王 盛，潘振泉，秦正運(yùn)

（1.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì)，江西 鷹潭 335000；2.魯國(guó)化工（山東）有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝，具備鉆具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高、鉆進(jìn)速度快、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是孔徑較小，鉆桿與孔壁間隙?。?］。

泥巖是水敏性地層，遇水時(shí)極易吸水膨脹、分散，導(dǎo)致井壁縮徑、垮塌等事故。同時(shí)粘性泥巖鉆屑對(duì)鉆具表面具有很強(qiáng)的粘附性能，造成鉆頭和鉆桿泥包、增加扭矩和憋泵效應(yīng)。

小口徑繩索取心鉆遇深厚泥巖時(shí)，由于本身孔徑、環(huán)狀間隙小的特點(diǎn)，加之泥巖縮徑、鉆頭和鉆桿泥包現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力增大，憋泵持壓不通水現(xiàn)象［2-8］。

“安徽省碭山縣北部地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目”為安徽省自然資源廳2018 年度公益性地質(zhì)工作第一批項(xiàng)目，作為精準(zhǔn)扶貧項(xiàng)目由省財(cái)政全額出資，工期2 年。主要任務(wù)是查明工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)蓋層、熱儲(chǔ)層等地?zé)岬刭|(zhì)條件，對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。在該項(xiàng)目ZK01 孔鉆探取心過程中鉆遇大段泥巖地層，多次出現(xiàn)坍塌、縮徑、泥包等問題。本文針對(duì)該區(qū)水敏性地層的特點(diǎn)，研討解決水敏性地層小口徑繩索取心鉆探問題的相關(guān)技術(shù)，對(duì)該區(qū)項(xiàng)目鉆探施工具有重要的意義。

1 項(xiàng)目概況

調(diào)查區(qū)位于華北陸塊徐淮地塊淮北斷褶帶黃口斷陷帶之黃口凹陷，北部斷箕楊樓次凹、姜馬莊鞍狀隆起與南部斜坡的交匯地帶。主要地層從上往下依次為第四系及新近系（Q+N）松散層、古近系汶口組（E2-3w）、古近系官莊組（E2g）及下白堊統(tǒng)青山組（K1q）。第四系及新近系松散層（Q+N）：厚度500～700 m，上部為第四系土黃色粘土；下部為粘土層、粉砂質(zhì)粘土、細(xì)砂互層。古近系汶口組（E2-3w）：不整合于松散層之下，厚度160～320 m。上部為淺灰、灰白色硬石膏巖、含石膏泥巖互層加灰質(zhì)泥巖；下部為淺棕色泥巖及粉砂巖互層。古近系官莊組（E2g）：整合于汶口組之下，厚度400～680 m。巖性為河湖相棕褐色粉砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖夾泥巖。巖心照片見圖1。

圖1 鉆孔巖心照片F(xiàn)ig.1 Cores

碭山地?zé)醃K01 孔設(shè)計(jì)孔深1200 m，全孔取心，采取率＞85%，終孔直徑≮75 mm。

2 施工遇到的困難

（1）由于覆蓋層下以泥巖為主，在施工過程中多次出現(xiàn)上部縮徑，頻繁掃孔，不僅鉆進(jìn)效率低下，而且極易出現(xiàn)孔內(nèi)卡鉆事故。

（2）泥巖經(jīng)過鉆頭破碎后，大量具有吸附性的劣質(zhì)粘土成分進(jìn)入到泥漿中，在泥漿循環(huán)過程中，伴隨鉆桿的甩動(dòng)會(huì)吸附在孔壁、套管內(nèi)壁，形成一層虛厚的泥皮，前期造成泵壓升高，隨著孔壁及套管內(nèi)壁吸附的泥皮厚度增加，形成一種“假縮徑”現(xiàn)象，鉆孔出現(xiàn)憋泵持壓。這一現(xiàn)象在采用單管鉆進(jìn)過程中影響不大，但是在繩索取心鉆進(jìn)工藝時(shí)，因環(huán)狀間隙小，起下鉆頻率低，對(duì)孔壁剮蹭次數(shù)少等原因，極易造成憋泵持壓現(xiàn)象。

3 具體施工過程及解決方法

鉆孔上部700 m 為松散第四系，粘土、細(xì)砂互層，采用?110 mm 口徑單管鉆進(jìn)，孔底反循環(huán)局部干燒撈心工藝。鉆進(jìn)至708 m 后下入?89 mm 套管護(hù)壁，為確保巖心采取率達(dá)標(biāo)，改用?76 mm 口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工。

該孔以泥巖等水敏性地層為主，施工前期的泥漿選用了對(duì)泥巖具有抑制膨脹和分散作用的低固相泥 漿 。 配 方 為 ：4% 膨 潤(rùn) 土 +0.2% 純 堿 +2% 銨鹽+1%鉀鹽+2.5%防塌劑（封堵劑、腐殖酸與多羥基鋁絡(luò)合物）。

采用?76 mm 口徑繩索取心工藝鉆進(jìn)至780 m處出現(xiàn)憋泵，孔口不返漿，但是回轉(zhuǎn)扭矩正常，上提、下放鉆具無阻力，判斷為上部泥巖出現(xiàn)蠕變縮徑現(xiàn)象。上提鉆具至縮徑封堵處往下掃孔，掃至孔底后又出現(xiàn)憋泵持壓、不返漿現(xiàn)象。多次上提鉆具進(jìn)行掃孔，依然無法解決上部已經(jīng)松散的軟泥。將泥漿密度提高至1.3 g/cm3后繼續(xù)掃孔，還出現(xiàn)吸附卡鉆現(xiàn)象。

縮徑原因及特征分析：前期泥漿濾失量控制不力，導(dǎo)致泥漿中的水分通過滲透作用進(jìn)入到地層中，與地層中的粘土礦物水化膨脹，使其強(qiáng)度降低，在上覆巖層重力的作用下，向孔內(nèi)流動(dòng)（蠕變）。根據(jù)開爾文-沃伊特模型模擬地層圍巖受力變形的粘彈性分析，利用三維本構(gòu)方程，推導(dǎo)出巖石的三維蠕變方程：

式中：Ua——井眼縮徑量，mm；a——井眼直徑，mm；Pb——上覆巖層壓力，MPa；ρ——泥漿密度，g/cm3；g——重力加速度，m/s2；h——井深，m；GH——彈性模量，MPa；GK—剪切模量，MPa；ηK——粘性系數(shù)，MPa·s；t——鉆開井眼的時(shí)間，h。

依據(jù)以上規(guī)律可知，在泥漿密度、井深、粘性系數(shù)等變量不變的情況下，井眼縮徑量和鉆開井眼時(shí)間呈幾何衰減關(guān)系，新井眼產(chǎn)生后，初始的縮徑蠕變速度最高，隨著時(shí)間的推移，縮徑蠕變速度逐漸降低。在較長(zhǎng)的時(shí)間之后，縮徑逐漸停止［6］。

上部708 m 為?89 mm 口徑套管，內(nèi)徑只有78 mm，且無法起拔?；趯?duì)該孔縮徑地層蠕變特征的分析，結(jié)合該孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取了以下措施：套管下部采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭將?76 mm 口徑原鉆孔擴(kuò)孔至?85 mm 口徑，通過擴(kuò)大縮徑段的孔徑，從而抵消蠕變?cè)斐傻目s徑效果，達(dá)到預(yù)防卡鉆、憋泵的目的。該孔使用的液控?cái)U(kuò)孔鉆頭收縮狀態(tài)外徑73 mm，通水后擴(kuò)孔翼張開狀態(tài)外徑85 mm。通過采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔的方法順利穿過708～780 m縮徑段，終孔后井身結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Well structure

液控?cái)U(kuò)孔鉆頭工作原理：該鉆頭主要由上接頭、鉆頭體、中心桿件、回位彈簧、限位塊、擴(kuò)孔刀翼、刀翼軸和前導(dǎo)鉆頭組成。以鉆井沖洗液為動(dòng)力，在鉆孔任意位置需要擴(kuò)孔處擴(kuò)孔翼張開即可進(jìn)行作業(yè)。鉆桿內(nèi)高壓沖洗液推動(dòng)鉆頭內(nèi)的活塞和中心桿件向下運(yùn)動(dòng)，中心桿件上的齒條帶動(dòng)端部有齒輪的擴(kuò)孔翼旋轉(zhuǎn)張開，進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。擴(kuò)孔翼張開后鉆頭靠鉆具的重力進(jìn)行回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔，此時(shí)擴(kuò)孔鉆頭不需要高壓沖洗液。擴(kuò)孔完成后，上提鉆桿，擴(kuò)孔翼在回位彈簧的作用下回縮，擴(kuò)孔鉆頭即可提出孔口，液控?cái)U(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)見圖3［9］。擴(kuò)孔鉆頭啟動(dòng)泵壓2 MPa，流量80 L/min，通泵后張開直徑85 mm，收縮狀態(tài)直徑73 mm。

圖3 液控?cái)U(kuò)孔鉆頭示意Fig.3 Structure of the hydraulic control reaming bit

擴(kuò)孔鉆頭下孔前必須在孔口接上主動(dòng)鉆桿，通泵后刀翼張開、停泵后刀翼收縮，說明擴(kuò)孔鉆頭刀翼收縮正常，可以進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。將孔內(nèi)巖渣清洗干凈，使擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔時(shí)，鉆孔的前導(dǎo)部分不要有太大的阻力，鉆孔的直徑要大于擴(kuò)孔鉆頭的直徑，大的越多，擴(kuò)孔鉆頭越容易張開，擴(kuò)孔作業(yè)越順利。前導(dǎo)鉆頭在擴(kuò)孔時(shí)起攪動(dòng)沉渣作用，在使用時(shí)應(yīng)與擴(kuò)孔鉆頭體擰緊并點(diǎn)焊。擴(kuò)孔過程盡量采用低鉆壓、高泵量、低轉(zhuǎn)速，確保擴(kuò)孔鉆頭正常作業(yè)。本次鉆孔擴(kuò)孔采用參數(shù)：泵量100 L/min，鉆壓6～7 kN，轉(zhuǎn)速80 r/min。

采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭順利穿過上部縮徑地層后，下部繼續(xù)采用?76 mm 口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行下一步施工。鉆進(jìn)至890 m 處又出現(xiàn)憋泵持壓不返水現(xiàn)象，與上一次出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象不同的是，此次上提鉆具至套管內(nèi)（702 m）通泵，泥漿還是循環(huán)不暢，泥漿泵泵壓出現(xiàn)劇烈跳動(dòng)，退主動(dòng)鉆桿往鉆桿內(nèi)灌漿，水位停留在管口不回落。多次起鉆檢查鉆具，未發(fā)現(xiàn)鉆具泥包、下鉆也無阻礙，排除了套管脫節(jié)和泥包鉆頭。經(jīng)過多番嘗試，反復(fù)論證，最終判斷本次憋泵現(xiàn)象原因是泥漿中具有吸附性的劣質(zhì)粘土成分吸附在套管壁形成虛厚泥皮，形成假縮徑現(xiàn)象，導(dǎo)致泥漿循環(huán)不暢，孔內(nèi)巖粉無法正常排出孔外，出現(xiàn)憋泵持壓現(xiàn)象。

管壁形成虛厚泥皮原因分析：

（1）泥漿抑制性差，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑發(fā)生水化分散（地層造漿），使泥漿中泥質(zhì)成分含量大增，其中具強(qiáng)吸附性的粘土吸附在孔壁后使鉆孔環(huán)狀間隙減小，導(dǎo)致孔內(nèi)大顆粒巖屑不能及時(shí)排除孔外形成堆積。

（2）泥漿潤(rùn)滑性能差，管壁無法形成有效的保護(hù)膜，導(dǎo)致泥質(zhì)成分不斷吸附到管壁形成虛厚泥皮。

（3）地層造漿導(dǎo)致泥漿中劣質(zhì)固相含量大增，且現(xiàn)場(chǎng)缺少有效的固控設(shè)備，無法清除泥漿中劣質(zhì)固相成分。

采取的措施：

（1）出現(xiàn)上述憋泵現(xiàn)象后及時(shí)提鉆，在原來的鉆具上加裝兩組新擴(kuò)孔器（外徑76.5 mm）后下入套管內(nèi)，上下活動(dòng)、慢車回轉(zhuǎn)，利用擴(kuò)孔器邊緣剮蹭套管壁泥皮（套管內(nèi)徑78 mm），達(dá)到清除管壁泥皮效果。

（2）采用無固相泥漿體系代替低固相泥漿體系，從而減少泥漿中粘性土成分，提高泥漿流動(dòng)性，降低泥漿粘度、切力。

（3）乳化泥漿，通過泥漿混油、增加潤(rùn)滑劑用量等措施，破壞粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，避免粘性土、巖粉粘附在管壁上。

（4）增加泥漿中鉀離子、銨離子含量，提高鉆井液抑制性，減少泥巖的水化分散，控制地層造漿。

（5）泥漿中配置一定量的表面活性劑，達(dá)到清洗管壁的作用。

（6）加大泥漿中聚合物含量，通過高分子聚合物吸附粘土顆粒，抑制粘土分散，促進(jìn)粘土顆粒沉淀，達(dá)到降低泥漿中粘土含量的效果。同時(shí)降低泥漿濾失量。

（7）降低泥漿粘度、切力，及時(shí)清除劣質(zhì)固相，發(fā)現(xiàn)泥漿性能變差及時(shí)更換新泥漿。

（8）配制泥漿前，用巖樣做浸泡試驗(yàn)，采用多種泥漿配方進(jìn)行比對(duì)，挑選抑制性好的泥漿配方進(jìn)行施工［10-17］，見圖 4。

圖4 無固相泥漿浸泡48 h 后的巖樣對(duì)比Fig.4 Comparison of rock samples after soaked in solid?free mud for 48 hours

后期采用的無固相泥漿配比為：清水+0.2%聚丙烯酰胺+3%水解聚丙烯腈胺鹽+0.6%有機(jī)硅腐殖酸鉀+1%磺化褐煤樹脂+1%封堵劑+1%瓜爾膠+0.5%柴油+1%解卡劑配制而成。該泥漿通過在孔壁形成一層薄膜保護(hù)層，減少水入侵到泥巖中，從而達(dá)到抑制泥巖水化造漿的作用。泥漿中混油乳化后可以起到破壞泥漿中粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的作用，能有效預(yù)防粘土吸附孔壁。

通過采取以上措施，掃孔至890 m 后，正常鉆進(jìn)至1200 m，期間地層造漿現(xiàn)象明顯減弱，且未出現(xiàn)管壁結(jié)泥皮現(xiàn)象，順利終孔。

4 結(jié)論及建議

（1）現(xiàn)階段液控?cái)U(kuò)孔鉆頭系列主要應(yīng)用于：錨固工程、煤、頁(yè)巖氣擴(kuò)孔、水井施工中擴(kuò)大含水層的口徑、定向鉆進(jìn)豎井段增大對(duì)接中靶面積、在水平可溶礦井中擴(kuò)大溶解面。液控?cái)U(kuò)孔鉆頭在小口徑巖心鉆探施工中采用還是首例，對(duì)將來巖心鉆探施工類似地層將起到很好的借鑒作用。

（2）該項(xiàng)目施工過程中出現(xiàn)的鉆孔縮徑、結(jié)垢現(xiàn)象的根本原因是該區(qū)泥巖地層粘土含量高。地層中粘土成分極易吸水水化，水化后強(qiáng)度降低，在上覆地層重力作用下發(fā)生縮徑。鉆進(jìn)過程大量含粘土成分的巖屑無法及時(shí)沉淀，長(zhǎng)時(shí)間懸浮在泥漿中，出現(xiàn)粘土水化造漿現(xiàn)象，導(dǎo)致泥漿粘度驟升，大量水化的粘土吸附于管壁，出現(xiàn)井壁結(jié)垢現(xiàn)象。

（3）本項(xiàng)目采用無固相混油泥漿體系順利穿過400 多米的泥巖地層，該泥漿體系抑制泥巖水化性能良好、具備良好的封堵性能，有效避免了泥巖縮徑、造漿現(xiàn)象。該泥漿體系經(jīng)過混油后能有效破壞粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，預(yù)防粘土吸附井壁結(jié)垢。

在施工過程中，出現(xiàn)局部孔段縮徑現(xiàn)象后，利用泥巖縮徑蠕變規(guī)律，可采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭對(duì)局部縮徑孔段進(jìn)行擴(kuò)孔，確保鉆孔順利施工。

（4）泥巖地層施工對(duì)泥漿性能要求十分嚴(yán)格，在泥漿配制和維護(hù)過程中應(yīng)該嚴(yán)格管理。配制泥漿前，必須通過浸泡試驗(yàn)選擇性能良好的泥漿配方；在施工過程中，加強(qiáng)對(duì)泥漿性能變化的監(jiān)控，嚴(yán)格控制泥漿固相含量，條件允許的情況下可配備一套泥漿固控設(shè)備。