王洪濤　馬永吉　劉瑞年

摘要：內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗博和銅多金屬礦區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂較為發(fā)育。粉砂質(zhì)泥巖、灰色砂礫巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖石成巖不好，呈半固結(jié)狀態(tài)，并夾有1～3條破碎蝕變帶，膠結(jié)性差。鉆孔施工中孔內(nèi)坍塌、掉塊、縮徑、憋泵、抱鉆、斷鉆等鉆探難題頻繁出現(xiàn)，給鉆探施工帶來(lái)諸多困難。通過(guò)改善沖洗液配方、采用Q系列鉆具跟管鉆進(jìn)工藝、多級(jí)套管護(hù)壁、使用金剛石復(fù)合片鉆頭等技術(shù)措施，保證該項(xiàng)目大厚度破碎地層鉆探施工順利完成。

關(guān)鍵詞：大厚度破碎地層；Q系列鉆具；加重泥漿；復(fù)合片鉆頭；跟管鉆進(jìn)；沖洗液護(hù)壁；套管護(hù)壁

Core Drilling Technology for Large Thickness Broken Formation in Bohe Copper Polymetallic Ore Field in West Ujimqin Banner

Key words： large thickness broken formation； Q series drilling tool；

weighted mud； PDC bit； drilling with casing； wall protection with drilling fluid； casing pipe wall protection

1. 概述

1.1 基本情況

內(nèi)蒙古自治區(qū)西烏珠穆沁旗博和銅多金屬礦預(yù)查為內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)勘查基金管理中心項(xiàng)目。工作區(qū)處于華北板塊與西伯利亞板塊之間的古亞洲洋構(gòu)造域東部（一級(jí)構(gòu)造單元）的西伯利亞地臺(tái)南緣增生帶與華北地臺(tái)北緣增生帶的最終碰撞接壤部位，區(qū)域內(nèi)褶皺、斷裂較為發(fā)育。褶皺構(gòu)造主要發(fā)育于晚古生代格根敖包組地層中，呈緊閉線(xiàn)性產(chǎn)出，推測(cè)樞紐走向北東向。褶皺性質(zhì)為背斜。斷裂構(gòu)造以北東向、北北東向?yàn)橹?，次為北西向、近東西向。斷裂構(gòu)造一般長(zhǎng)數(shù)十公里，小者數(shù)公里至幾百米，主要形成于古生代—中生代。礦體圍巖主要為花崗閃長(zhǎng)巖，巖石普遍具硅化、絹云母化、高嶺土化和綠泥石化，在其破碎蝕變帶內(nèi)主要蝕變?yōu)楣杌?。巖石可鉆性一般在1～5級(jí)，完整巖石有7級(jí)。礦區(qū)主要巖性自上而下依次為：

（1） 第四系全新統(tǒng)沖洪積物（Qhpal），分布較廣，由礫石、粗砂、粉砂、細(xì)砂等組成，地表為腐植土。

（2） 第四系上更新統(tǒng)阿巴嘎組（Qpa），巖性主要為致密塊狀、氣孔杏仁狀橄欖玄武巖、玄武巖、安山玄武巖。

（3） 新近系上新統(tǒng)寶格烏拉組（N2b），主要為粉砂質(zhì)泥巖、灰色砂礫巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖石成巖不好，呈半固結(jié)。

（4） 中二疊統(tǒng)哲斯組（P2z∧s），巖性主要為長(zhǎng)石石英砂巖、生物碎屑灰?guī)r，該套地層巖石組合為長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖、凝灰?guī)r，上部較粗，下部粒徑相對(duì)較細(xì)。

（5） 上石炭—下二疊統(tǒng)格根敖包組（CPg），主要巖性上部為礫巖、雜砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖局部夾雜砂巖及灰?guī)r透鏡體，下部為安山巖、英安巖、火山角礫巖、沉凝灰質(zhì)礫巖、安山質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r。

1.2 施工中存在的主要難題

1.2.1 粉砂質(zhì)泥巖、灰色砂礫巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖石成巖不好，呈半固結(jié)，巖石破碎、水敏性強(qiáng)，孔壁巖石易剝落，形成坍塌掉塊，易導(dǎo)致鉆探事故發(fā)生。半固結(jié)地層巖心見(jiàn)圖1，蝕變破碎帶地層巖心見(jiàn)圖2。

1.2.2 松散、破碎泥巖在沖洗液的沖刷和鉆具回轉(zhuǎn)振動(dòng)作用下，巖心采取率很難保證。

1.2.3 該破碎地層分布廣，厚度大，一般為100m～350m，大部分孔段抗沖洗液沖刷能力弱，易坍塌。坍塌部分被鉆具碾壓擠碎的細(xì)小顆粒隨沖洗液返出并混入其中，嚴(yán)重侵害沖洗液性能，被簡(jiǎn)單磨耗的略有強(qiáng)度的顆粒狀巖屑隨沖洗液上返至孔壁間隙變小處逐漸堆積，造成憋泵、抱鉆，無(wú)法正常鉆進(jìn)。

1.2.4 該地層受沖洗液不斷的沖刷作用，重復(fù)剝落、坍塌后造成局部孔壁嚴(yán)重超徑，導(dǎo)致斷鉆事故頻發(fā)，事故處理時(shí)打撈工具與事故鉆桿對(duì)接困難，經(jīng)常出現(xiàn)摸不著頭的情況，事故處理難度很大。

1.2.5 采用套管護(hù)壁時(shí)，套管受地層縮徑影響下放困難，受地層坍塌、膨脹的擠壓作用起拔困難。

2. 鉆進(jìn)工藝

2.1 鉆探設(shè)備

該工作區(qū)采用的巖心鉆機(jī)為XY-44型1臺(tái)和XY-5型1臺(tái)，XY-44型鉆機(jī)施工設(shè)計(jì)深度低于500m的鉆孔，XY-5型鉆機(jī)施工設(shè)計(jì)深度高于500m的鉆孔。配套的鉆塔有HCX-13和HCX-18。配套的泥漿泵分別是BW-250一臺(tái)，BW-150兩臺(tái)（1臺(tái)備用），絞車(chē)規(guī)格為SJ-1000兩臺(tái)，YH30CGF型發(fā)電機(jī)組2臺(tái)，0.8m3攪拌機(jī)2臺(tái)，Φ93mm直連套管600m，Φ114mm外接箍套管400m，Φ146mm直連套管100m，鉆桿、鉆具由華勘局247隊(duì)鉆具廠(chǎng)生產(chǎn)，PQ系列、HQ系列和NQ系列若干。Q系列鉆具主要規(guī)格參數(shù)如表1所示。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目2014年末首次鉆探施工，由于對(duì)地層的破碎程度和施工難度估計(jì)不足，采用常規(guī)鉆孔結(jié)構(gòu)為Φ110mm-Φ91mm-Φ75mm，在施工過(guò)程中出現(xiàn)井壁間隙小憋泵嚴(yán)重，鉆進(jìn)效率低，套管下放、起拔困難，處理斷鉆事故后無(wú)法再次變徑的情況。經(jīng)過(guò)分析、研究確定2015年采用鉆孔結(jié)構(gòu)為Φ150mm—Φ122mm—Φ96mm—Φ76mm。在此鉆孔結(jié)構(gòu)中，通過(guò)使用Q系列鉆具跟管鉆進(jìn)技術(shù)，大幅度提高鉆進(jìn)效率，減少?zèng)_洗液對(duì)井壁的沖刷、浸泡時(shí)間，降低井壁縮徑、坍塌的可能性，同時(shí)為套管的下放與起拔提供有利條件。

2.3 鉆頭的選擇[1]

開(kāi)孔采用Φ150mm硬質(zhì)合金鉆頭，PQ、HQ鉆具采用金剛石孕鑲鉆頭和金剛石復(fù)合片鉆頭（泥包地層使用減少糊鉆，有利于提高鉆進(jìn)效率），NQ鉆具采用孕鑲金剛石鉆頭。跟管鉆進(jìn)時(shí)，PQ、HQ鉆具充當(dāng)套管時(shí)采用金剛石薄壁鉆頭。因巖石可鉆性級(jí)別低，孕鑲金剛石鉆頭選用鋸齒型高胎體鉆頭，有利于防止水口封堵、排除巖粉和提高鉆進(jìn)效率。

3. 采取的技術(shù)措施

3.1 沖洗液的配置與維護(hù)技術(shù)[2]

該工作區(qū)地層根據(jù)破碎程度大體可以分為三部分：上部第四系（20m～50m）和粉砂質(zhì)泥巖、灰色砂礫巖夾泥質(zhì)灰?guī)r成巖不好，呈半固結(jié)地層；中間夾雜的蝕變、水敏破碎帶地層；下部完整巖石地層（鉆進(jìn)150m～200m即終孔）。

3.1.1 開(kāi)孔及上部地層沖洗液配方為：1m3水+8%優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土（山東產(chǎn)）+0.2%火堿+0.1%～0.3%中粘-CMC+0.3%～1%腐植酸鉀+1%防塌劑（RH潤(rùn)滑型）+1.5%皂化油。泥漿性能參數(shù)為：漏斗粘度30s，失水量8ml/30min～10ml/30min，泥漿密度1.08g/cm3，泥皮厚度<1mm。

該沖洗液能夠利用高分子材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和對(duì)孔壁巖石的吸附能力膠結(jié)巖石和封堵孔壁裂隙，腐植酸鉀的降失水作用使井壁泥餅薄而致密，護(hù)壁效果更好。

3.1.2 蝕變、水敏破碎帶地層沖洗液配方為：

1m3水+5%優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土（山東產(chǎn)）+0.1%火堿+0.1%～0.3%中粘-CMC+0.3%～1%腐植酸鉀+2.5%TM植物膠+0.25%GSP廣譜護(hù)壁劑+1%防塌劑（RH潤(rùn)滑型）+2%重晶石粉+1.5%皂化油。泥漿性能參數(shù)為：漏斗粘度26s，失水量8ml/30min～10ml/30min，泥漿密度1.8g/cm3，泥皮厚度<1mm。

該沖洗液除具有上述性能外，還能夠平衡破碎帶地層地層應(yīng)力，防止孔壁坍塌。

3.1.3 下部完整巖石地層沖洗液配方為：

1m3水+0.1%PAM+0.5%中粘-CMC+1.5%06型高效潤(rùn)滑劑。

該沖洗液是充分利用高分子聚合物的造漿性好、懸浮力強(qiáng)、潤(rùn)滑效果好及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)井壁的膠結(jié)黏附性能，容易在鉆桿與井壁間形成一層潤(rùn)滑膜，起到潤(rùn)滑減阻的作用，有利于開(kāi)高轉(zhuǎn)速，提高鉆進(jìn)效率。

沖洗液配置與維護(hù)措施[3]

（1） 泥漿材料提前預(yù)化處理。優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土要預(yù)浸泡10小時(shí)以上，而高分子材料只有長(zhǎng)時(shí)間浸泡大分子長(zhǎng)鏈才能充分展開(kāi)，在沖洗液中發(fā)揮吸附和交聯(lián)作用，開(kāi)始時(shí)，條件允許情況下預(yù)浸泡24h以上為好。

（2） 按順序添加，充分?jǐn)嚢?。為了最大限度發(fā)揮沖洗液的優(yōu)良性能，攪拌時(shí)必須按先無(wú)機(jī)材料后有機(jī)材料，分子量由小到大的順序逐一添加，每一種添加劑嚴(yán)格按配合比加入后必須充分?jǐn)嚢?。從而避免因添加劑之間阻溶和交聯(lián)效果不好導(dǎo)致絮凝分離等現(xiàn)象。

（3） 泥漿凈化。泥巖地層鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑在鉆具的不斷碾壓下多數(shù)細(xì)小且密度接近膨潤(rùn)土，在沖洗液循環(huán)過(guò)程中很容易融入其中，利用常規(guī)的沉淀方法難以清除，地面必須采取泥漿凈化措施保證其性能穩(wěn)定。

（4） 嚴(yán)格做好上返泥漿性能測(cè)定工作，每班至少兩次，并認(rèn)真記錄測(cè)定數(shù)據(jù)。復(fù)雜地層或發(fā)現(xiàn)井內(nèi)異常適當(dāng)增加測(cè)定次數(shù)。

（5） 嚴(yán)格控制泥漿性能指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整不符合鉆進(jìn)要求的泥漿，確保泥漿有良好的護(hù)壁、堵漏、潤(rùn)滑減阻、排粉等效果。

3.2 Q系列鉆具跟管鉆進(jìn)技術(shù)

在大厚度破碎地層施工中，特別是夾雜蝕變層、水敏層較多時(shí)，靠沖洗液護(hù)壁難以完成鉆孔施工。該項(xiàng)目采用Q系列鉆具跟管鉆進(jìn)工藝取得良好效果。Φ150mm合金鉆頭開(kāi)孔一般鉆進(jìn)20m，下入Φ146mm井口管。PQ鉆具使用薄壁鉆頭下入孔內(nèi)，接鉆桿直至井口放入孔內(nèi)，然后下入HQ鉆具鉆進(jìn)9m，將鉆桿從立軸下打開(kāi)，放入井內(nèi)，PQ鉆具合上立軸鉆進(jìn)至HQ鉆具下頭，從立軸打開(kāi)放入孔內(nèi)，再接上HQ鉆具鉆進(jìn)，如此往復(fù)。根據(jù)地層破碎程度確定每次倒換地鉆進(jìn)深度，相對(duì)穩(wěn)定地層時(shí)，進(jìn)尺多些，蝕變層和水敏層進(jìn)尺采用3m一換，即一根鉆桿長(zhǎng)度比較合適。如果發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)阻力較大或電流表顯示100A以上時(shí)，調(diào)制泥漿沖孔后上鉆下入Φ114mm套管，PQ鉆具正常情況下可以鉆進(jìn)250m以上。下好Φ114mm套管后，按照上述方法使用HQ和NQ鉆具鉆進(jìn)（HQ鉆具使用薄壁鉆頭），直至完整巖石下入Φ93mm直連套管。變徑NQ鉆具鉆進(jìn)至終孔。此鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)是因地層破碎嚴(yán)重，巖石可鉆性級(jí)別低，跟管鉆進(jìn)容易，鉆進(jìn)效率高，能夠避免沖洗液長(zhǎng)時(shí)間對(duì)孔壁的沖刷和浸泡破壞，以及鉆具回轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)井壁的擾動(dòng)破壞。

3.3 提高巖心采取率的措施[4]

（1） 嚴(yán)格檢查鉆具配合間隙和靈活程度，卡簧座與鉆頭內(nèi)胎體距離控制在2mm～3mm，彈卡活動(dòng)間隙控制在2mm～3mm，每次投放內(nèi)管前檢查總承彈卡和回轉(zhuǎn)軸承是否工作正常。

（2） 鉆進(jìn)過(guò)程中保持壓力均勻，嚴(yán)禁隨意增減壓和提動(dòng)鉆具，造成巖心重復(fù)破碎或壓縮，降低巖心采取率。發(fā)現(xiàn)巖心堵塞及時(shí)提鉆，以減少巖心的非正常磨耗。

（3） 不打懶鉆，嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺，一般不超過(guò)1m。

（4） 嚴(yán)格遵守沖洗液檢查制度，按配置要求使用維護(hù)好的沖洗液鉆進(jìn)。

（5） Q系列跟管鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)地層穩(wěn)定情況盡量控制兩種鉆具每次倒換的進(jìn)尺米數(shù)，一般控制在3m～9m合適。

3.4 多級(jí)套管護(hù)壁技術(shù)[5]

使用套管把大厚度破碎地層隔離開(kāi)，是行之有效而又最為可靠的護(hù)壁堵漏方法。該礦區(qū)多數(shù)鉆孔采取下1～2級(jí)套管，有的甚至要下3～4級(jí)套管方能保證正常施工。從護(hù)壁的可靠性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，多級(jí)套管護(hù)壁技術(shù)措施應(yīng)做到：

（1） 根據(jù)技術(shù)要求和地層情況認(rèn)真做好每個(gè)孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確各級(jí)套管的下入目的與深度。

（2） 全面考慮套管的起拔難度和套管事故的處理方法，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備好起拔設(shè)備和處理工具。

（3） 下放套管時(shí)，必須注意絲扣的擰緊程度。為了順利起拔，套管外要涂抹潤(rùn)滑材料，一般采用石墨和鋰基脂黃油混合液。

（4） 套管下好后，必須做好各級(jí)套管之間的密封工作，防止巖粉沉積增加起管阻力。

3.5 鉆進(jìn)操作注意事項(xiàng)

（1） 嚴(yán)格按操作規(guī)程施工，采用合理的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。堅(jiān)決杜絕為了追求進(jìn)尺盲目采用大規(guī)程鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)。鉆具升降操作要平穩(wěn)，鉆具提升過(guò)快，鉆具對(duì)孔壁產(chǎn)生的抽吸作用越強(qiáng)，容易引起不穩(wěn)定孔壁坍塌掉塊和疏通孔壁裂隙引起鉆孔漏失；鉆具下降越快，產(chǎn)生的動(dòng)壓越大，容易壓裂地層，加劇鉆孔地層漏失[6]。

（2） 取心和上大鉆時(shí)必須做到隨提隨回灌，使液柱壓力穩(wěn)定平衡地層壓力來(lái)保持孔壁穩(wěn)定，避免孔內(nèi)液柱降低，破壞孔內(nèi)壓力平衡，造成孔壁坍塌。

（3） 鉆進(jìn)時(shí)泥漿性能維護(hù)要做到勤檢查、勤調(diào)換、少調(diào)換。如果泥漿性能確實(shí)變差，必須大幅度的調(diào)換泥漿時(shí)，要分次更換，不要使更換后的泥漿性能與更換前的泥漿性能相差懸殊影響護(hù)壁效果。

（4） 在設(shè)備維修和其他原因停鉆時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，必須將鉆具提到地面或確認(rèn)安全孔段，防止夾鉆、卡鉆事故的發(fā)生。

4. 經(jīng)驗(yàn)體會(huì)

（1） 合理的鉆孔結(jié)構(gòu)是保證鉆孔順利完成的基礎(chǔ)。多級(jí)套管操作雖煩瑣，卻是大厚度破碎地層維護(hù)孔壁穩(wěn)定和穿過(guò)多層破碎蝕變帶的可靠辦法。

（2） 充分了解破碎地層孔壁不穩(wěn)定的原因，比如地層結(jié)構(gòu)破碎，不完整，膠結(jié)性差，裂縫發(fā)育；沖洗液的沖刷和浸泡破壞；施工過(guò)程中操作不當(dāng)?shù)纫蛩亍＠矛F(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有針對(duì)性的配置沖洗液[7]。

（3） 使用Q系列跟管鉆進(jìn)工藝有效解決大厚度破碎地層無(wú)法連續(xù)鉆進(jìn)的技術(shù)難題。

5. 結(jié)語(yǔ)

在大厚度破碎地層鉆探施工中，鉆孔護(hù)壁是關(guān)鍵，配置沖洗液優(yōu)先考慮其性能要能夠提高破碎巖塊之間的膠結(jié)力、快速封堵地層裂隙形成完整孔壁、在孔壁表面形成薄而致密泥餅及適當(dāng)?shù)奶岣邲_洗液密度平衡地層壓力等因素，不同配方的優(yōu)質(zhì)泥漿是保證正常施工的前提。采用Q系列跟管鉆進(jìn)工藝和金剛石復(fù)合片鉆頭大大提高鉆進(jìn)效率，從而減少?zèng)_洗液對(duì)孔壁的沖刷和浸泡時(shí)間，為套管的下放創(chuàng)造有利條件。利用套管維護(hù)孔壁的穩(wěn)定是最安全最可靠的手段。該項(xiàng)目套管能夠順利下放到完整巖石上，后續(xù)工作就迎刃而解了。

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