浅谈矿井施工工艺和提高钻效的方法

赵文杰

（河南省资源环境调查四院，河南 郑州 450046）

由于该项目是本地区的预查项目又是本区块的第一口井，在机械设备选择，确定钻具组合，井径结构方面没有确切的地质资料做依据，本着优化钻孔结构，节省材料施工成本为原则，从多渠道收集该地区的地层资料，精心编写施工组织设计，根据地层资料和设计要求，确定钻具组合和钻孔结构。地质设计要求，第四系无芯段为200m，见基岩后至终孔全取芯，岩芯直径不得小于91mm。

1 概况

在三门峡陕州区丁管营村施工的“矿山预查区钻探工程”项目，该项目是河南省财政项目，设计孔深1700m，终孔孔深1751.18m。第四系设计总厚度为200m 无芯段，自见基岩至终孔全取芯。

2 钻探主要设备

本孔所采用的设备有GZ-2600 钻机，钻塔MA110/27 型，QZ-500 型泥浆泵，Y315-4-280kw 电动机作为泥浆泵的动力，Y315-4-160kw 电动机作为钻机的动力，Y315-4-90kw 电动机作为注浆泵的动力，2PNL30-80 振动筛1 台，1000 千伏安箱变一套，离心机等。

3 钻进技术要求

3.1 钻孔结构

表1 钻井设备要求

3.2 钻进方法

3.2.1 一开钻进方法

一开采用φ311 牙轮钻头进行无芯钻进，钻进200m 下入φ245表层套管，二开采用φ215 牙轮钻头进行无芯钻进，从200m 钻进至终孔。

一开钻进：开孔～见基岩前孔深井段，采用Φ311mm 牙轮钻头无芯钻进，根据地质设计要求，在设计见基岩时提前取芯验证，以确定见基岩深度，防止无芯钻进将其穿过。

开孔时要轻压慢转，立轴全部进入井眼后方可加压钻进，保证钻孔开孔孔直度，防止孔斜。

上部地层疏松，黏土及砂层较厚易缩径，钻进中注意控制水泵泵量和泵压，并观察钻井液的各项指标，及时调整以保证井壁的稳定，起到保护钻孔孔壁，避免出现缩径包钻影响孔内安全。

3.2.2 二开钻进方法

二开钻进：见基岩后换成Φ215mm 取芯钻进。

二开换径时，下入Φ215mm 钻头+取芯器，上部要加Φ215mm 螺旋扶正器，轻压慢转将小眼开直。

进入基岩后，取芯时岩芯要卡牢，防止起钻时岩芯脱落。

3.3 钻具组合

3.3.1 一开钻具组合

0m～200m：Φ311mm牙轮钻头+Φ159mm钻铤1根+Φ311mm螺旋扶正器+Φ159mm钻铤（6-8根）+Φ127mm钻杆+108×108 mm方钻杆。

3.3.2 二开钻具组合

200m～1757.18m：Φ215mmPDC 取芯复合片钻头+川7-4取芯器+Φ159mm 钻铤（6～8 根）+Φ127mm 钻杆+φ89mm 钻杆+108mm×108 mm 方钻杆。

3.4 钻进技术参数

3.4.1 钻进参数

根据地层的情况，地层岩石的可钻性均属中等类型，正常情况下钻进参数可选取下表参数，在开孔、换层、换径、情况异常时，钻压、转速减半。

表2 钻进参数参考表

3.4.2 钻井液性能指标

（1）一开井段（0m～200m），选用普通泥浆：配方：80～120kg/m3钠膨润土+0.1%～0.2%纯碱（Na2CO3）+0.2%～0.3%腐殖酸钾+0.3%羧甲基纤维素（HV-CMC）。

泥浆性能要求：密度：1.25g/cm3～1.30g/cm3，漏斗粘度：30～40.S，失水量：15ml/30min，泥皮厚：2mm含砂量：0.2%～0.3%，PH值：8～9。

（2）二开井段(200～1757.18m)选用普通泥浆：配方：40kg/m3～45kg/m3钠膨润土+0.1%～0.2%纯碱+0.3%～0.5%腐殖酸钾+0.6%低粘钠羧甲基纤维素+0.2%高粘钠羧甲基纤维素+0.2%广谱护壁剂Ⅲ型。

性能要求：密度：1.10g/cm³～1.25g/cm³，漏斗粘度：28～35s，失水量：8ml/30min～15ml/30min，泥皮厚度：0.5mm～1.5mm，含沙量：0.2%，PH值：8～9。

3.4.3 钻井液分段技术措施

（1）0～m200m 井段：配制基浆：先在配浆水中加入：0.1～0.2 纯碱（Na2CO3）调整PH 值为9.5～10，再加入定量钠膨润土，充分预水化，用搅拌机搅拌均匀。

在基浆中加入：0.2%～0.3%磺化褐煤树脂（或腐殖酸钾）和0.3%低粘钠羧甲基纤维素，调整泥浆性能达到设计要求，并视钻进地层情况，调整粘度、切力以增加悬浮和携砂能力，如钻遇流砂，卵砾石层时可适当增加泥浆的粘度和比重。

（2）200m～1757.18m 井段：配制基浆：先在配浆水中加入：0.1～0.2 纯碱（Na2CO3）调整PH 值为9.5～10，再加入定量钠膨润土，充分预水化，用搅拌机搅拌均匀。

在基浆中加入：0.3%～0.5%腐殖酸钾，钠羧甲基纤维素以胶液方式加入，以调节失水量和粘度、切力，使泥浆性能达到所钻地层要求，在施工过程当中根据所钻地层不同要适时调整泥浆性能指标。

（3）维护必须加足降失水剂，控制失水量，保持PH 值在9～10，同时注意降摩阻，防止粘、卡钻。

4 施工过程中提高效率的方法

4.1 钻头上的改进

在取芯段为了满足地质设计要求，我们采用川7-4 取芯器进行取芯，与取芯器配套的现成钻头大都是针对硬岩而设计的，在钻进湖相沉积的老第三系地层时进尺较慢，不适用。通过施工过程中对地层的了解与掌握，对钻头进行了设计与改造，钻头由原来的六翼、八翼平底改成现在的四翼、五翼蘑菇头阶梯状，并对钻头复合片的镶嵌角度，钻头水眼大小，钻头内部扶正台阶的长度等进行了整体结构优化。钻进效率由原来的每小时3 寸，提高到了现在每小时平均3 米-4 米，较之前有了较大的提高。

图1 改进后的钻头示意图

4.2 在取芯钻进工艺上的改进

为了保证施工进度，减少辅助时间，提高纯钻时间，把取芯器内外筒由单筒接成双筒，单回次进尺由原来的8m 提高到了现在的15m。针对该区软硬互层较频繁的特性，对内筒轴向间隙，钻进时钻压、转速、泵量，和卡取岩芯时的方法及注意事项，都进行了调整。综合以上的改进在钻进效率方面有了很大提高，降低了成本费用。

4.3 饱和钻井液调配工艺上的改进

钻孔施工到孔深960m 时，所带上来的岩芯含有大量地质矿物，这是找矿的一个重要标志，为了保证矿井的直径、采取率、准确判断层厚，此时需将原始普通泥浆进行更换。因为现在钻孔较深，如果泥浆达不到水饱和的状态，当进行钻井施工时矿井会发生水化，矿层会打丢；如果泥浆过饱和，矿井会结晶成块出现卡钻事故。经在施工现场把已采购的泥浆材料进行室内试验，取定量的水，充分水解后再加入相应的泥浆材料对控制泥浆的失水量、粘度做了反复的试验，最终确定了泥浆材料的种类和投放比例。下一步换浆需对钻孔整孔的泥浆进行更换，算出孔内容积（约需45 方），在地面配成大于孔内数量的饱和泥浆，需加化学材料约3 吨，调配饱和泥浆如何去投放这些材料和原浆融合在一起成了一个问题，现场有一台搅拌机不容易实现一次性大容量的搅拌任务，结合钻机现场现有的东西制作混合器，即节省了劳动力又减少了辅助时间，无形中孔内就多了一份安全。

图2 钻孔施工图

5 结语

文章通过研究改进取芯钻进工艺、调整钻井液及改进钻头等方案，为钻井施工提供了便利条件，人工劳动强度有所降低，缩短工期节约成本，施工安全性高等优势，可以为类似工程施工提供借鉴和参考。