江西煤田地质局二二三地质队 江西省 鹰潭市 335000
【摘 要】在能源需求日益增长的今天，矿产资源的开发也愈加深入。作为能源开采的重要一环，钻探技术的好坏会对整个钻探项目带来直接影响，因此要引以为重。本文就对深孔坍塌缩径地层进行重点研究，并采取相应技术措施，使绳索取芯钻进正常进行，并对其技术实践的操作性及指导意义进行分析。
【关键词】钻探技术；深孔坍塌；绳索取芯钻进
1.工程实例
某矿区一矿段进行钻探施工，该矿区大部为深孔。矿区岩石的主要成分包括斜长岩、橄辉岩、纯橄岩及各种辉长岩等，岩石可钻性7～9级，部分10～11级;结合此前的钻探情况，项目工程部决定：尽可能延伸HQ口径深孔部分，为遇见更深部破碎带创造条件。该矿段施工是钻进坍塌缩径地层的成功典范，其设计孔深1500m，设计倾角90°，实际终孔孔深1719.07m。
2.深孔岩芯钻探概述
我们常说的深孔岩芯钻探，主要是指孔深在1000～3000m的小口径岩芯钻探，在钻探工程中，绳索取芯技术已经得到广泛运用,小口径深孔钻探取芯技术大大提高了钻探的效率和质量。除此之外，在我国，最优化钻探技术还处于实验室阶段，尚未投入实践应用;孔底动力头连续取芯钻探技术的应用也并不广泛，绳索取芯钻探工艺技术是国内深孔小口径岩芯钻探的关键技术，施工以现场经验为主。下面主要探讨深孔绳索取芯钻进在坍塌缩径地层的应用。
3.深孔绳索取芯钻进的特点
通过近些年对深孔绳索取芯钻进技术的应用实践，总结出其如下特点：
①孔壁与钻杆环状间隙小，冲洗液上返阻力大，泵压高。②钻杆柱在孔内受力复杂。③深孔地层压力平衡问题。以上都是绳索取芯钻进技术在深孔复杂地层应用中特点的集中体现，其中最难的是坍塌缩径地层的绳索取芯钻进。
4.坍塌缩径地层的成因
坍塌缩径地层，是指钻孔孔壁容易坍塌或产生膨胀缩径的地层。一般来说，这类岩层的强度与硬度都较低，其弹塑性往往呈极低或极高两种极端状态，岩层多伴随水溶、水化、水蚀等特性。此类岩层的形成，多是受内、外动力地质作用造成的，如形成过程中的挤压、风化、溶蚀、沉积等，导致地基松散层、断层、破碎带、孔隙、裂隙、溶隙等环境的形成。当钻孔进入后，岩层受力状态发生改变，由三维受力变为一维受力，岩层自身特性，加上钻柱扰动、冲洗液冲刷等作用影响，使钻孔孔壁呈不稳定状态，导致地层或坍塌或缩径或兼有情况的出现。
那么，总的来说，孔壁坍塌缩径产生的原因及其作用机理主要有以下三方面因素：
1) 地质因素：除了地层自身自重应力外，还承受着多种内外动力地质作用，包括构造应力、上覆附加应力、空隙毛细水压力、承压水压力、岩层层理、岩层松散破碎胶结成分无或少、受水蚀、水化、水溶作用岩层呈高粘性等。
2) 工程因素：包括起钻抽吸作用、下钻液动压力作用、钻进泵压作用、冲洗液对孔壁的冲刷及侧压力，钻杆的碰撞等。
3) 物理化学因素：湿陷性黄土、粘土质等在岩层中所占含量重，而这类土质遇水膨胀缩径;具有水溶性、水敏性、水蚀性等地层遇水膨胀缩径，或经水长时间浸泡后岩层强度大大削弱，受钻柱扰动影响发生坍塌;冲洗液及部分矿物质对岩层会产生化学作用，如矿石中存在的硫化物，受地下水位的升降及浸蚀影响，使岩石强度降低，脆性增强。
5.深孔坍塌缩径地层绳索取芯钻进的应对措施
在深孔绳索取芯钻进施工过程中，当钻柱钻进坍塌缩径地层时，受高泵压、大阻力影响，地层或缩径，或坍塌包钻，或坍塌缩径二者共存。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆根据深孔绳索取芯钻进工艺特点，深孔钻柱受力较为复杂，钻柱挠度大，回转扭矩传递慢，因此深孔孔壁发生坍塌或缩径，往往是突如其然发生的，没有征兆，若施工技术人员没有对岩层状态进行观察并采取有效钻探措施，则难以预防或及时处理深孔地层坍塌或缩径的出现，甚至出现直接包死钻柱的情况，给后期钻进及处理增加难度。
针对深孔绳索取芯钻进坍塌缩径地层的特点，笔者结合多年矿区施工实践经验，总结出以下几项应对措施：
1) 在开展任何矿区施工之前，首先必须了解该矿区的地层特点，明确坍塌缩径岩层所处的孔段，依此判断在该复杂岩层孔段中的钻进特性。
2) 钻孔孔身要预留好技术储备口径，尤其是HQ口径，要尽可能的隔开中深部坍塌缩径地层，为更深部钻进及遇见坍塌缩径地层创造有利条件。为扩大孔壁环状间隙，减少泵压、降低回转阻力的目的，建议采用加大钻头钻进，如NQAA+或81mm 钻头。
3) 优化孔深钻探钻具，结合深孔钻探的实际需求，选择强度和刚度都符合要求的Q系列绳索钻杆和钻具。根据钻孔孔深合理选择机械设备，如对于孔深在1500m以上的，采用BW250、BW320甚至更大泵量的泵，增强泥浆泵流量调节范围及耐压程度，减少因机械设备施工给钻进坍塌缩径地层造成的影响。
4) 在工程施工过程中，泥浆配比及钻探操作必须要有经验丰富的技术员进行现场指导与监督，一旦出现异常能及时给予技术支持，当泥浆调整好并循环到符合要求时，方可进行钻进。
5) 采取责任到人制，每孔要委派相应技术人员负责，检查和观测泥浆性能是否与地层相匹配，若泥浆配比不当应及时调整。
6) 深孔提钻，坚持回灌，提钻时要注意检查钻杆接箍，及时更换掉存在问题的钻杆钻具。
7) 施工中遭遇复杂地层，尽量不停施工，从操作手法到施工步骤达成一致处理意见后在进行。
8) 当遇到坍塌缩径地层时，在采取扩径、泥浆调整等综合措施基础上，多扫少打，倒杆要留有活动余地，拉顶时切忌顶死，尽量不停车，严防因回车使事故复杂化，处理过程中尽量避免卡死。对于确实难以处理起来的，可采取反转处理，后扩或偏斜穿过。
9) 对于坍塌缩径严重的地层，在采取泥浆调整、扩径等措施后，绳索钻进仍无法正常进行，则可采取多钻具结合，以绳索钻杆、合金钻头加上无泵接首，来回扫这一孔段，以扩大钻杆与孔壁环状间隙，减少因孔内坍塌所产生的粗颗粒岩屑。
10) 平衡地层压力是坍塌缩径地层绳索取芯钻进的重要策略。要合理、科学的进行泥浆配比。
6.深孔复杂地层绳索取芯钻进的泥浆护壁策略
如何判断是不是复杂地层，复杂地层有哪些表现呢?其主要表现为三方面：即坍塌、缩径、地层压力不平衡。此外，受地层压力不平衡影响，还会引起坍塌、缩径、涌水、涌砂等地质情况。根据钻探岩芯情况及孔内情况，及时判断孔内岩层属于何种情况，以便调整泥浆性能。在复杂地层深孔钻进施工中，泥浆性能的适当与否具有至关重要的作用，科学配比的泥浆能有效保护孔壁的稳定性，对提高钻进效率、防止钻杆内壁结垢都有十分重要的作用。
对于坍塌偏重的地层，其岩层水蚀强度低，呈颗粒破碎状，胶结成分少或无，对于这类地层可适当选择粘度偏高的泥浆，控制在25～36s皆可，泥浆比重为1.05～1.15，辅以增强排砂的处理剂，适当加大泥浆粘土量，占10%～15%左右，必要时加入少量重晶石粉。对于缩径偏重的地层，其岩层特点为泥沙含量重、水蚀体积大、水泡后岩层粉糊状，粘滞性严重，对于这类地层，泥浆以降低失水量，防缩径为主，为平衡地层压力应增大粘土用量，同时增加防塌护壁剂的用量，泥浆粘度17～23s，比重1.05～1.15;对于地层压力失稳的地层，视失稳的严重程度合理调整泥浆性能，对于轻微垮塌、缩径或钻进漏水的情况，尽量采用低固相泥浆，使泥浆粘度在20～25s，比重1.05～1.07之间;对于地层压力失稳严重的，应增大粘土用量或加入适量重晶石粉，特别是涌砂地层，同时辅以增大钻柱和孔壁环状间隙，泥浆比重1.1～1.17，粘度25～28s。
7.结束语
总之，深孔绳索取芯钻进坍塌缩径地层时，应采取孔身结构预留储备口径、扩大钻柱环状间隙、及时正确判断岩层特性、配制和地层相匹配的泥浆等有效措施，按照正确的施工工艺进行操作。通过采取上述措施后，做到“坍塌不塌、缩径不缩”，快速穿过坍塌缩径复杂地层。
参考文献：
[1] 王英,刘炳志. 绳索取芯钻进工艺中防斜措施的探讨[J]. 山东煤炭科技. 2008(01)
[2] 郭启东. 浅谈煤田绳索取芯钻进的技术[J]. 科技信息(科学教研). 2008(15)
论文作者:王冬勇
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第4期
论文发表时间:2016/8/19
标签：地层论文; 岩层论文; 泥浆论文; 绳索论文; 钻杆论文; 作用论文; 技术论文; 《低碳地产》2015年第4期论文;