屑即可,过大的泵量除了会抵消一定的钻压以外,还极易冲垮松散破碎地层,导致岩心缺失,不利于钻进。钻进参数的具体选择可参见表1。

4冲洗液的配制及维护

根据钻孔在不同孔段岩层变化及孔壁的完整程度,及时、灵活、有效地选用和调配使用不同类型和性能的冲洗液,并适时做好冲洗液的净化、监控及维护管理工作,是保证顺利钻进的首要条件[2]。开孔钻进第四系覆盖层时,冲洗液配方为1m3水+2%磺化沥青(DLSAS)+2‰PAM。通过现场使用发现,DLSAS在覆盖层岩心表面形成一层薄而韧的泥皮,岩心自内管取出时几乎为一个整体,证明DLSAS具有极佳的防塌护壁护心效果。钻进完整地层时,使用无固相冲洗液,配方为1m3水+1‰~2‰PAM。使用无固相冲洗液时,常由于岩屑沉淀不佳而导致沉淀箱中的冲洗液变成岩粉浆,从而导致泵压高、孔内岩粉无法排出,甚至发生烧钻事故,影响正常钻进。现场解决这个问题的方法除了合理布置地面循环系统外,还应要求班组勤换冲洗液,勤加清理沉淀箱以保证正常钻进。钻进酥松破碎、胶结性差、缩径等遇水不稳定地层时,对冲洗液的要求更高。要保证冲洗液失水量低、一定的粘度、良好的抑制性和剪切稀释性。现场使用腐植酸钾(KHm)-磺化沥青(DLSAS)-高效植物胶复合低固相泥浆作为复杂地层冲洗液,配方为4%钠土+1‰HV-CMC+4‰KHm+1%DLSAS+2‰植物胶。在配置时,按照先无机、后有机的顺序加入,并保证有充足的搅拌时间。该配方在钻进酥松破碎的碳质绢云千枚岩时取得了理想的应用效果。此外,钻进时,将转速控制在400r∕min之内,将有效消除钻杆内固相颗粒挂壁结垢问题。设置冲洗液循环系统时,要保证循环槽的长度、坡度及档板数量。防止冲洗液在循环槽中流速过高、冲洗液所携带的岩粉无法通过降速与结构破坏作用而顺利的净化沉除[3]。

5钻孔漏失治理

在勘探区上下两岩组的钻进过程中,均出现了不同程度的漏失情况,我们以“预防为主,随钻堵漏”作为解决钻孔漏失的主导思想,以801堵漏剂作为主要堵漏材料,根据经验,提前判断漏失层位,在冲洗液中加入一定量的801随钻堵漏剂预防漏失。当出现钻孔漏失时,视漏失量的大小,加入1%~4%的801随钻堵漏剂,1%的磺化沥青粉,并增加PAM的含量,配置成高粘浆液随钻堵漏。在勘探区使用该方法进行钻孔漏失的治理,实用性与经济性俱佳。

6钻头的使用

根据在矿区地层岩石硬度、研磨性及完整度,并结合实际使用经验,基本以8#Q系列绳索取心半合管底喷钻头作为主打钻头。在厚度较大、完整、硅化严重的白云质大理岩及白云质条带状大理岩时,则选用胎体硬度较低的10#钻头,底唇面均为尖齿环形。使用新金刚石钻头时要进行初磨,一般先轻压(正常钻压的1/3以内)、慢转(200r/min左右)5~10min,再采用正常钻进参数进行钻进。在每个回次钻进开始时,也要对钻头进行磨锐。

7测斜与岩心定向技术

使用单点照相测斜仪,仪器罗盘技术参数:斜孔方位角0~360°,倾角0~90°,直孔方位角0~360°,倾角0~90°。该仪器具有结构简单、使用方便、测量精确度高等特点。为便于测斜,在测斜仪外保护管上焊接了可以直接与打捞器钢丝绳接头连接的母扣,有效减少了测斜辅助时间。为了适合在斜孔内测量,在测斜仪外保护管上部加工了扶正器,使测斜仪可以探出钻头并悬吊在钻头内台阶处进行测量,保证了测量数据的准确性。2011年,使用HQ\HQ3ActⅡ型随钻岩心定向仪,共完成钻孔60个,在其中57个钻孔共3848个回次进行了岩心定向,有3472个回次定向操作成功,岩心定向成功率达到了90%。该仪器是设计与HQ\HQ3绳索取心钻具配合在斜孔中使用的岩心定向仪器,当HQ3口径钻进时可以通过连接在内管总成上的ACT测量仪器(定向工作仪)进行岩心定向测量工作,回次钻进结束后将内管打捞起来,使用地表控制仪器与ACT测量仪器对接,经过数据对比后可确定出岩心管内岩心在孔内原始状态下重力低边的位置,从而完成对岩心实际空间产状的测量。每套仪器可配备两套HQ3内管总成使用,除增加一定的操作辅助时间外,对钻进深度和纯进尺速度没有任何影响。

8上岩组酥松破碎、断层泥岩段施工工艺

使用HQ3半合管+底喷钻头钻进工艺。在使用时,内管与钻头台阶的距离要小于普通绳索取心内管与钻头台阶的距离,在1mm以内,保证足够的冲洗液由钻头底面喷嘴流出,不会冲刷岩心导致岩心缺失;在取心率低的地层采用短回次(0.5~1.0m)、低参数钻进(钻压≯10kN,转速≯400r∕min,泵量≯70L∕min),以保证采取率;发生岩心堵塞要立即打捞内管,保证岩心不磨损、不烧钻;起下钻速度要均匀,不可猛起猛放,下钻时,应先下外管,再下内管,以防止抽吸压力过大从而增加孔壁失稳的可能性,保证孔壁稳定;使用腐植酸钾(KHm)-磺化沥青(DLSAS)–高效植物胶、复合低固相泥浆为冲洗液,并保证冲洗液的性能,严禁与PAM无固相冲洗液在裸眼状态下频繁更替使用;及时回灌冲洗液,保证液柱压力能够平衡孔壁应力;

9下岩组硬岩层施工工艺

使用胎体硬度相对较软的10#钻头钻进。适当加大钻压强迫钻头进尺,迫使胎体磨损金刚石出露,待正常后立即恢复原来钻压,但要注意过度加压会导致钻孔弯曲度增加;磨料选用机场周围挑选的未风化的石英岩,碎至6~7cm3,一般一次投入10~15粒,保证孔底压力12kN左右,低转速、小泵量,10~20转后将钻头提离孔底,反复8~10次后再正常给水钻进[4]。孔底磨钻头法效果明显,但钻头磨损很快,使用需慎重,且辅助时间长、成本高,投入时应将磨料逐一投入,不可一次性全部投入,以免在钻杆内架桥。

结语

(1)在青龙滩勘探区的钻探施工中,通过加强钻探技术的优化和改进,采用有效、合理的技术措施,相继解决了硬岩钻进、钻孔坍塌、松散破碎层取心等技术难题,有效降低了孔内事故率,保障了钻探施工生产。(2)成功应用了岩心定向技术,拓宽了施工技术范围,增强了施工队伍的技术能力及市场竞争力。今后将重点解决绳钻岩心堵塞问题,以求进一步提高钻进效率。

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