刘家窑井田深厚砂砾岩地层钻探施工实践

桂儒佳

(大同煤矿集团大同地方煤炭有限责任公司)

刘家窑井田位于大同市左云县南部，面积为38.98 km2，矿井设计生产能力为3.0 Mt/a。该矿井为同煤集团和中海油共同投资建设规模40亿m3/a煤制天然气的配套煤矿项目，是同煤集团转型升级战略的重要组成部分，也是同煤集团力图打造以千万吨矿井集群为主导的晋北煤炭绿色开采基地。

为给矿井建设提供可靠的地质资料，2015年8月开始对刘家窑井田进行补充勘探，截至目前井田内完成钻孔38个，钻探工作量达26 727.79 m。由于该地区白垩系砂砾岩地层深厚、地层复杂、断层发育、煌斑岩侵入等诸多因素的存在，致使该地区钻探难度巨大。经过不断实践探索后，形成了一套行之有效的针对深厚砂砾岩层的钻进工艺[1]，积累了在深厚砂砾岩地层进行钻探施工的宝贵经验，顺利完成了钻探工作。本研究对深厚砂砾岩地层的钻探施工工艺进行详细分析，供相关研究借鉴。

1 井田概况

1.1 地层特征

刘家窑井田位于大同煤田西北部，属于黄土半掩盖区，基岩仅出露于沟谷两侧，山坡上有零星出露。井田内的地层由新至老分别为第四系、白垩系、二叠系、石炭系、奥陶系(表1)，主要含煤地层为石炭系上统太原组，主要可采煤层为5#煤层，煤层平均厚度为9.95 m，部分钻孔内发现5#煤层被煌斑岩侵入引起煤层变质现象。地质孔终孔层位均为石炭系中统本溪组K1标志层，该标志层岩性为灰褐色石灰岩，层位较稳定，厚度为1.2～6.2 m，平均为3.17 m。

1.2 钻探施工难点与重点

(1)白垩系左云组砂砾岩地层深厚，平均厚度为524.79 m，岩石胶结性差，结构松散，砾岩粒径大，钻进阻力大，透水性强，钻进砂砾岩地层时，由于钻头回转，砾石产生松动并随钻头回转而发生不规则运动，造成孔壁不稳定[2]，极易发生掉块卡钻、钻杆断裂、塌孔埋钻等事故，导致钻进效率急剧下降。选择正确的钻进方法，以便顺利快速穿过砂砾岩地层，提高砂砾岩层钻探效率和成功率是该地区钻探施工的难点。

表1 刘家窑井田地层特征参数

(2)泥浆护壁要求泥浆不仅有适当的结构强度，便于携带岩屑，有利于稳定孔壁，防塌防漏，而且还应具有良好的抑制性，抑制黏土分散、泥岩造浆、黏度和密度上升，同时要求泥浆具备漏失量小、防卡、防黏、防塌等性能[3]，形成的泥饼薄而韧，以便提高冲洗液的护壁性能，减少钻杆对地层的扰动，确保冲洗液液柱压力大于地层坍塌压力，从而达到防止松散地层孔壁坍塌的目的[4]，为钻探施工的重点。

(3)井田地层构造复杂，断层多、落差大，褶皱、裂隙发育，部分钻孔见陷落柱、流沙层，特别是5#煤层部分被煌斑岩侵入，在钻进至煤层时突遇煌斑岩后，对钻压、转速、泥浆的控制要求较高，稍有疏忽极易发生烧钻、漏采现象，造成煤岩芯采取率低。因此，提高岩矿芯采取率，确保施工质量，满足地质设计要求也是井田钻探施工的重点[5]。

2 钻探工艺

2.1 钻进方法及钻孔结构

根据井田地层特点，近年来井田内的多数钻孔主要采用普通双管钻进方法，部分钻孔采用绳索取芯钻进方法。由于普通双管钻进方法技术成熟、操作简单、成孔率高，在井田内积累了大量经验，得到了大规模推广，故本研究重点分析该方法。该方法采用φ130 mm+3 mm复合片钻头开孔，穿过白垩系左云组砂砾岩地层进入稳定基岩0.5～1.0 m后，下入φ114 mm套管护壁，而后更换φ91 mm+3 mm复合片钻头钻至终孔目的层K1灰岩下，且终孔深度必须保证所用测井仪器测至最终目的层以下5 m[6]。

2.2 钻进设备及机具

本研究钻进工作采用的钻探设备为HXY-6B型钻机、3NBB-260型泥浆泵、17 m四脚钻塔以及φ114 mm套管，钻头采用φ130 mm+3 mm、φ91 mm+3 mm金刚石复合片钻头，采用加大钻头外径一次性成孔的方法，目的是增大钻孔与钻具、钻杆的环状间隙，减少冲洗液上返阻力及环空压力，避免泵压过高，减少对孔壁的冲刷[7]，同时避免孔壁缩径或孔壁上有探头石导致套管下不到预定位置，可有效解决套管下入不顺畅的问题。若采用小孔径钻进再扩孔下套管方法，则会破坏孔内原有的压力平衡，使得孔壁上破碎岩石在地层压力的作用下向孔内移动形成掉块，扩孔时需要重新形成泥皮护壁，相当于重新钻进，钻探效率则大打折扣。而采用大口径一次性钻进至基岩再下套管的方法，能够节省扩孔时间，提高钻探效率。

2.3 钻进技术参数

在一定条件下，转速越快，钻速也越高。根据萨尔基索夫研究理论，钻杆的弯曲度与钻压、钻速均成正比，弯曲的钻杆在旋转过程中必然会敲击和摩擦孔壁，造成孔壁不稳定[8]，此外，弯曲的钻杆对钻孔轨迹也会产生影响，造成孔斜。刘家窑井田钻进技术参数见表2。

表2 钻进技术参数

2.4 泥浆系统

2.4.1 泥浆配方

根据井田地层情况，本研究选用钾铵基聚合物优质低固相泥浆作为全孔冲洗液，采用钾铵基聚合物优质低固相泥浆(KHm-NH4-HPAN)能够保持冲洗液的低密度、低失水、高剪切、流动性、润滑性，有利于提高钻探效率。在钻进过程中，可以减少环空阻力、压力激动，防止对孔壁的冲刷，实现平衡钻进，保护孔壁稳定，同时减少对岩矿芯的冲刷，提高岩矿芯采取率。泥浆配方为：膨润土(含量为1%～2.5%)+增黏剂(KP241)(含量为1.5%～2.5%，主要成分有优质钠土、聚丙烯酰胺和腐植酸钾)+水解聚丙烯腈铵盐(NH4-HPAN)，根据地层变化情况，部分钻孔可增加腐植酸钾(KHm)(含量为0.5‰～1‰)、广谱护壁剂(GSP)(含量为0.2%～0.5%)以及810随钻堵漏剂(含量为0.3%～1%)，以进一步降低泥浆的虑失量，增强浆液的流动性，提高防塌、防卡、防漏效果。

2.4.2 泥浆作用机理

聚合物(PAM、NH4-HPAN)的高分子长链溶入破碎带及松散层后，形成富集层，并横向封闭岩石的微细裂缝，有利于保持破碎岩石结构稳定。当浓度一定时，大分子长链在孔壁上多点吸附形成憎水膜对黏土颗粒起到包被作用，控制冲洗液自由水向孔壁渗透，此外，泥浆体系中GSP和801堵漏剂共同作用于孔壁上，能够形成一种特殊的水化膜，有利于保持孔壁稳定。

2.4.3 泥浆配制

应严格按照比例配制基浆，充分搅拌均匀，时间大于20 min，而后将KP241按比例边搅拌边撒入，不得快速倒入，搅拌约10 min，将NH4-HPAN按照比例缓慢倒入，继续搅拌约5 min，若需调节，可按顺序再继续加入KHm、GSP、810随钻堵漏剂，搅拌均匀即可。配浆过程中应充分搅拌，泥浆使用过程中需要经常清理循环系统，循环系统应防止杂物污染，循环槽长度不宜短于15 m，沉淀池不少于2个[10]。

2.5 套管护壁工艺

在复杂地层钻进过程中，钾铵基聚合物优质低固相泥浆的护壁作用不容忽视，但其孔壁稳定的维护作用具有时效性，当钻孔周期较长，孔壁在外部物理化学作用下失去稳定时，单纯采用泥浆护孔难以确保孔内安全[11]。为此，本研究采用冲洗液和套管相结合的综合护孔方法，并结合典型事故案例来分析采用该方法的必要性。①案例1，井田内P603孔在穿过白垩系左云组砂砾岩层时，为节约钻探成本，未下入套管护壁，在施工孔深至550 m时发生掉块卡钻、钻杆折断事故，在处理事故的20多天内又发生了塌孔埋钻事故，最终被迫放弃处理，挪孔重打；②案例2，井田内L302钻孔深842.94 m，白垩系左云组埋深672.51 m，施工方仅下入长为357.35 m的套管进行护壁，虽然该孔打至目的层，但在测井过程中，由于砾岩层深厚，套管未下入基岩位置，未套管护壁的砾岩段发生掉块，将测井探管卡于孔深830 m 处，上下无法活动，施工方尽管组织了多名专家进行研讨，采用了多种方法进行打捞，但仍发生了将放射源遗落孔内的事故，造成了较大的经济损失，并严重影响了施工工期。因此，在钻孔穿过砂砾岩层时应根据具体的钻进情况，适时下入套管护壁，不可强行裸孔钻进，同时套管必须下入至稳定基岩位置以下0.5～1 m处，套管不仅仅起到护壁的作用，而且能够保障测井工作顺利进行，避免上述类似事故发生。下套管时的注意点有：①套管下端应安装套管鞋和木引鞋，在套管外壁涂抹黄油类润滑剂并在润滑层外缠绕一层PVC塑料薄膜，薄膜外再涂抹一层黄油；②下管时套管螺纹应拧紧，每节套管螺纹应涂抹松香防滑剂或其他防脱扣材料，拧卸套管时禁用管钳或自由钳[12]；③下管时应严格控制下管速度，中途遇阻时应提出套管，重新通孔，严禁采用冲击或开车强力扭转处理；④泵入套管与孔壁环状间隙中的泥浆应具备良好润滑性能[10]。

3 岩矿芯采取工艺

在井田内上部白垩系地层已熟知的情况下，该层位采用百米取芯判层方法，即每100 m取芯1次。采用百米取芯判层方法能够节省非钻时间，减少下钻次数，减少钻杆对孔壁的扰动，降低劳动强度。穿过白垩系砂砾岩层后开始采用普通双管钻具采取岩芯。为提高岩矿芯采取率，可采取的措施有：①复杂地层钻进时应限制回次进尺，一般不超过1.5 m；②回次钻进时间不超过1 h，严禁片面追求进尺而延长回次钻进时间，忽视岩矿芯采取率；③精心操作，动作平稳，防止提钻过程中岩矿芯脱落；④钻进过程中保持压力均匀，严禁随意提动钻具造成岩矿芯重复破碎而流失；⑤钻进过程中发现岩芯堵塞时应及时提钻，以减少岩矿芯磨耗；⑥钻进过程中应严格按照配制要求使用泥浆，控制泵压、泵量，以保持孔壁稳定[5]。

4 钻进效果分析

本研究采用新的钻进工艺共完成了38个钻孔，钻探工作量达26 727.79 m，P603钻孔因采用普通泥浆且未使用套管护壁，造成报废，报废工作量达550 m。钻孔情况及技术指标见表3。

表3 钻孔情况及技术指标

综合分析可知，采用优质泥浆和套管护壁工艺相结合的综合护孔方法具有孔内事故少、施工周期短、钻探效率高、无塌孔现象等优点，有助于降低钻探施工成本[13]，而采用普通泥浆且未套管护壁的方法后，孔内事故多，施工周期长，隐患巨大，易造成钻孔报废和大量经济损失。

5 结 论

(1)采用优质泥浆和套管护壁工艺相结合的综合护孔方法可以确保钻探施工高效进行，能够满足在特厚砂砾岩地层钻进时保护孔壁、防掉块、防坍塌、提高钻进效率的要求。

(2)钾铵基聚合物优质低固相泥浆相对于普通泥浆砂而言，在砾岩层及破碎复杂地层中的应用效果更好，维护方便。

(3)套管必须下入坚硬基岩层，套管护壁工艺的应用保障了钻探及测井的安全性，防止掉块卡钻，无遇阻夹卡测井仪器的现象。

(4)钻进中提下钻操作升降机时应平稳，减小惯性作用，严禁钻头猛冲孔底，严禁使用弯曲钻杆，避免碰撞敲打孔壁，确保孔壁稳定。

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