山东莱州吴一村ZK01科学钻孔钻探施工技术

2018-06-11栾国栋

钻探工程 2018年4期

栾国栋

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

1　概述

ZK01孔是山东省国土资源厅下达的2014年度省级地质勘查项目(鲁国土资字[2014]262号、鲁勘字[2014]11号)“山东省莱州市吴一村地区金矿普查”中科学钻探孔之一。主要目的是通过本次验证工作，追索控制焦家断裂带深部金矿(化)体赋存部位及产状、规模、矿石质量等特征，开展物探测井和科研工作。

2　地质概况

ZK01孔上部主要为砂质粘土、粉砂等第四系覆盖层，结构较松散，下部以闪长岩、辉长岩和花岗岩为主。局部地层较为破碎，部分孔段破碎蚀变严重，地层情况十分复杂。

主要地层岩性见表1。

3　钻孔基本情况

ZK01孔位于莱州市东北约27 km，西部紧邻西由镇。北起海北嘴，南到王贾村，西起西由镇，东到招贤。设计孔深3000 m，实际终孔孔深3266.06 m。

表1　ZK01孔地层岩性预测

ZK01孔钻探技术要求及完成情况见表2。

表2　ZK01孔钻探指标完成情况

4　主要钻探机具配套情况

ZK01孔施工中使用的主要机械设备见表3。ZK01孔施工中主要的钻具配套详见表4。

表3　主要机械设备

表4　主要钻杆、钻具配套

5　施工工艺概况

5.1　钻进方法及孔身结构

一开采用Ø175 mm双管取心钻具钻进至47.79 m，下入Ø168 mm套管48.00 m，水泥固井；

二开采用Ø150/122 mm绳索取心钻进工艺钻进至108.22 m，下入Ø140 mm套管108.50 m；

三开采用Ø122 mm绳索取心钻进工艺钻进至1206.34 m，下入Ø114 mm钻杆1206.60 m当套管；

四开采用Ø98 mm绳索取心钻进工艺钻进至终孔3266.06 m。ZK01孔孔身结构如图1所示。

5.2　钻进参数

钻压随孔深的增加而合理减小；受孔径、泥浆性能和钻孔弯曲度等因素影响，转速会随钻孔深度的增加而逐渐降低，尤其，在钻遇复杂地层时，转速不能过快，一般采用120～360 r/min；合理控制泵量，泵量过高会影响孔壁稳定，泵量过低会影响冲洗液的冷却及携屑效果。详细参数见表5。

5.3　冲洗液的使用

5.3.1一开孔段

图1　ZK01孔孔身结构

孔段/m孔径/mm钻压/kN转速/(r·min-1)流量/(L·min-1)泵压/MPa0～47.791752～880～120130～1500～147.79～108.221508～12200～400100～1301～2.5108.22～1206.3412215～20250～50090～1102.5～51206.34～3266.069818～25120～35060～905～10

本孔段(0～47.79 m)钻进地层为松软第四系地层，易发生漏失坍塌，且钻进中形成的岩屑颗粒相对较大，冲洗液要具较强的护壁、携屑能力以及较好的降失水性。

施工中采用了LBM泥浆体系，对第四系地层具有很好的抑制作用，形成的泥皮薄而致密，泥浆高切力的性能能够很好地起到携带岩粉、清理孔底的作用。

5.3.2二—四开孔段

本孔段(47.79～3266.06 m)地层相对完整，局部破碎，部分孔段蚀变破碎严重，孔径较大，回转阻力大，因此保持孔壁稳定、减小回转阻力及携带岩屑是主要解决的问题，因此现场采用了适用于绳索取心钻进工艺的双聚泥浆体系。

冲洗液配浆及维护处理剂：聚乙烯醇(PVA)+PAC141+复合润滑剂(GLUB)+聚丙烯酰胺(PHP)。钻遇破碎地层，可合理提高聚乙烯醇用量，提高护壁效果；孔内摩擦阻力较大，电流升高时，可适当增加防塌润滑剂的用量。

6　采用的钻探关键技术

6.1　HXY-9型钻机的现场使用

本次施工采用了HXY-9型钻机，HXY-9型岩心钻机是在HXY-8型钻机的基础上设计开发的新型深孔岩心勘探技术装备，为目前国内施工能力最强的立轴式岩心钻机，该钻机具有结构合理、成本低廉、便于维修等特点。但在钻探施工过程中，该钻机反映出一些不足。

6.1.1钻机转速参数的设置不合理

HXY-9型钻机主要用于深孔施工，钻机转速参数的设置应该依据孔身结构和钻具组合等因素。对于孔深>3000 m的钻孔，终孔孔径一般≮95 mm，配套使用的钻杆多以Ø89 mm为主，HXY-9型钻机高转速接近1000 r/min，设计过高。

6.1.2主卷扬提升能力不强

采用Ø89 mm钻杆钻进至3000 m孔深，钻杆在空气中的重力达600 kN。忽略孔内冲洗液浮力以及孔壁摩擦力影响，上提钻具的拉力>600 kN。HXY-9型钻机主卷扬的最大提升能力为640 kN，可以满足正常提下钻需求，但在处理卡钻事故等孔内复杂情况时，其提升能力不能满足处理孔内事故的需要。

6.1.3配套钻塔高度低

提下钻时间长短是影响深孔钻探钻进效率的主要因素之一。本次施工配套使用的A29-90t型钻塔，塔高29 m，钻柱立根长度18 m，上提3000 m钻杆需167次，增加钻塔高度，可降低提下立根的次数，节省提下钻时间，提高钻进效率。

6.2　深孔钻杆柱的配套

6.2.1薄壁钻铤的使用

为了保证钻孔的垂直度，施工前期采用了钻铤(图2)加压，施工至3000 m孔深时，因钻机提升能力等问题，改为传统的钻机加压钻进。钻铤加压，钻压来自于钻铤自重，可避免钻具弯曲，保证钻孔的垂直度，使套管顺利下入设计深度。

图2　钻铤

忽略钻具与孔壁间的摩擦力和冲洗液浮力的影响，传统的钻机加压钻进方式，整个钻柱承受压状态，减压钻进方式，整个钻柱承上部受拉、下部受压状态，传统钻具刚度不足，钻具在旋转时的离心力和弯曲力矩的共同作用下，极易在孔底产生弯曲变形，从而导致孔斜发生。

采用钻铤加压可以将钻柱的中和点控制在钻铤上，适当增加钻铤的刚度和长度，或在钻铤上部采用一段加重钻杆，可以有效地控制孔斜。

6.2.2组合钻杆柱的应用

ZK01孔终孔孔深3266.06 m，在孔深>3000 m之后，综合考虑上部钻杆的抗拉强度以及钻杆自重，对钻杆柱结构进行了调整，采用了上部使用API石油钻杆，下部配常规绳索取心钻杆的结构，既实现了绳索取心钻进，同时也保证了钻孔的安全施工，如图3所示。

6.3　LBM为主体的双聚泥浆体系

ZK01孔钻进至1700～1990 m孔段遇蚀变带(如图4)，孔壁发生坍塌，岩粉岩屑沉积，在每次起下钻时，都需要长时间的冲孔扫孔，严重影响了钻进效率，针对此情况，对钻井液进行了调整，采用了以LBM为主体的双聚泥浆体系，该泥浆体系具有较好的造壁性以及抑制性，确保了孔壁稳定。

图3　组合钻杆柱

图4　蚀变带地层岩心

冲洗液配方：1 m3水+35 kg LBM+6～10 kg铵盐+1～3 kg包被剂。

冲洗液性能：表观粘度18.5 mPa·s，动切力5.5 Pa，滤失量10 mL/30 min，泥皮薄而致密。

双聚泥浆体系具有对地层适应性强，造壁性、抑制性好及配制和维护方便等特点。

6.4　JS150/122绳索取心钻具的应用

二开孔段(47.79～108.22 m)钻进中采用了与唐山金石超硬材料有限公司联合研制的JS150/122绳索取心钻具(如图5)，该钻具外管外径140 mm，壁厚达到了19 mm，内管系统(弹卡总成、内管、卡簧、卡簧座)与JS122绳索取心钻具通用，配套使用Ø150 mm金刚石钻头，实现了Ø150 mm孔径绳索取心钻进，提高了钻进效率，但该钻具有过于笨重的不足。

6.5　影响绳索取心成功的因素

在本次施工中辅助时间占总钻时的53.4%，主要的辅助时间为绳索取心及提下钻的时间，每次取心失败都意味着重复多次取心，甚至是提钻取心，造成了辅助时间的增加。施工中最常见的导致取心失败的情况有提拉不动内管、绳索取心钢丝绳断裂等。

图5JS150/122绳索取心钻具结构

(1)提拉不动内管的原因多种多样，可分为上部卡阻和下部卡阻，上部卡阻可能是钻杆内落物，内管总成内轴承碎裂挤卡造成，需要加强人员管理，规范操作，防止钻杆内落物，每回次需仔细检查内管总成；下部卡阻可能是卡簧座碎裂，钻头内台阶和卡簧座间隙调节不当，采断岩心根部过大，底部冲洗液中岩粉过多挤死内管等原因，需根据现场情况，仔细排查，谨慎操作，在钻具下入孔内前仔细检查，合理调配泥浆，每次钻进完成后可慢速钻进，避免岩心根部过大，做到预防为主。

(2)绳索取心钢丝绳断裂是一种多见的钻探事故，虽然对钻探施工来说是一种小事故，但事故发生后如果处理方法不当，盲目处理，可能会诱发更大的叠加事故。选用防折破劲的优质钢丝绳，定期检查，发现问题及时更换，可避免此类事故的发生。其中，钢丝绳的断点多数在使用最频繁段，钢丝绳折断最危险的阶段是在孔深中点的长度范围内，需着重检查。孔内感觉异常时，切不可盲目处理，要仔细分析事故原因和一切可能性。