郭军(湖南省煤田地质局第三勘探队 湖南永州 425000)
地质钻探中孔壁失稳的成因与处理
郭军
(湖南省煤田地质局第三勘探队湖南永州425000)
矿产类的建筑材料在国民经济发展中具有十分重要的地位。但是随着市场对这类资源开采开发力度的增加,其勘探力度和钻探要求也在不断加强和提高,解决好地质钻探中孔壁失稳的问题,对获取地质、矿产信息、开发优质建材和获取原材料有着十分重要的意义。这类原材料广泛的存在于复杂地层中如:优质石材;石膏;磷、硫矿等等。本文对地质钻探中孔壁失稳的问题进行总结、分析和处理。有效的解决了钻探这类地层的实际问题。
建材;钻探;孔壁;坍塌
地质钻探工作的关键问题是揭露地层获取地层深处的信息,为矿产开发提供依据,为达到合理开发利用,保障生命、财产安全提供依据,为维护矿产行业和谐稳定发展做出贡献。在矿开发利用中,经常受到有害地质因素会困扰,如深孔的多岩层表现出来的复杂性、软弱地层表现出来的孔壁失稳坍塌、缩径等等问题,严重影响地质钻探生产的安全。如何发现、控制或降低有害地质因素危害,是保障安全,预防事故,达到优质高效生产的重要环节。
地质钻探的主要目的是查明地质情况,以获取矿体的产状、品相、储量以及岩石力学样、大地构造、水文等信息为目的的钻孔施工。在地质钻探中,经常会遇到构造破碎带而发生的钻孔坍塌、涌水漏水、矿层取芯困难等突出问题。特别是近来大部分钻孔都具有深度大,地质情况复杂,受地表自然条件制约的特点,使上述不良地质情况给钻探带来的危害并造成的损失表现的尤为突出。
地质钻探中孔壁失稳的成因:
(1)孔壁失稳的主要原因:多发生在结构带、软弱地层、节理裂隙发育地层和厚的软弱矿层。而有些矿的形成,正是通过不断的淹埋沉积,在若干万年的地壳运动中形成的矿藏。这些地层往往既有泥岩、砂岩等沉积岩又有火山等地质运动后重新胶结形成的岩石。在漫长的地质运动中,一旦受到挤压,产生变形断裂破碎,使地质情况变得非常复杂。在钻探中产生的不利影响也更加严重。埋钻、夹钻、钻孔坍塌而无法施工,给钻探施工带来很大的经济损失。
(2)地质钻探中孔壁失稳的预见性判断。在开钻前,仔细研究钻孔地质资料,收集临孔及本矿区的钻孔资料和地质信息,大致了解矿区地层的组成,了解各岩层的厚度与埋深,以及受力情况(主要是指挤压变形情况);了解区域地质构造情况,以便获取钻孔位置与地质构造带的位置关系等信息。然后,对这些信息进行认真分析,合理的设计钻孔结构和各钻探参数,做到有的放矢,为施工过程创造有利条件。在实际钻探施工中,严密监视钻探机具的每一个细小反应,在回次钻探中,钻探速度会有突然变快或时快时慢的现象并伴随着蹩泵,则多为钻遇软层引起;如同时伴有钻具不稳和岩心采取率低、漏水,则有可能钻遇破碎构造带等等。应当结合先期掌握的地质资料,分析判断,准确的判断是快速解决问题的基础。
在钻探施工中,应该在充分分析地质资料信息同时,操作人员要熟练的掌握钻机的操控技术,对钻探过程中出现的各种情况全面分析。发现地层变软,应采取相应措施:
(1)降低钻速,降低钻速的好处有利于岩、矿心的采取率。软弱层的机械强度都不高,在外力作用下及易消耗破碎形成泥粉和大颗粒的钻渣。泥粉会使钻井液比重急剧增大而增加井漏的风险;会使钻井液有害固相增加,钻井液变的粘稠,形成的泥饼酥松粗糙容易剥落而使井壁容易坍塌;由于孔壁坍塌在孔底钻头等外力作用,形成的颗粒对孔壁研磨使孔壁扩大,而扩大的孔壁又增加了孔壁坍塌概率。因此,降低钻进速度等于变相的延长了钻井液的循环时间,有利于钻井液的净化。是有效的控制井壁失稳的第一步。
(2)根据地层及时调整钻井液的性能:井壁失稳多为水敏性地层或欠平衡地层引起,增加钻井液的护壁性能,向钻井液中加入适量的高分子集合物材料提高钻井液的粘度。向钻井液体内添加以K+为主的泥页岩抑制剂,增加钻井液对泥页岩及水敏性地层的抑制性,使水敏性地层不至于无限度的水化而失稳。及时除砂和除出有害固相。保证钻井液的性能是稳定井壁必要步骤。
(3)控制泵量。软弱地层和矿体,不耐冲刷,遇这类地层或矿体,一定要综合考虑各方面的因素,泵量控制的不好,往往使一系列措施前功尽弃,遵循大泵量返渣,小泵量钻进的原则,既要保证孔内干净,又要保障钻进中必要的冷却与润滑,减少钻井液对井壁的冲刷破坏。
(4)平衡压力:岩石和岩层中存在着应力,钻孔钻开地层,这些力会使岩层发生变性。在软弱地层中,多受上部地层的压力影响,使钻孔孔壁向孔内收缩的现象表现的更为突出。在钻进作业中,提升钻具应向孔内补灌钻井液,使孔内压力差不至于过大;根据地层情况采用加重钻井液;上下钻具匀速稳定,不使孔内产生过大的激动压差,消除钻井过程中由于升降钻具引起的不利因素,也是降低孔壁失稳造成孔内事故的重要手段。
(5)孔壁失稳对深孔绳索钻进的困扰及处理。
金刚石绳索钻进,以它钻井速度快,起下钻次数少,岩矿心采取率高,钻孔孔壁规整,工人劳动强度低等诸多优点而被广泛采用。在绳索钻进沉积岩类地层中,有时会莫名其妙的发生钻机蹩车、蹩泵等现象。特别是在钻进由完整的硬岩层进入软弱地层时,由于上部岩石完整坚硬而形成的孔径相对规整。绳索钻具与钻孔的环状间隙较小,钻进一旦进入软弱层后,形成的钻削颗粒变大。这些钻削随着钻井液在上返的过程中,在坚硬岩石形成的孔壁处,受到环状间隙的限制积聚到一起。阻塞钻井液上返通道形成蹩泵。甚至一些较粗坚硬的颗粒,进入环状间隙中,形成卡钻蹩钻,严重时形成孔内事故。这些问题除采取上述处理办法外,通过增大钻具与钻孔的环状间隙,增加排渣能力可以解决这类问题。
地质钻探工作的主要目的是为了有效的获取地质信息。如何能够快速准确的获取地质资料,是钻探工作必须解决问题。只有进行仔细部署,选择符合实际需要的施工设备与工艺,综合考虑施工现场的实际情况,加强施工全过程动态控制,及时发现问题解决问题,才能确保地质钻探工作的顺利进行。
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1673-0038(2015)51-0199-02
2015-11-26
郭军(1964-),男,工程师,本科,主要从事固体矿产勘查钻探工作。