馬曉鵬 王偉杰 田國亮

(山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 威海 264200)

千枚巖地層在鉆探施工過程中事故的預(yù)防及處理★

馬曉鵬 王偉杰 田國亮

(山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 威海 264200)

在分析千枚巖的物性特征的基礎(chǔ)上，對鉆探過程中孔壁失穩(wěn)因素進(jìn)行了探討，以金徽縣鉆探工作為例，總結(jié)了千枚巖地層在鉆探施工過程中的事故預(yù)防和處理方法，對千枚巖地層鉆探工作的有序進(jìn)行具有借鑒意義。

繩索取心鉆探,千枚巖地層,預(yù)防和處理

0 引言

鉆探工程用途日益廣泛，是大有發(fā)展前景的一種應(yīng)用技術(shù)。而繩索取心鉆探是現(xiàn)在地質(zhì)勘查階段中最為直接有效的勘查手段，可以用來探明巖石的性質(zhì)，了解地質(zhì)構(gòu)造，以及某種或若干種礦產(chǎn)分布、產(chǎn)狀、品位情況。然而在鉆探過程中遇到軟弱地層是無法避免的，軟弱地層在鉆井過程中易發(fā)生孔壁失穩(wěn)的現(xiàn)象，若不進(jìn)行預(yù)防，輕則影響施工進(jìn)度，重則發(fā)生損壞鉆具，甚至損害機(jī)械設(shè)備[1]，所以采取合適的手段預(yù)防軟弱地層孔內(nèi)事故是鉆探工作中的一個至關(guān)重要的部分。本文以千枚巖地層為例，具體分析了千枚巖的物性特征以及孔壁失穩(wěn)的主要因素，并以工程實例為主，提出了一套應(yīng)用于千枚巖地層鉆探施工過程中的事故預(yù)防和處理的方法。

1 千枚巖物性特征

千枚巖是由頁巖，粉砂巖或中酸性凝灰?guī)r經(jīng)低級區(qū)域變質(zhì)作用形成的變質(zhì)巖。巖石中的細(xì)小片狀礦物質(zhì)定向排列，斷面上可見許多大致平行，極薄的片理，片理成絲絹光澤。巖石常呈淺紅，深紅，灰及黑等色，巖性介于板巖與云母之間，見圖1。形成似板巖，但有滑性，且含絹云母較多，故與板巖不同，較板巖脆且堅固性差。千枚巖地層在鉆探施工過程中屬于軟弱地層，在該類地層中鉆進(jìn)速度較快，容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)破壞，引發(fā)掉塊卡鉆等問題造成下鉆受阻及孔斜、孔塌等孔內(nèi)事故。

2 孔壁失穩(wěn)的主要因素

千枚巖地層屬力學(xué)不穩(wěn)定地層[2]，該類地層引起孔壁失穩(wěn)破壞主要條件有以下3點：

1)當(dāng)巖石的變性能或最大剪切力超過巖石強(qiáng)度極限時；

2)孔內(nèi)液注密度過小使壓力差超過巖石強(qiáng)度極限時；

3)千枚巖在液體長時間浸泡沖洗以及頻繁提下鉆的情況下破壞孔壁的穩(wěn)定性。

其中1)主要由鉆孔設(shè)計方案和鉆進(jìn)參數(shù)影響，2)和3)兩點均與沖洗液的成分和物性有較大的關(guān)系，因此選取合適的鉆進(jìn)方案和沖洗液配比方案是預(yù)防千枚巖地層孔壁失穩(wěn)的重要手段。

3 金徽縣千枚巖地層預(yù)防孔壁失穩(wěn)的措施

本地區(qū)鉆孔孔深在1 500 m左右，地表以上設(shè)備為XY-6鉆機(jī)，鉆塔，底梁，泥漿泵，攪拌機(jī)，取心絞車，配電系統(tǒng)以及輔助設(shè)備等，見圖2。地下部分為鉆具，鉆桿，取心系統(tǒng)，套管，沖洗液循環(huán)狀態(tài)以及孔底巖石破碎過程。

為預(yù)防孔壁失穩(wěn)引發(fā)孔內(nèi)事故，根據(jù)千枚巖地層的物性特征，并結(jié)合技術(shù)需求，在施工中從鉆孔設(shè)計、鉆進(jìn)參數(shù)及沖洗液的配比和添加順序3個方面提出預(yù)防軟弱地層失穩(wěn)的措施。

3.1鉆孔設(shè)計

根據(jù)本地區(qū)千枚巖的特殊局限性以及保障順利的施工，采取四開的鉆進(jìn)方法。鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖3。

表1是巖心鉆探口徑表。結(jié)合圖3，可以看出本次鉆孔開孔孔徑146 mm穿過第四系，下φ130 mm套管作為開孔管加以固定；然后換φ110 mm鉆頭鉆至基本完整巖層，下入φ108 mm套管；再用鉆具級配φ91 mm鉆頭+φ89 mm取心管+φ89 mm鉆桿進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，穿過較破碎的地層，遇完整巖石下φ89 mm套管換徑；最后換鉆具級配φ75 mm鉆頭+φ71 mm繩索鉆桿鉆進(jìn)直至終孔。在生產(chǎn)中基本采用這個原則，但遇到較為復(fù)雜的地層也根據(jù)實際情況隨時調(diào)整。

表1 巖心鉆探口徑系列表 mm

3.2鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)的選擇尤為重要，因為千枚巖地層軟、鉆進(jìn)速度較快、鉆進(jìn)過程中容易跑偏且該地層受力容易破碎，不利于孔壁穩(wěn)定。所以在鉆進(jìn)過程中需要控制轉(zhuǎn)速和鉆壓，這樣不僅能夠防止孔斜，還能均勻的對孔壁修復(fù)，提高孔壁穩(wěn)定性。

在遵循以上準(zhǔn)則的情況下，本次鉆探工作選取的鉆進(jìn)參數(shù)如下：鉆機(jī)鉆壓10 kN～20 kN,鉆機(jī)轉(zhuǎn)速360 r/min，泥漿泵泵量90 L/min。通過實踐證明，本次選取的參數(shù)能夠達(dá)到鉆進(jìn)要求。

3.3沖洗液的配比及添加順序

沖洗液在鉆探過程中是一項重要的影響因素，且不同的添加順序起到了重要的作用。本文就本次鉆探工作，對其不同成分的作用、配比和添加順序進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1)水：為分散介質(zhì)(液相)；2)黏土：37.5 kg/m3，為分散相(固相)，搬運(yùn)作用；3)pH9氫氧化鈉(火堿)：是一種強(qiáng)堿，其重要作用是溶于水完全電離可提供中和，控制陽離子濃度，降低水的硬度，氧化巖石(pH10～11)試紙測定;4)待5 min后，加入硝基鐵鉀抑制劑，配比為4 kg/m3，用于降失水量，防止吸水膨脹；5)防卡護(hù)壁潤滑劑：2 kg/m3，提高沖洗液的流動性，使鉆具潤滑提高轉(zhuǎn)速(有一定的護(hù)壁作用)；6)待3 min后，加入高粘羧甲基纖維素，配比為3 kg/m3，用于提高泥漿黏度，易于攜帶懸浮巖屑。加入時慢放且在3 min撒完，7 min后改性；7)泥漿穩(wěn)定劑：3 kg/m3，用于提高泥漿密度，平衡地層壓力，有一定降失水量作用；8)陰離子聚丙烯酰胺：0.2 kg/m3，凝聚泥漿，攜帶懸浮巖粉，沉淀能力強(qiáng)，對吸水膨脹及水敏性坍塌地層有一定的抑制作用。

后期經(jīng)實踐證明，以上沖洗液材料一定要嚴(yán)格按照順序添加，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。

4 施工過程中出現(xiàn)的問題分析和處理方法

孔內(nèi)事故是在施工過程中，由于種種原因，常常發(fā)生各種孔內(nèi)故障而中斷正常鉆進(jìn)的情況。通常有燒鉆、卡鉆、埋鉆、鉆桿斷裂，取芯鋼絲繩斷落和孔內(nèi)落物等事故。

4.1施工過程中所遇事故分析

在本次鉆井施工過程中φ89 mm技術(shù)套管下至孔深625 m處，繼而用φ75 mm配套繩索取心鉆具鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)至780 m處時，起鉆換鉆頭，下鉆的過程到673 m處受阻，進(jìn)而劃眼修復(fù)孔壁，能夠安全通過并進(jìn)行正常鉆進(jìn)，直至871 m處，下鉆過程從673 m處開始受阻情況愈加嚴(yán)重，明顯孔壁已經(jīng)失去穩(wěn)定性。在874 m正常鉆進(jìn)過程，進(jìn)行繩索取心后，沖洗液循環(huán)正常，開動鉆進(jìn)時出現(xiàn)嚴(yán)重霸鉆現(xiàn)象，司鉆者第一反應(yīng)是活動鉆桿，使鉆具離開孔底，然后進(jìn)行起鉆，起第一根立桿(一根立桿為3根鉆桿，每根鉆桿為3 m)沒有很明顯異常，但起第二根立桿時阻力越來越大，活動鉆桿，活動范圍越來越小，直至卡死。立即召開現(xiàn)場會議，采用千斤頂及卷揚(yáng)同時起鉆，當(dāng)?shù)?73 m處時阻力突然消失，通過綜合分析判斷為砂橋卡鉆，并且位置在673 m以下出現(xiàn)卡鉆，事故前沖洗液為通路。

4.2事故的處理過程

造成砂橋的原因為技術(shù)套管未能穿過不穩(wěn)定地層，而在不穩(wěn)定地層處形成較大井徑，一旦停泵巖屑容易造成砂橋。通過綜合分析要想達(dá)到設(shè)計孔深，必須要解決兩方面問題：一是怎樣將卡鉆孔壁進(jìn)行修復(fù)，二是用何種方法保持鉆孔孔壁的穩(wěn)定性能夠順利的完成這次生產(chǎn)目的。

進(jìn)行修復(fù)孔壁時鉆具不要帶取心內(nèi)管，以免在劃眼的過程中被巖屑、巖粉堵塞而沖洗液無法送通反復(fù)起下鉆，進(jìn)一步破壞孔壁穩(wěn)定性，增加事故的困難程度。按3.3節(jié)的方法進(jìn)行沖洗液的配比，加入適量的重石灰粉，將沖洗液密度調(diào)到1.15 kg/m3，保證沖洗液在施工過程中保持動態(tài)壓力平衡來維護(hù)孔壁穩(wěn)定性。然后用最小泵量進(jìn)行劃眼，劃眼過程中切記不要快，保證循環(huán)道路的暢通，慢慢劃眼修復(fù)至孔底。在此過程再次強(qiáng)調(diào)沖洗液的配比及比重不能變化，一直到?jīng)_洗液循環(huán)正常，起下鉆異常阻力消失，這樣卡鉆事故也就解決了。

5 結(jié)語

1)本文分析了以千枚巖為例的軟弱地層的物性特征和鉆探過程中的孔壁失穩(wěn)因素，以金徽縣鉆探工作為例，從鉆孔設(shè)計、鉆進(jìn)參數(shù)及沖洗液的配比和添加順序三個方面提出預(yù)防軟弱地層失穩(wěn)的措施，這對軟弱地層地區(qū)的鉆探工作具有一定的參考價值。

2)通過本次工作，總結(jié)在鉆探施工過程中必須要以預(yù)防為主并且需要采取一個合理的施工方案。

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Preventionandtreatmentoftheaccidentintheprocessofdrillinginphyllitestratum★

MaXiaopengWangWeijieTianGuoliang

(ShandongProvince6thGeology&MineralResourcesSurveyInstitute,Weihai264200,China)

Based on the analysis of phyllite, on the basis of physical characteristics in the process of drilling hole wall instability factors are discussed in this paper, the last Jinhui county drilling work, for example, summarizes the phyllite stratum in the process of drilling accident prevention and handling methods, of phyllite stratum drilling work orderly.

cordage drilling, thousands of strata, prevention and treatment

P624

A

1009-6825(2017)27-0063-03

2017-07-14★:中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212010881607)資助

馬曉鵬(1987- )，男，助理工程師