豫西煤系地层钻探快速成孔工艺研究

祁新堂，刘梁，郭佳欢

(1.河南省有色金属地质矿产局第四地质大队，河南 郑州 4500162.河南省有色金属矿产探测工程技术研究中心，河南 郑州 450002)

0 引言

河南是我国的铝土矿资源大省，铝土矿是河南省的优势矿种，属于华北地台石炭纪沉积型铝土矿，主要分布在黄河以南、京广路以西之豫西及豫西北地区的三门峡—郑州—平顶山之间这一三角地带(郭宝健等，2014；郎岩峰等，2016；王莉等，2017；涂恩照，2018；建林青等，2019；赖素星和李钢，2019)，铝土矿与煤系地层关系密切。目前已探明铝土矿资源量10亿多吨。2016年河南有色地矿钻探有限公司为河南省禹州煤田煤下铝(黏)土矿详查项目、河南省渑池县曹窑以西煤下铝详查项目及河南省陕县铁炉沟铝土矿区生产勘探项目开展钻探施工任务，总进尺40000 m。本次研究主要针对煤系松散破碎及水敏地层施工难度大的情况，探索复杂地层钻探施工方法。共完成研究钻孔4个，同时收集1个非研究钻孔的钻进参数。钻探工作量1656.70 m，数据采集450次，采集各种钻探工艺参数5400个。工作区涵盖豫西三门峡—洛阳—郑州—平顶山铝土矿床，具有较强的代表性。为保证我省铝土矿资源开发可持续性发展，亟待加大铝土矿资源的勘查力度、勘查深度及研究程度，探索煤下铝地层快速成孔工艺十分必要，对铝土矿勘查具有指导意义，并能产生良好的经济效益和社会效益。

1 地质概况

研究区在大地构造位置上处于华北陆块南缘的嵩箕台隆和华熊台缘凹陷区内，位于王村—扒村铝(黏)土成矿带、郑州—黄道铝(黏)土成矿带及豫西陕(县)—新(安)铝土矿带上。铝土矿产于上石炭统本溪组含铝岩系中，属沉积型，铝土矿与煤系地层关系密切(袁跃清，2005；马红义，2013；周明山，2014；万海全和王玲，2015；印修章等，2015；薛亚飞等，2017)。地层属华北地层大区、晋冀鲁豫地层区、山西地层区，地层具有双重结构。基底地层为上太古界登封群、上太古界—下元古界太华群和下元古界嵩山群；盖层自下而上为中元古界长城系熊耳群、汝阳群、五佛山群、下元古界震旦系、古生界的寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和中生界、新生界。根据地表及钻孔资料，区内出露地层及特征从老到新见表1。

表1 工作区地层一览表

2 钻探工艺研究

煤系地层复杂，存在松散、破碎、坍塌、掉块、水敏、漏水及涌水现象。特别是近些年来，随着煤下铝勘查力度的加大及勘查程度的提高，钻孔孔深也逐渐加大。不采取一定的技术措施，很难达到预期钻探效果，甚至有废孔的可能。通过研究钻孔的施工，探索总结出煤系地层钻探施工以下技术措施。

2.1 钻探设备的选择

煤系地层比较复杂，常出现孔内事故。设备对于解决好复杂地层钻进问题并不是重要因素，但性能先进的设备配合合理的工艺技术却能起到事半功倍的效果(石立明，2008；郭伟，2014)。依据工作区地形地层情况、设计孔深及以往施工钻孔，结合我单位施工机械装备水平、技术状况，本着满足要求、节约高效、安全文明的原则，我们采用XY-4型立轴钻机、A字型钻塔、WB250型往复泥浆泵、柴油机、配套绳索取芯钻具钻杆、搅车等。立轴钻机处理事故比较方便(周亚利等，2010)，A字型钻探占地面积小，安装简单快捷安全方便，适用性强；绳索取心钻杆相对于普通钻杆对孔壁扰动小，保护孔壁有利于钻孔顺利施工。在条件允许情况下建议采用全液压动力头钻机。这种钻机由于结构特点的原因，配合绳索取心工艺，在复杂地层钻进具有较强的优势：一是动力头夹持钻杆，液压夹持器在钻进过程对钻杆扶持导正，减小了钻杆的抖动，使钻进平稳，工作过程中的偏失能够得到及时纠正，作业过程中能够很好的保护孔壁，减少了坍塌现象的发生机率；二是钻机采用模块式结构，液压传动，减小了机器对钻杆的振动，极大的减少了钻机的动力传送对于钻头工作稳定性的影响，进而减小了由于机器振动对岩心的破坏，极大的提高了岩心的采取率。

2.2 钻孔结构

钻孔结构设计和选择直接影响到钻进安全、钻进效率和施工成本，尤其是在复杂地层钻探施工。因此应根据工作区地质条件、煤系地层复杂情况及深部未知性进行钻孔结构优化设计(胡辰光，2003；江明和等，2019)。尽可能简化钻孔结构，使钻杆与钻孔合理级配，以增加钻杆在孔内的稳定性，避免或减少钻杆折断事故的发生(胡继良和陶士先，2011)。以“开大打小、多留空间、遇阻扩孔、套管隔离、保直为主”及安全、文明、高效、绿色环保为原则，一般采用套管分级隔离复杂层段成孔工艺：开孔采用Φ114 mm复合片肋骨钻头钻至一定深度后，下入Φ108 mm的套管，隔离上部松散破碎层段；然后直接改用Φ78 mm复合片肋骨钻头或金刚石钻头配合Φ73 mm绳索取心钻具钻进，其目的是保留Φ89 mm套管层级。应对下部出现孔内复杂情况时，改用Φ94 mm钻头扩孔，再下入Φ89 mm套管；如果没有出现孔内复杂问题，则采用Φ78 mm钻头一直到预定孔深。钻工结构见图1。

图1 钻孔结构图

2.3 冲洗液护壁堵漏

煤系地层主要包括松散破碎地层、水敏地层和漏涌地层(王瑞坤，2007)。松散破碎地层包括松散破碎和硬脆破碎地层，胶结性差；水敏地层包括水化松散、水化剥落、水化膨胀和水化融蚀地层。地质钻探主要采用冲洗液维护孔壁稳定，特别是在复杂地层钻探工作中冲洗液技术有着非常重要的作用，包括携带岩屑、清洗孔底、冷却钻头、润滑钻具、减省震动、保护孔壁(李舜丰，2015)。通过对以往钻探施工事故分析，看似事故多样，其实主要问题还是集中在冲洗液使用不能平衡地层压力。使钻孔缩径、坍塌从而导致卡钻、埋钻、钻具折断影响岩心采取。常用的冲洗液有泥浆和无固相冲洗液，泥浆的护壁机理主要是通过泥浆中黏土由于孔内液柱压力与地层侧压力之间的压差而压滤泥皮护壁；无固相冲洗液主要是靠高分子聚合物吸附胶结护壁，聚合物能够在岩石表面或深入岩石孔隙内吸附产生胶结。二者作用机理不同，应根据不同地层选择。

2.3.1 松散破碎地层

在此类地层主要采用大径钻头钻进，增加冲洗液冲孔时的过流断面，减少液流阻力以及冲洗液的压力激动而引起孔壁破坏；同时采用优质细分散冲洗液保护孔壁，在特殊孔段下入套管与技术套管的方法，一般能保证此类地层的稳定(车仕红，2013)。

冲洗液配制及性能：清水+10%～30%膨润土+0.4%CMC+0.05%KPAM+0.1%NH4-PAN+0.2%腐钾+火碱+纯碱，调整钻进液密度1.05～1.08 kg/m3，黏度20～30 S，失水<10 ml/30 min，pH值8-9，含沙量1%左右，泥饼厚度<1 mm。如遇流沙、卵石地层，冲洗液主要体现在防止坍塌掉块上，可将冲洗液密度提高到1.20～1.30 kg/m3，黏度30～40 S，并加入适量防塌剂，以提高冲洗液防塌能力。

2.3.2 水敏性地层

主要采用优质低固相冲洗液护壁，冲洗液的滤失性能和泥皮质量或孔壁网状膜结构强度是影响孔壁稳定的关键因素。因此控制冲洗液失水量、增强泥皮强度或冲洗液在孔壁所形成的高分子网状结构胶膜强度、减少冲洗液中自由水含量、降低滤液对岩石的渗透水化和提高滤液对岩石的胶结力是至关重要的。

冲洗液配制及性能：基浆+0.1%～0.2%KPAM+1%LV-PAC+1%复合沥青+0.1%NH4-PAN+0.2%腐钾+1%降黏剂+火碱。调整钻井液密度1.08～1.18 kg/m3，黏度20～30 S，失水4～10 ml/30 min，pH值9～10，含沙量0.8%～1.2%，泥饼厚度≤1mm且韧性较好。该层段冲洗液的作用主要体现在提高钻效，防止水敏地层水化失稳和滤失黏钻方面，如果在使用过程中发现失水量增大，孔内掉块，可适时加入CMC和HPAN，同时添加腐植酸钾，增大黏度降低失水量。

2.3.3 涌水地层

使用加重钻井液治涌。根据井深及水涌情况大概计算出井底压力，配制一定数量的加重冲洗液，控制住地层涌水，保证钻进正常进行。

具体配方为：清水+5%膨润土+7.5%重晶石粉+0.4%CMC+火碱+纯碱，调整钻进液密度1.18 kg/m3，黏度75 S。

2.3.4 漏失地层

此类地层在煤田及煤下铝施工中难度是最大的。根据岩石结构及长期施工经验，煤系地层的漏失大多属于裂隙漏失和含水层位漏失及松散破碎孔隙产生的长孔段漏失。无论哪种漏失都是由于钻探施工过程中，破坏了原有的地层压力平衡，液柱压力与地层压力不平衡所致。目前根据煤系地层漏失机理及特点不外乎以下几种堵漏方法。但从经济安全方面考虑，应优先选用胶结堵漏法及压力平衡法，这两种方法操作时间短、见效快、节省成本。

(1)胶结堵漏法：适用于中漏以下地层。常采用浓泥浆加化学浆液加惰性材料与交联物的堵漏方法。具体配制为：在水敏地层冲洗液的基础上，加入1%随钻堵漏材料(具有足够的水稳定性、黏滞性和一定的强度)及一定数量的惰性材料(锯末)，能迅速形成具有一定强度的非渗透性屏蔽阻止钻井液中的液、固相侵入储层，对漏失地层封堵效果较好。

(2)水泥堵漏法：适用于中漏以上地层。利用压力平衡原理，首先准确测量漏失过程中液柱高度，计算出漏失层段地层压力。在此基础上控制好水泥浆比重、注入水泥浆量及水泥浆柱高度，使水泥浆柱高度与地层压力相匹配。保证水泥浆在进入裂隙或孔隙过程中既不被完全压走，又能足量在裂隙或孔隙中充分凝固，达到堵漏目的。这种方法需要一定的候凝时间。

(3)压力平衡法：此方法是利用冲洗液的液柱压力来平衡地层压力，以达到孔壁稳定，保证冲洗液正常循环的一种方法。适用中漏以下地层，特别是对长孔段漏失和断层裂隙漏失有效。比如在漏失地层使用泡沫泥浆等。

(4)顶漏钻进法：这种方法多用于不便堵漏或代价太大的长孔段漏失地层。采用这种方法的前提是在孔壁失去平衡的情况下，稳定期须能满足施工要求，同时水源较近，用水比较方便。

(5)套管隔离法：该法是在其他办法难以达到护壁堵漏时采用，多用于浅孔。

2.4 钻头及钻杆钻具选择

2.4.1 钻头选择

钻头应根据岩石的可钻性、研磨性及完整程度等进行选择。岩石硬、研磨性弱，则胎体软、耐磨性低；岩石软、研磨性强，则胎体硬、耐磨性高。具体选取见下表2。

表2 对应岩性钻头选取表

2.4.2 钻杆钻具选择

钻杆是钻探施工所用主要材料，钻杆质量的好坏直接关系到成孔率和钻探效率，因此选取质量达标的管材，不能超过管材的强度进行作业(商振华等，2015)。钻杆的接头部位是钻杆柱的最薄弱环节，也是最容易发生折断的部位(庞少青等，2013)，经过综合考察比较并结合工程实际情况，我们选用加厚且两端镦粗的强索取心钻杆钻具。为保证成孔率采用多级孔径钻孔结构，并配套Φ108 mm、Φ89 mm、Φ73 mm三种绳索取心钻杆钻具。同时备用一定数量的国产优质Φ50 mm钻杆，以防特殊情况下使用。

2.5 取心

采用常规绳索取心工艺，同时配套三套管绳索取心钻具。目前绳索取心工艺常规取心方法是卡簧卡取法，用这种方法钻进完整岩层采取率可达到100%；钻进较完整或胶结性较强的岩层，配合性能良好的冲冼液，采取率也可达到80%以上，回次取心长度也较长，施工效率高，是岩心钻探普遍使用的常规工艺方法。但有些地层仅用卡簧卡取法岩心采取率却极低。主要原因一是岩心没有进入内管，首先钻头回转磨削对静止的岩心产生摩擦力进而对岩心产生扭力矩，整体或局部碎裂的岩心往往堆落挤压在钻头台阶处，堵塞通道，互磨消耗，并极造成水路受阻；再者是冲洗液对胶结性较差的岩心的破坏是非常严重的，岩心受到侵蚀变软变散甚至剥落，和冲洗液混和在一起，被钻头破碎成岩屑。二是岩心在内管中研磨消耗，在实际使用过程中，内管必定会受到外管的摩擦力作用也要转动。由于内外管存在间隙，这种转动可能是跳动式或内齿合式，内管会将进入其中的不完整岩心振碎，打捞内管时，内管及卡簧夹持不住的岩心便掉入孔内，造成岩心采取率不足。在这种情况下，我们采用三套管绳索取心钻具，该钻具综合了目前取心技术优点，规避了相应的技术缺陷，进而极大的提高钻孔取心的成功率。三套管绳索取心钻具滑套的总成部分不仅实现了内管的自由滑动，还在内管的内部增加了单动结构，同时内管也具有对于水路的隔离作用；此外，将半合管作为取心管，并且将长度调整为1 m左右，从而保证了取心的成功率。

2.6 钻压、转速、泵量等参数采集及优化

应根据不同的地层选择钻压、转速及泵量等参数。参数选择的不同获得的纯钻效率往往是不同的。每天每个班组至少进行一次数据采集且当天不少于三次，以科学严谨的态度对待，确保采集的数据真实可靠。通过大量合理的数据采集，整理汇总后进行对比分析，从而获取最优值(表4)。

3 项目创新情况

3.1 PDC复合片肋骨钻头在煤下铝地层中的应用

(1)复合片肋骨钻头特点：有较强切削能力和抗研磨性，可获得较高的机械钻速，提高作业效率。主要材料为铸造碳化钨和金刚复合片，使用寿命长。

(2)选择依据：根据地层条件、钻进方式、井眼轨迹控制要求及岩石机械力学特性，选择机械钻速高、使用寿命长、安全性好的复合片肋骨钻头。复合片钻头适用于软—中硬地层钻进，不适合砾石、黄铁矿、花岗岩、硬夹层等硬—坚硬地层。

(3)应用情况：河南省禹州煤下铝地层主要为黄土、砂岩、灰岩、白云岩及黏土岩，属软—中硬地层，故试验孔vzk03222采用复合片肋骨钻头(低密度和中密度布齿)钻进，纯钻效率达到2.95 m/h。而一般钻孔vzk04822采用普通金刚石钻头钻进，纯钻效率只有2.23 m/h。通过比较，采用复合片肋骨钻头钻进比一般金刚石钻头钻进，纯钻效率提高了32.29%。同时很好的解决了金刚石钻头在泥质含量较高地层钻进时泥包钻头现象，这也充分说明煤下铝地层必较适宜采用复合片肋骨钻头钻进。

3.2 泡沫泥浆在亚漏失地层中的应用

(1)泡沫泥浆的特点：泡沫泥浆是在优质低固相泥浆基础上加入发泡剂，进行充分发泡而配制成的一种新型低密度冲洗液。它是气体分散在泥浆中的气液固三相流体，其最大特点是密度小、液柱压力低。可实现负压平衡钻进，提高机械钻速和台月效率，减少孔内事故，降低成本。其主要功能有防漏堵漏、防塌护壁、润滑减阻、携带岩屑、降低液柱压力等作用。

(2)泡沫泥浆的应用范围：在完整、孔壁稳定地层，采用泡沫泥浆作冲洗液实现平稳负压钻进，可提高钻进效率；在较完整、有轻度坍塌及漏失地层，采用泡沫泥浆作冲洗液可护壁堵漏；在破碎、裂隙发育、掉块或中漏失地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，可在配方中加2%～3%磺化沥青强化孔壁，能抑制破碎掉块，并减少冲洗液漏失；在胶结性差的松散覆盖层或第四系未固结不稳定地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，由于其流变性为平板性层流，能保持孔壁相对稳定，靠低返速高结构黏度有效携带岩粉；在水敏性地层，采用泡沫泥浆作冲洗液，因失水量小且泡沫泥的吸附能力强，能有效防止坍塌。

(3)泡沫泥浆应用情况：泡沫泥浆配方：水 0.75～0.8 m3；优质膨润土25～50 kg；碱1～1.5 kg；钾4～6 kg；护壁剂 0.5～1 kg；胺(将1 Kg聚丙烯酰胺溶于100 kg水中)6～8 kg；腈(将1 kg聚丙烯腈溶于100 kg水中)5～6 kg，纤维素(将 1 kg 纤维素溶于100 kg水中)5～6 kg，发泡剂(十二烷基磺酸钠)0.5 kg。若漏失较大可适量加入大裂隙堵漏剂或其他惰性材料。

现场泡沫泥浆使用情况：在河南省陕县铁炉沟铝土矿生产勘探ZK1906钻孔钻进至213 m孔段时，孔内出现漏失情况，基本每个台班需补充一次泥浆，孔底残留岩粉2～3 m，水泵压力近3 MPa。针对这种情况，决定采用泡沫泥浆钻进，为提高泡沫泥浆携带岩粉能力及增加堵漏效果加入2%～-3% 磺化沥青。现场观察泥浆循环一段时间后，孔底基本干净，水泵压力稳定在2.2 MPa，地层漏失情况明显改善，基本达到不漏的程度。钻探效率明显提高，纯钻效率达到2.93 m/h，一直到终孔未出现孔内事故。现场泡沫泥浆(图2)性能：密度 0.9～1.05 kg/m3，黏度21～29 S，失水量小于8 ml/30 min。

图2 现场泡沫泥浆照片

3.3 自动解卡球卡卡取器在事故处理中的应用

(1)自动解卡球卡卡取器的结构及工作原理：自动解卡球卡卡取器结构简单，加工制造简单。具有操作简单易学、使用性强等优点。上端可通过变径接头与各种规格的钻杆连接，下端可根据被打捞物件的外径任意加工。被打捞物件随导入孔进入打捞器锥形球卡器内摩擦力越来越大直到卡牢，然后提钻带出打捞物件。具体结构及成品分别见图3、图4。

图3 自动解卡球卡卡取器结构图1—上接头；2—上齿套；3—下齿套；4—弹簧；5—滑块6—钢球架；7—钢球；8—内锥形下接头；9—安装孔

图4 自动解卡球卡卡取器成品图

(2)自动解卡球卡卡取器应用情况：煤系地层复杂，钻探施工过程中孔内事故时有发生。一般的钻杆钻具折断及脱扣脱落事故都有常规的公锥或母锥锥取，但绳索取芯钻具内管掉在孔内，由于内管自身结构的特殊性(内管上部是一个活动的打捞茅头)，在孔内处于自由活动状态，常规公锥母锥在锥取过程中内管及打捞茅头会随打捞器转动而无法锥取。一般都是用特殊主磨铁钻头将内管全部削灭掉，这样既浪费时间又不安全，稍有不慎可能会造成二次事故甚至废孔。针对内管掉入孔内打捞困难这种情况，作者团队自主研发了自动解卡球卡卡取器，通过几次打捞事故处理应用，均打捞成功，效果良好并已取得实用新专利。

4 成果及效益分析

4.1 纯钻效率明显提高

通对5个钻孔钻进效率(表3)计算分析，河南省煤系地层比较适合复合片肋骨钻头钻进，能提高纯钻效率，减少孔内事发生率。采用复合片肋骨钻头钻进纯钻效率比非研究钻孔钻进纯钻效率提高30.94%。整体来说，研究钻孔比非研究钻孔纯钻效率提高了29.15%。

表3 钻进效率分析表

4.2 钻进工艺参数优化

通过研究钻孔的施工及钻进参数的采集整理对比分析优化，探索豫西煤系地层钻探施工技术措施。并总结出煤系地层钻探施工最优参数(表4)，提高了钻探质量和效率，供业界参考使用。

表4 煤系地层钻探施工参数优化表

4.3 效益分析

通过本次研究，钻探施工纯钻效率提高了30%左右，大大缩短了施工时间，节约了工程成本，提高了经济效益。通过新材料新技术的应用，使单位员工能够掌握新材料新技术的使用方法。同时提高了单位的综合能力及竞争力，树立品牌效应，提高单位在社会上的影响力，对单位的发展具有十分重要的意义。从长远看，河南是我国重要的铝土矿资源大省和铝工业大省。探索研究煤系地层钻探快速成孔工艺，对加大铝土矿资源的勘查力度和勘查深度，保证我省铝土矿资源开发可持续发展，具有指导意义并能产生良好的社会效益。

5 结论

(1)根据工作区地质条件、煤系地层复杂情况进行钻孔结构优化、泥浆护壁堵漏、设备选型及钻头钻杆钻具选择，可大大缩短施工时间，节约工程成本，提高经济效益。

(2)河南省煤系地层比较适合PDC复合片肋骨钻头钻进，可提高纯钻效率，减少孔内事故发生率。

(3)自动解卡球卡卡取器结构简单、操作简单易学、实用性强，在事故处理的应用中取得了良好的效果。