张国财

(吉林省地矿勘察设计研究院，吉林 长春　130061)

漠河煤系地层取心钻探施工技术

张国财

(吉林省地矿勘察设计研究院，吉林 长春130061)

摘要：本文分析了影响取心钻探施工效果的关键技术问题，包括钻孔结构和套管程序设计、取心钻进工艺方法、钻杆柱、冲洗液等，以及施工中采取的措施。

关键词:取心；煤层；套管；钻杆柱；冲洗液

1施工简介

根据之前的漠河地质资料了解到，工程位于漠河盆地大地构造上处于褶皱弧与褶皱带交汇处，盆地结构复杂，基底断裂，壳断裂，岩石圈断裂发育，地层空间关系复杂。施工地层主要以泥岩、砂岩、砂砾岩和碎屑岩层等为主，属于煤系地层，导致钻探孔施工难度加大。钻探孔是以找煤为目的地质钻孔，孔深1500～1800m。

漠河地区煤系地层复杂，实施深孔取心钻探施工需要解决好以下几个问题：①钻孔结构、套管程序和钻具级配问题；②取心钻进方法的选用；③合理选择钻杆和液动锤等配套机具，缩短施工期以利于孔壁稳定；④采用的冲洗液必须具有抑制泥岩膨胀和稳定砂砾层的作用，并配备除砂器。

2主要施工机具

在漠河地区煤系地层实施取心钻探施工中，主要采用了：①XY-6B型立轴式岩心钻机；②BW-250型高压泥浆泵；③ 深孔用绳索取心钻杆及钻具；④ 绳索取心液动锤；⑤ 除砂器；⑥SQ114绳索取心动力钳等设备机具。其中，整体热处理的倒勾扣型深孔高强度绳索钻杆、高效率的绳索取心液动锤、确保起下钻效率的绳索钻杆动力钳、保证冲洗液质量的小型除砂器等专用器具均为在该地区实施煤系地层深孔取心钻探而专门配置的。

3钻孔结构及管具级配

施工中的钻孔结构、套管程序和钻具级配问题直接关系着钻进施工能否达到预期目标、施工效率和成本，是钻探施工中的基本工艺环节。开孔∅108mm、终孔∅59mm的孔身结构适合于1500m以内的常规金属矿钻孔设计，而对于煤系地层的深孔或特深孔来说，存在着以下问题：

(1)钻孔环状间隙小，循环阻力大，泵压高；

(2)环状间隙小导致压力波动大，孔壁稳定性变差和钻孔漏失的可能性增加；

(3)煤系地层间隙小阻力大，钻杆强度不足；

(4)套管环状间隙小，复杂地层下套管困难。

在漠河实施取心钻孔过程中，围绕着钻孔结构、钻套管程序，遵循的原则和采取的措施主要有：

(1)加大各种间隙，包括套管环空间隙和钻杆环空间隙，这涉及钻具级配问题。确定钻具级配遵循的原则是：钻头与套管之间的间隙应保证钻具在套管内顺利下人孔内；套管环空间隙应考虑在较复杂的地层条件下下套管和固井的可能性；

(2)钻杆环空间隙应有利于降低深钻施工时钻孔与钻杆环空的压降。根据此原则和施工经验，对三个间隙的建议取值范围是：上一级套管与下一级钻头的间隙≥1.5mm；套管环空间隙≥3mm；钻杆环空间隙≥3.5mm；绳索取心内管通过接头间隙≥1.5mm。通过加大接头壁厚来提高钻杆柱的强度。

(3)本地区采用的钻孔结构(图1)：① 开孔为∅130mm，终孔∅77.5mm的三级结构，增大口径；②将∅76mm钻头的口径扩大到∅77.5mm，增大环空，防止泵压过高使冲洗液强行压入部分软弱泥层，破坏孔壁稳定造成孔壁坍塌；③储备一级小口径∅59mm作为安全储备。

图1　钻孔结构示意图

4取心钻进方法

长期以来，本单位与其他兄弟单位在漠河及附近地区实施深孔取心钻探的常用工艺方法有：① 提钻取心方法；② 液动锤/提钻取心方法；③ 绳索取心方法；④ 液动锤/绳索取方法；⑤ 不提钻换钻头方法。在长期工程施工中，根据积累的钻探经验，我们对这些方法进行了一些技术经济学分析(见表1，图2)，结论如下：

就岩心钻探的实际效果来说，深孔不适用于提钻取心；液动锤钻进方法在增加机械钻速方面效果比较显著，是一种高效和经济的钻进方法；对于深孔取心钻进，应优先考虑液动锤/绳索取心方法。本工程进行提钻取心钻进时，还采用液动锤来加大回次钻进长度，可弥补提钻次数多、辅助时间长的不足。液动锤是本地区岩心钻探优先选择的钻进方法。

表1　不同取心钻进方法硬岩钻进的技术指标

图5　不同方法的钻进施工时间比较

5深孔绳索钻杆

绳索取心钻杆柱是地质深钻施工最关键的一个技术环节，对施工效果、安全性和经济性有显著的影响。随着钻孔深度的加深，钻具断裂事故时有发生，因此，对钻杆柱强度、质量要求也越来越高。针对本工程的地质钻孔实际情况，特需解决取心钻杆的强度、连接等技术难题，采取的措施有：

(1)采用强度高、韧性好的合金管材；

(2)加大钻杆接头厚度，优化钻杆螺纹连接，对称梯形螺纹和负角度梯形螺纹，钻杆的抗拉强度和密封性显著提高；

(3)对管体进行热处理，使其机械性能得到改善；

(4)采用组合式钻杆柱(上部强度较高、重量较大的钻杆柱+下部强度较低、重量较小的钻杆柱)，以减轻钻杆柱的总重量；

(5)改善钻杆柱的拧卸，采用SQ114/8型液压钻杆钳进行快速机械化拧卸，准确把握预拧紧扭矩与卸扣扭矩，不仅提高了施工效率，降低劳动强度，还对绳索取心钻杆起到了很好的保护作用。

6冲洗液

作为 “循环血液”的钻孔冲洗液，在煤系深孔施工中尤其重要，我们采取措施有：

(1)采用长春工程学院研制的PA、PB冲洗液、腐植酸钾和氯化钾配合使用。PA、PB冲洗液由6种化学物混合而成，其中起主要作用的是聚乙烯醇和两种交联剂。这种冲洗液的特点是形成链接的聚乙烯醇迅速吸附在固体表面形成薄而致密的膜，对破碎带地层和松散砂砾层的护壁效果很好；而腐植酸钾和氯化钾对泥岩层的水化膨胀有良好的抑制作用。

(2)冲洗液配方为(在1m3冲洗液中各种材料的用量按kg计)：PA∶PB∶腐植酸钾∶氯化钾=0.8∶0.2∶2∶2。

(3)冲洗液的性能指标为：漏斗黏度20～22s；比重1.02～1.04；滤失量小于15mL/30min。

(4)下入∅89mm套管之后如果地层较完整较硬而且无软弱松散层时上述化学材料用量可减少20%～50%。

(5)钻进过程中采用小型除砂器不断的清除冲洗液中的泥砂，确保冲洗液护壁性能的同时节省泥浆材料。

7钻进工艺措施

(1)采用∅130mm硬质合金钻头钻进20～30m，彻底穿过松散覆盖层之后，投泥球下入∅127mm套管；用∅96mm鱼脊环槽式聚晶金刚石钻头加绳索取心液动锤钻进到可钻性大于Ⅳ级的完整砂岩后下入∅89mm套管，套管深度在100～400m范围内选择，套管底部和孔壁之间用水泥和黏土各半混合的球挤压封闭；之后，采用∅77.5mm孕镶金刚石钻头和绳索取心液动锤钻进到终孔。孕镶金刚石钻头应选择粗粒、中等胎体硬度，即：金刚石粒度46目；胎体硬度HRC30～40。

(2)在选择钻进参数时要充分发挥液动锤钻进的优越性，采用中等钻压和低转速，即：钻头压力10kN左右；转速不超过400r/min；泵量52～90L/min。液动锤钻进不仅能减轻岩心堵塞从而提高岩心采取率、增加回次进尺长度和钻进效率，而且能够大幅度减少钻孔弯曲，可以确保钻孔弯曲度控制在一定范围之内。

(3)为防止孔内事故的措施有：① 回次终了提出主动钻杆之后方能停泵，以免过早停泵在提出主动钻杆过程中产生抽吸作用造成孔壁坍塌；② 提钻和取心提内管总成的过程中必须坚持往孔内回灌冲洗液；③ 切忌在蹩泵的情况下来回扫孔，造成冲洗液强行挤进软弱地层中破坏孔壁稳定；④ 取心操作：先停车，之后晃车，边晃车边用立轴上顶，最后停车用立轴将钻具缓慢下放到孔底以检查取心效果，避免回次终了只用立轴上顶而致使取内管总成过程中卡簧底部漏出的岩心掉落在钻杆内，内管总成下不到位造成提大钻；⑤ 细心观察岩心，遇松散、软弱等不稳定地层及时采取措施，提高冲洗液的防塌性能以保证孔内安全。

8结语

在漠河地区煤系地层实施深孔取心钻探难度大、成本高，影响施工效果的主要因素有钻孔结构和套管程序设计、取心钻进工艺方法、深孔取心钻杆柱和复杂地层钻进技术等。在工程实践中，通过以上几个方面积累施工经验，不断优化钻孔设计、工艺方法及具体的施工措施，选择优质的深孔配套装置，为在漠河地区获得更优质的深孔取心钻探施工效果奠定良好的基础。

收稿日期：2016-02-12

作者简介：张国财(1974-)，男，吉林长春人，吉林省地矿勘察设计研究院，高级工程师，主要从事基础工程、探矿工程、地质灾害治理技术管理工作，吉林省长春市南昌路120号329室，Tel：18643363108，E-mail：646879048@qq.com。

中图分类号:P634.5

文献标识码：A

文章编号：1009-282X(2016)03-0037-03