漂卵石地层钻进工艺研究及孔内爆破试验

漂卵石地层钻探一直是施工中的难题，钻进过程中孔内经常出现漏浆、坍塌、掉块等现象，容易造成卡钻事故。尤其是钻进过程中孔内遇到大漂石，且出现漂石随钻头一起回转的情况，这在施工中非常少见，处理起来尤其困难。在洛阳吉利地区钻井施工过程中就遇到了这种情况，最后采用孔内定向爆破的方法，将漂石击碎，然后用岩芯管套取。这一方法成功地解决了施工中的难题，取得了较好的效果。

1.工程概况

该水井工程位于洛阳市吉利区雷河乡境内，洛阳吉利地区也是我国能源化工工业基地之一，该区处在黄河冲积扇上。卵砾石层十分发育，层厚从十几米到几十米不等，且粒径大，粒径在20-50cm的漂石也较为常见，因此，钻进过程中容易发生垮塌、漏浆、孔斜等事故，施工十分困难。

我们施工的钻孔上部十几米为黄土层所覆盖，下部主要为半胶结或无胶结的卵砾石层，孔深设计100米。

2.施工设备及钻具

施工中钻机采用SPJ-300型转盘钻机，泵采用BW850/20的泥浆泵，钻具使用φ89钻杆，下部接φ159钻铤4根，钻进时靠钻铤加压。钻头采用φ426岩芯管加焊肋骨合金块。肋骨合金块是把30mm厚的钢板割成长20cm宽6cm的的肋骨块，在一端铣出一个台面，把几个YG8的大八角合金用铜焊条焊在上面。靠近钻头底部，焊上些钢丝绳头，形成网兜状，方便取芯，防止被套取的岩芯脱落。

3.施工工艺

由于该孔主要为卵砾石地层，针对这种地层钻进的特点编制了施工组织设计，制定了相应的钻进工艺。

首先分析一下卵砾石层施工进尺的原理。由于卵砾石层具有一定的硬度，且该区域的卵砾石之间处于半胶结或无胶结状态，所以在压力和回转力的作用下，卵石之间容易生产相对滑移运动，钻进时可能会出现以下三种情况：

第一种情况是钻具回转的扭震力小于卵石间的挤压力，卵石块在钻头压住部分被剪切破碎，其中被套住的部分和周围的小卵砾石一起被套进岩心管钻头内，剪切后留在岩心管外的部分被挤入孔壁，从而钻头获得进尺。

第二种情况是钻具回转的扭震力大于卵石间的挤压力，如钻头压住卵石的边缘部分时，在压力作用下，卵石块边破碎边产生滑移，卵石块被挤压滑移到岩芯钻头内部或钻头被挤入孔壁，钻头都可以获得进尺。

这两种情况如下图所：

第三种情况是钻具回转的扭震力大于卵石块间的挤压力且钻头压住卵石块的中间部位时，且卵石块较大，岩芯管钻头无法套取，在钻头扭震力的钻用下，卵石块会随着钻头一起回转，钻头与卵石块同步运动，卵石块与卵石块之间形成相对运动，形成石头磨石头的现象，这样就没有进尺，无法继续钻进，必须采取相应的处理措施。如：进行孔内定向爆破或换冲击钻进行碎石。

3.1钻进工艺

根据以上分析的卵砾石层的钻进特性，决定采用大口径一次钻进成孔的施工工艺，用φ426岩芯管钻头一次成孔，如钻进顺利，中间不再变径，这样方便套取卵石，提高钻进效率，节约施工时间。开孔钻进时采用φ426短岩芯管轻压慢转，保证开孔要直。根据卵砾石层容易造成孔斜的特点，在钻进工艺上采用钻铤加压，加长粗径导向钻具，并在钻孔终孔下井管之前，用8米长的岩心管钻头进行通孔，保证钻孔的垂直度，有效地防止孔斜。在正常钻进过程中，用5米长的φ426岩芯管加焊合金肋骨块，做成合金肋骨钻头进行钻进，靠岩芯管钻头套取卵石取得进尺。钻进过程中钻具跳动严重，钻机负荷很大，经常有蹩车现象发生。

3.2泥浆工艺

为防止钻进过程中的漏浆、垮塌等现象的发生，在泥浆方面采用了PW植物胶泥浆做钻进液进行保护孔壁。经过在实验室的多次试验，试了十几组配方，最后选中了以下配方，作为现场使用的泥浆配方，按以下比例进行配浆。

因卵砾石地层漏浆严重，所以钻进时用的泥浆粘度比较高。现场配制时，先按上述比例将称好的Na2CO3加入装有温水的桶中，使其全部溶解，然后再按比例加入PW植物胶，边加入边搅拌。最后再把搅拌均匀后的植物胶碱溶液，慢慢注入泥浆池内，注入时一定要用搅拌机进行搅拌，至到搅拌均匀，然后测量泥浆各项指标。切记不可将植物胶碱溶液不经搅拌机搅拌直接倒入泥浆池。在施工过程中，根据孔内漏浆情况，在此配方的基础上适当调整。

3.3取心工艺

为了更好的捞取岩心，获取进尺，在岩心管底部水口上面7-10cm处，焊一圈破开的钢丝绳，把破开的丝绳焊成网状，钻进中卵石一旦进入岩心管，在提钻时就不易脱落。回次终了时，把泵量关到最小，再回转一会，尽量使岩心管内的石块和钢丝绳缠绕在一起，把岩心取出。为防止钢丝绳损坏或变形后贴靠在岩心管内壁，每个回次不宜过长，一般控制在两个小时左右。

3.4洗井工艺

为了方便洗井，投砾时，在含水层段所投砾料中加入明矾（流酸铝钾Kal(SO4)•12H2O）。明矾是硫酸钾和硫酸铝的复盐，它的凝聚作用主要是由Al2(SO4)3产生的。当明矾溶于水后，Al2(SO4)3因水解作用而产生Al(OH)3，硫酸铝还会和泥浆中含有的碳酸氢钙作用，生成氢氧化铝和硫酸钙。泥浆中的那些杂质，大部分都是带负电荷的胶粒，而氢氧化铝胶粒是带正电荷的，因此，带正电荷的氢氧化铝胶粒能中和水中胶状杂质所带的负电荷，于是这些杂质很快地就会跟氢氧化铝絮状物一起凝聚而下沉。这样PW植物胶形成的泥皮会很容易被破坏掉，解决洗井问题，提高了出水量。

在使用明矾之前，我们先在实验室进行试验，在PW植物胶泥浆形成的泥皮上滴上明矾溶液，很快就会发现致密光滑的泥皮开始变成松散状，一会又变成絮状物，放入出水絮状物很快就会沉淀，泥皮就这样被破坏掉了。有理论支撑又有实验结果，最后决定在投砾时加入明矾。

4施工中遇到的问题

该孔在23米以浅施工比较顺利，在施工到23时发现不进尺，提钻检查钻头，发现合金并没有怎么磨损。据当班班长描述，在钻进到23米时，钻机出现蹩车，扭矩非常大，钻机调到了最低转速。一会扭矩减小了，转动非常轻松，开始怀疑是钻杆断了，提钻检查钻具，发现钻具完好。但下钻后钻进仍不进尺，这样连续下了两趟钻，共钻进了两个多小时，都没有进尺。分析认为，可能遇到了卵石钻进中的第三种情况，即孔内可能遇到了大的漂石，漂石直径超过了岩心管内径，无法套取，且该漂石与周围的卵石处于半胶结或无胶结状态，当钻头的扭震力大于石块间的挤压力和摩擦力，被压住的漂石就随钻头一起回转，成了一块活石，钻头无法将其切割破碎，造成不进尺的现象。

5.解决方案

在分析上述原因后，我们决定采用孔内定向爆破技术，将该漂石爆碎，然后再用岩心管将碎块套取，捞出孔底。方案定了之后，在河北平山县一个军工厂，联系购买了2个5#爆破弹头，该弹头内装有25克炸药，并设计加工了与该弹头配套用的聚定定向发射器，通过雷管将弹头引爆。

在正式进行孔内爆破之前，我们先在地表做了一个实验。挖了一个1.5米左右深的坑，在发射器的聚能穴下面放了一块大石头，周围放了些小石块，用电瓶引爆雷管，进而引爆了发射器里的弹头。引爆时一声闷响，看到发射器跳起1米左右的高度，试验坑底的大石头变成了很多小碎块，由于聚能穴的作用，能量基本上是向下的冲力，周围的孔壁破坏不大，地表实验的效果非常理想。

为了能够在水下顺利引爆，即要把漂石击碎又防止把孔壁震塌，技术上要求第一水下密封一定要完好，确保安全引爆，第二要求定向发射器尽量置于钻孔的中心，因此在发射器周围加了两个扶正器，保证其在孔内对中。

在把发射器放入孔内之前，把弹头、雷管都安装好，用电缆线将雷管引出地面，检查所有的密封均完好，用钢丝绳把发射器送入孔底进行引爆。

整个定向爆破装置如下图所示。

6.结语

卵砾石地层由于其稳定性较差，在钻探施工过程中，钻孔容易生产漏浆、坍塌、掉块、孔斜等现象，因此施工难度非常大，其钻进工艺具有一定的借鉴意义。施工中如果遇到大的漂石，在钻头既无法套取又不能将其切割的情况下，孔内定向爆破技术的应用，成功的解决了这一施工中的技术难题，保证了施工的正常进行，解决了实际问题，具有一定的应用推广价值。

（作者单位：河南省探矿机械院河南 郑州 450053）