水敏性复杂地层深孔绳索取心钻进工艺研究与应用

李振风

(湖南省矿产资源调查所,湖南郴州 423000)

0 引言

水敏性地层即溶胀分散地层或水化剥落地层,遇水极易膨胀缩径,造成冲洗液增稠,钻头泥包,继而引起孔壁表面剥落,崩解或垮塌超径。本次钻探勘查施工的宝山矿区地质构造较复杂。该矿区钻遇地层有两个特点:一是第四纪表土层较厚,并且较松散,有的孔位堆积和回填物较厚,坍塌、掉块严重;二是炭质页岩厚度大,遇水膨胀,钻孔缩径严重。该矿区存在多个断裂破碎带,地层软硬交替互层,钻进过程中易发生坍塌、埋钻等事故,属于典型的水敏性地层。因此,在钻孔施工过程中,孔壁的稳定性和冲洗液的性能指标是影响钻孔施工效率和钻孔质量的重要因素,也是本次钻探施工研究的重点与难点[1-5]。

1 工程概况

1.1 项目概况

湖南省桂阳县宝山铅锌银矿边深部地质勘查工作于2020年9月起,至2021年9月止。该项目在实施过程中,基本按照“湖南省桂阳县宝山铅锌银矿边深部地质勘查实施方案”执行,但在实施过程中根据见矿效果及时调整了部分方案。主要实物工作量完成情况本次勘查工作主要由湖南省矿产资源调查所完成,宝山矿负责施工坑道和测量工作。2020～2021年完成的主要工作量有:竣工钻孔22个,共计9560 m,主要为坑内钻探,少量地表钻探。

1.2 区域地质概况

宝山矿田位于坪宝复式向斜的北端,区内地层比较发育,构造复杂,燕山期小岩体多,矿产资源丰富,地球物理、地球化学场特征显著,具长期地质发展历史。区域内岩石可钻性级别为4～7级,中等研磨性,岩石破碎、水敏性强。区内以坚硬至半坚硬的白云岩、白云质灰岩及炭质灰岩综合体为主,其次为半坚硬的泥质灰岩及中层状灰岩综合体,岩体完整性及稳固性较好,破碎带稳固性较差。灰岩、白云岩等碳酸盐岩岩溶化较弱,围岩蚀变以矽卡岩化为主,蚀变围岩硬度加大,但风化后强度显著降低。矿山内风化层较厚,一般达30～40 m,最厚可达50～60 m,风化岩石稳固性差。

2 项目施工情况

2.1 钻孔工程质量要求

钻孔设计要求必须严格遵守《地质岩心钻探规程》(DZ/T 0227—2010),开孔采用146 mm口径,终孔口径为75 mm;钻孔终孔原则为钻穿矿体底板5.00～8.00 m。钻孔终孔后用水泥全孔严实封孔,孔口标注标记。

2.2 主要施工难点分析

据以往地质资料分析,该孔上部为泥质灰岩、炭质页岩地层,成岩性较差;下部为白云岩、石灰岩且软硬互层,岩性较致密,钻头适应性差,钻进效率低,且局部有溶洞,断层发育,易引起孔内钻井液漏失[6-7]。

由于岩心采取率要求高,需采用绳索取心钻进工艺;但由于地层因素,岩心破碎、取心难度大,易发生钻头泥包、粘附卡钻及埋钻事故。

施工地层炭质页岩水敏性强,钻进过程中井壁易失水缩径、坍塌,对冲洗液的抑制性和失水性等性能指标要求高[8]。

该项目钻探工作量大、施工难度高、工期紧,对项目部的施工组织能力与技术保障要求也是不小的挑战。

3 钻孔施工工艺研究

现以该项目施工的代表性钻孔KZ17402为例,进行钻孔施工工艺的具体阐述。

3.1 施工设备投入情况

根据地质设计及技术要求等情况,设备选型、配套上把握“先进、适用、合理”的原则。考虑到该项目的任务为300～1200 m以浅的钻孔,有斜孔也有水文孔,为确保按时完成任务,项目拟投入岩心钻机4台套(其中1台套为备用钻机),主要钻探设备情况见表1:

表1 主要钻探设备

3.2 钻孔结构及钻进施工情况分析

该孔根据宝山矿区内岩石性质(岩石研磨性在弱～中硬之间),依据矿山地质设计的钻孔深度和终孔孔径,并结合自身设备能力与钻进工艺方法等综合考虑来设计钻孔结构。开孔采用直径150 mm合金钻头或电镀金刚石钻头开孔,钻穿基岩一定深度后下直径146 mm套管作井口管并用橡胶皮封堵好井口;换绳索PQ122 mm绳索取心钻进300.00 m,采心提钻,并下入直径114 mm套管后换HQ96 mm 绳索取心钻进900.00 m,下入直径89 mm 套管换NQ76 mm绳索取心钻进至终孔。

钻孔一开钻进0.00～36.00 m。直径150 mm普通金刚石取心钻进,穿过4.50 m表层黏土后钻见灰岩,钻至36.00 m时,由于表土与岩层界面钻井液漏失严重,钻进困难,下入直径146 mm套管,用水泥固定井口,封闭井口,防止掉块、溢流。

钻孔二开钻进36.00～235.00 m。采用PQ 122 mm 绳索取心继续钻进,钻至235.00 m时,由于灰岩裂隙发育,孔内漏水严重,下入直径114 mm套管。

钻孔三开钻进235.00～850.00 m。下入直径114 mm套管后,采用HQ 96 mm绳索取心继续钻进。由于施工区域灰岩、炭质页岩遇水膨胀发育,该孔在300.00 m、600.00 m、700.00 m、900.00 m附近均出现不同程度的卡钻、井壁掉块、憋车、钻井冲洗液漏失等情况。钻至850.36 m后,孔内情况复杂,卡钻严重,钻机严重憋车,出现停车现象。考虑到孔内复杂情况,经研究下入直径89 mm套管。

钻孔四开钻进850.00～1165.00 m。下入直径89 mm套管,最后采用NQ 76 mm绳索取心钻进至井深1165.00 m终孔。钻孔结构见图1。

图1 钻孔结构示意图Fig.1 Schematic diagram of drilling hole structure

3.3 钻具组合及钻头选用情况分析

考虑到宝山矿区全孔段地层复杂,水敏性岩层发育,为保证钻孔在钻进过程中安全与稳定,顺利完成钻孔的施工,该孔采用绳索取心钻进工艺。

选用薄壁孕镶绳索取心钻头及对应扩孔器。鉴于岩层情况,选择胎体硬度HRC 30～35,金刚石浓度25%,金刚石粒度46～60目,也可根据地层情况调整胎体硬度及选择金刚石目数。如存在地层情况复杂,取心难度大等情况,可采用Q3系列底喷钻头,使用半合管钻进。

3.4 钻进技术参数分析

钻进技术参数的选择是保证钻孔质量的关键,为确保钻孔6项质量指标,根据以下原则进行钻进参数选择:正常钻进时,应在机械能力、钻具管材强度允许的前提下,尽可能提高转速;在孔深、钻孔弯曲、超径的情况下或钻进强研磨性、破碎岩层时,钻压应适当降低;钻进过程中随着硬质合金、金刚石的磨钝,适当增大钻压;转速较高、岩石研磨性较强、岩石颗粒较粗时,选用较大泵量,反之则泵量应减小[9-12]。

本次钻探施工采用的钻进技术参数如表2所示,并根据实际施工条件作出相应调整。

表2 钻进技术参数选择

3.5 冲洗液现场配制与选择应用

根据现场地质条件、钻进方法、钻孔深度和工程技术要求,正确选择使用润滑性能和排粉效果好的冲洗液。该孔现场配置钻井冲洗液的主要材料为:膨润土、纤维素、植物胶、PAN、PAM、CMC、纯碱、腐殖酸钾、润滑剂等。配浆步骤如下:先加水,将土粉重量5%～8%的纯碱加到搅拌机内,再加膨润土粉搅拌均匀,静置24 h钠化后加入处理剂。用检测仪器测定新浆性能,合格后方可使用。若需加入几种处理剂,应按照先加分子量小的无机化学材料,再加有机高分子化学材料。

3.5.1 冲洗液的选择

钻进完整、孔壁稳定的地层,采用清水加聚合物的无固相冲洗液。钻进较完整、有轻度坍塌的地层,采用低固相有胶结性的优质泥浆。钻进未胶结或胶结很差的松散覆盖层时,在穿过覆盖层后下入套管护壁。

钻进破碎、裂隙发育、掉块、坍塌或有不同程度的漏失地层,采用不同的优质泥浆做冲洗液;轻微漏失时可用增粘泥浆或堵漏泥浆,严重漏失时先进行堵漏,然后再进行钻进。

3.5.2 冲洗液的应用

表土覆盖层为第四纪层,钻探施工冲洗液首先为泥浆,钻入完整基岩,下好套管后,再换低固相泥浆。遇到岩石破碎、孔壁坍塌时使用植物胶—腐植酸钾低固相的冲洗液,随孔深增加添加适量润滑剂或乳化剂;在中深孔施工中,为减轻钻进过程中的摩擦阻力及提高冲洗液携带岩粉能力,采用HPAN-HPAM不分散低固相冲洗液。

如遇到破碎带、小裂隙,采取灌注水泥浆封堵护壁;遇到井壁坍塌、缩径时,使用防塌剂或超重泥浆作冲洗液,控制井壁失水量来保护井壁;遇到大的断层或溶洞时,只有通过下套管来把它彻底隔离,然后换径继续向下施工。

4 钻遇问题及解决措施

矿区岩层水敏性发育,岩石破碎,取心难度大,易发生钻头泥包、粘附卡钻及埋钻事故,严重影响了钻探施工的进度,给安全高效绿色施工带来极大的挑战。通过对矿区地层情况分析和对岩性的初步识别判断,并结合钻孔施工所遇的具体问题,采取如下解决措施:

(1)调整泥浆性能。矿区覆盖层较厚,一开钻进时采用单管取心工艺,起下钻时间多,辅助时间长。且由于岩性松软,黏土质成分较多,泥浆造浆严重,滤失量大,孔内缩径严重,致使钻井效率低,反复扩孔,施工效果不佳。针对此种问题,在扩孔时对泥浆性能进行了调整,提高泥浆pH,循环净化除砂,全井彻底循环更换,降低滤失量及含砂量,提高了钻进效率。

(2)优化钻孔结构。针对钻孔憋泵、取心困难等问题,采取优化钻孔结构的措施,增大开孔口径,增加套管程序,同时实际施工中采用超前裸眼钻进优化钻孔结构,为下部孔段留足安全储备口径。在复杂地层钻进时可适当增加钻头外径,如采用NQ+1或NQ+2的方式,增大外环状间隙,降低缩径和卡钻风险,也降低了循环压耗、憋泵等问题。在取心困难的岩层中钻进时应降低转速、压力和泵量,应适当控制回次进尺长度和回次进尺时间。

(3)针对粘附卡钻的现象采取措施。加强泥浆的封堵防塌能力,控制滤失量,钻孔上部采用粗分散泥浆护壁,中下部采用低固相冲洗液护壁,确保在孔壁形成薄而韧的优质泥皮。严格控制起下钻速度,减轻抽吸作用所造成的孔壁失稳。

(4)面对矿区钻探施工工作量大、难度高、工期短等施工挑战,制定完善切实可行的施工保障方案。以技术管理为支撑,严格落实安全、质量、进度、环保等各项要求,为项目的安全高效实施奠定坚实的基础。

5 绿色施工及创新应用

针对该项目施工地层及矿区环境特点,从人员、机械设备、材料、方法、环保、监测6个方面,建立完整的环境保护保障管理体系。在该项目实施过程中,加强绿色施工建设,充分分析评估该项目对生态环境可能造成的影响,在钻探施工过程中制定并做好详细的环境保护措施。

(1) 减少对植被、土地、地下水资源的破坏。在满足施工要求的前提下,减少场地占用,保护好不影响施工的树木,影响施工的树木做移栽处理。

(2) 减少施工对环境的污染。对钻探施工现场泥浆冲洗液循环系统沟槽做好防渗处理,设置废浆池,废浆静置沉淀后,取回上层浆水重复利用,减少废浆排放,不能利用的废浆委托第三方清运处理,现场做好各滴漏油液收集,减少对环境的污染。

(3) 采用绿色、无害、环保型低固相冲洗液。减少施工中泥浆冲洗液对矿区以及周边环境的影响,钻探施工中所用冲洗液尽量采用低固相冲洗液,遇复杂地层必须使用泥浆时,才可使用泥浆作为冲洗液进行钻进施工,尽量选择不改变土壤性质、不伤害植被、不破坏水质的泥浆材料。

6 施工效果与经济分析

针对该矿区地层水敏性发育,钻进过程中井壁易失水缩径、坍塌,易发生钻头泥包、粘附卡钻及埋钻事故等复杂地层钻进难点[13-16],通过优化钻孔结构、合理钻具级配,采用金刚石绳索取心钻进工艺和低固相钻井液护壁技术,适当控制回次进尺长度和回次进尺时间,保证了钻孔孔壁的稳定性及工程安全,加快了施工进度,取得了较好的钻进效果。

在本次坪宝地区宝山矿区钻探施工过程中,由于工艺合理,措施得当,通过科学部署,精细施工,每台钻机台月效率达到450 m,纯钻时间利用率达到80%以上,具体施工进度分析如图2所示。经现场验收,钻孔各项质量技术指标均满足地质设计要求,达到了本次地质找矿的目的,并赢得了业主方的好评,取得了较好的经济和社会效益。

图2 施工进度分析Fig.2 Construction progress analysis

7 结语

通过本次坪宝地区宝山矿区水敏性复杂地层的钻探施工,积累了以下几点经验体会:

(1)在项目施工进场前,应通过现场踏勘、查阅矿区以往地质资料等方式了解矿区工程地质、水文地质、环境地质等资料,全面准确地掌握矿区地质概况与岩层属性等基本情况,从而为现场施工方案的编制与实施提供指导性意见。对施工中可能遇到的问题,应采取针对性措施,以利于项目的实施。

(2)针对项目施工过程中遇到的粘附卡钻、埋钻等技术难题,通过加强管理、优化钻进工艺等措施进行技术攻关,取得了良好的施工效果。同时,在地层条件允许的情况下,通过钻孔结构优化设计和选择合理的钻探设备及施工工艺可有效提高钻探施工效率、降低施工劳动强度和节约施工成本,也有利于项目的组织管理。

(3)该孔钻探施工钻井冲洗液采用不分散低固相泥浆,对钻进中破碎、分散、水敏性地层具有较强的封堵、抑制孔壁坍塌掉块作用,能够满足现场施工的要求。该泥浆冲洗液携砂能力强、流动性好、配制简单、维护方便,能有效地保证了钻孔取心质量和施工进度。

(4)应加强组织管理,钻孔事故主要在于预防,预防主要靠人、靠责任心,有了责任心就能减少一些由于责任心不强而造成的孔内事故。遇到井内情况不明时,不要忙于进尺,要先把钻具提上来,分析情况,做好预防再进尺。