试论软弱易冲蚀地层钻探施工技术

【摘 要】软弱易冲蚀地层是钻探施工中常见的一种地层。这种地层岩石较为松软和破碎，内管进入前即可被冲洗液冲蚀，即便内管已经进入也可能发生空管现象。由于软弱易冲蚀地层岩心采取率低而造成钻孔报废的现象更是屡次发生。本文以豫西地区矿区为研究对象，简要阐述了矿区的情况，分析了软弱易冲蚀地层钻探施工中的难题，并提出了解决这些问题的技术手段，旨在提高软弱易冲蚀地层岩矿心的采取率。

【关键词】软弱易冲蚀地层；岩矿心采取率；超前侧喷无泵钻具

由于软弱易冲蚀地层复杂的地层和易破碎的性质，导致该地层的岩心钻探异常困难。我国对该类地层钻探取心的研究已经取得了很好的成绩，在大量的实践和研究，我国钻探工作者总结施工技术方案，并研制了多种取样器、绳索取心钻具，如单管、单管喷反、双管以及无泵钻具等。虽然软弱易冲蚀地层岩心钻探取心的质量较好，但是，岩心采取率仍然不理想，仍需要我们不断探索该地层钻探的技术方法。

1 矿区情况

豫西地区矿区的地层多由矿层、灰岩层和炭质泥岩层构成。由于受到灰岩层强烈的风化作用和挤压，岩层发生断裂，产生大量的裂隙，导致岩石质地松软，易破碎，进而降低了地层的承力能力。在钻探过程中，钻孔更是频频发生垮塌，进而导致孔内事故的发生。在豫西矿区钻探施工中，曾出现提钻“封门”等令人惋惜的事故。

由于炭质泥岩位于矿层顶层，一旦发生垮塌，就会污染矿层岩心。以铝土矿为例，铝土矿疏松且易碎，脆性很大，不仅会在钻进中被碾碎，还可与冲洗液融合成泥糊，进而被冲蚀掉，从而使岩矿心的采取更加艰难。未改进技术前，所完成钻孔的矿心采取率远远不能达到地质设计的要求。

2 矿区钻探施工中存在的问题

目前，在豫西矿区钻探施工面临三大难题，亟待我们探索解决问题的技术措施。

（1）护壁困难。由于软弱易冲蚀地层的岩石结构过于疏松，导致孔壁的稳定性很差，导致提钻“封门”的问题屡次发生。

（2）取心率低。因为该地层岩石的特性，所以导致岩心已经冲洗液结合，未进入内管就已被冲蚀。即使岩心进入了内管，也无法卡牢，并在管内上部水压和自身重力的作用下滑落，导致岩心打捞量有限 。

（3）矿心污染。由于矿层中存在多层矿物，如铝土矿为灰白色的土状，而炭质灰岩则呈现黑，两者中任一方坍塌都可互相污染，这对地质编录、评价的干扰较为明显。

3 软弱易冲蚀地层钻探技术对策

3.1 改善护壁技术

3.1.1 泥浆护壁

对返水孔使用泥浆护壁。在钻进过程中，可利用造浆性能好的膨润土提高护壁效果，为此，应控制泥浆中固相的含量，保持（3%～ 5%）的原浆粘土含量，这样可提高钻进的效率。为保证护壁和提粘的效果，并产生选择性絮凝作用，可使用HPAM进行护壁，分子量为300～500 万为宜。同时选择水解聚丙烯腈降失水（或Na-CMC ）与少量天然植物胶及防塌剂混合，混入泥浆。此外，应在上述泥浆中加入皂化油或剂（约0. 5% ～1.0%），可有效改善泥浆的性，保证钻进过程中钻具金刚石钻头可顺利钻入[1]。

3.1.2 跟管钻进

采取跟管钻进工艺，可解决由于孔壁稳定性不够，导致泥浆护壁失败的问题，避免进一步的漏失。因此，在钻进2～5 m时，就要检查一次是否存在坍塌迹象，若存在，就将绳索钻杆（大一级）或套管送至孔底，然后继续钻进。

3.1.3 水泥护壁

因井段井径和深度限制套管护壁操作时，应实行人工造壁。护壁措施为：向井壁灌注水泥浆液，利用水泥良好的胶结性能，使水泥浆液与井壁凝结成较高强度的结石，从而使井壁的坚固性提高。在水泥浆液中加入一定的速凝剂，可减少水泥的凝结时间[1]。

3.2 提升取心技术

3.2.1 干烧

将钻进时的水量降到最小，避免冲洗液的冲蚀作用。取心前，停水干钻5 min或全程干钻，再打捞内管。为防止发生烧钻的现象，要每隔几分钟就提动一下钻具，保持轻压慢转。这种方法的优势是取心率较高（>85%），但是却破坏了岩心原生结构。

3.2.2 绳索取心无泵钻具与超前侧喷钻头组合

使用绳索取心无泵钻具，配合超前侧喷钻头，可显著提高岩心采取率。

这种钻具的构成为：内管总成由绳索取心钻具内管总成除去内管和卡簧座、卡簧，换接绳索取心无泵钻具内管及无泵接手，内管分为 2 节，下节长约1米，由无泵接手将上下两节内管连结起来，与普通绳索取心内管的长度相比，上下内管加无泵接手的总长相差不大。这种组合模式，可在不提大钻的基础上，进行互换普通绳索取心钻具与绳索取心无泵钻具的操作。保持原有外管总成，只需更换钻头为超前侧喷钻头[2]。

超前侧喷钻头对冲洗液流向进行了控制和改变。首先，因为钻头侧面喷出冲洗液，所以保证了冲洗液无法冲蚀已经进入钻头的岩矿心；其次，未进入钻头的岩矿心在钻头超前部分下方被罩住，冲洗液的流速减缓，使得钻头前部岩矿石被保护起来；最后，由于内管长度缩短，再加上上部液体被无泵接手隔离，使得岩矿心上部水压下降明显，岩心采取率因此提高。钻进取心至破碎、软弱地层时，卡簧作用基本消失，此时借助爪簧在岩心上行张开和下行收拢的力量，保持岩心单方向的进入。

无泵钻具与绳索取心钻具的配合，可有效稳定孔壁，在保证岩矿心采取率的基础上，进一步提升钻进效率，使施工难度下降。若软弱易冲蚀地层极易破碎，那么使用绳索取心无泵钻具配合超前侧喷钻头的工艺，可在正常钻进参数下完成用钻进，却无需增加其他钻探设备，就可提升采取率至90%。

3.3 防止矿心污染的措施

3.3.1 孔底打捞岩矿心

要确保矿心不会被污染，就要保证在加钻杆和打捞岩心时，钻头始终处于孔底。在施工中发现，钻头不离开孔底方法有两个。

（1）主动钻杆采用绳索取心钻杆，无论是加钻杆时，还是打捞岩矿心时，都要卸掉水接头，打捞器从主动钻杆上部放下进行打捞。

（2）选择使用短钻杆（1米长）。需准备短杆2到4 根，钻杆公母接手10个，易反接手1个。进入矿层后，应立即在主动钻杆下面接上易反接手，并观察矿层以上返出的冲洗液的颜色。钻杆长度利用短钻杆、钻杆接手、易反接手进行调节，只要确保主动钻杆在地面以上，就可确保钻头处于孔底位置。

3.3.2 做好护壁再钻进

在钻探施工中，一旦到达含矿层的顶板，就要立即提出钻具，做好上部孔壁护壁后（套管或水泥），可进入含矿层钻探。对矿层上部围岩进行固定和保护后，掉块污染矿心的问题就可解决。

4 结束语

综上所述，我们仍要不断探索软弱易冲蚀地层的岩心钻探技术和工艺。为此，我们应在实践和研究中，积极试验新方法和新工艺，并准确标定各种技术（工艺）的适应范围，