岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺探讨

摘要：在地质钻探实践中，复杂地层钻孔护孔及堵漏作业是重中之重，如复杂地层组钻孔及护孔质量不高，会制约影响到地质钻探的效率。针对复杂地层的护孔作业，较为常用的是岩芯钻探中的泥浆护孔方案，借助于泥浆护孔和化学冲洗液的结合，可以有效突破及解决复杂地层中易发的涌水、膨胀、坍塌等问题。本文结合相关案例，探究复杂地层中岩芯钻探的护孔工艺方案。

Abstract： Complex formation drilling hole protection and plugging is a top priority in the geological drilling practice. If the complex formation hole drilling and protection quality is poor， it will affect the efficiency of geological drilling. For complex formation hole operation， the commonly used solution is mud protection in core drilling， which can effectively solve the problems like water burst， expansion and collapse in complex formation by mud hole protection and chemical washing fluid. Combined with related cases， this article explores the core drilling hole protection solution in complex formation.

关键词：岩芯钻探；复杂地层；护孔；探讨

Key words： core drilling；complex formation；hole protection；discuss

中图分类号：P634.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）14-0169-02

0 引言

水文地质钻探实践中，涉及到较为复杂的地层结构，如高承压水、松散、漏失严重、破碎地层，在进行地质钻探时既耗费较大成本，又极易引发钻孔报废[1]。原有的传统泥浆护孔的方法在复杂地层钻探中的应有效果不理想，通过简化钻孔结构、选用配方比例科学合理的化学冲洗液、严格控制钻孔顶角角度及钻机转数等钻孔及护孔工艺，可以有效提高复杂地层岩芯钻探及护孔质量。

1 岩芯钻探中复杂地层含义及复杂地层钻孔环节引发孔壁失稳的因素分析

1.1 岩芯钻探中复杂地层概述

岩芯钻探中的复杂地层主要指的是在物理作用，化学作用及地质构造因素的制约影响下，所形成的一种地层存在状态。在复杂地层中开展岩芯钻探活动，受制于其构造属性等因素，钻探时较易出现漏失、涌水及坍塌等现象。当钻孔出现涌水、漏失及坍塌时，钻探冲洗液循环受阻，会引发钻孔孔径的膨胀或缩小，最终带来钻孔安全隐患，出现终钻及钻孔作废。

1.2 引发复杂地层孔壁失稳的相关因素分析

1.2.1 复杂地层岩石性质

复杂地层孔壁失稳和复杂地层岩石性质存在较强的关联性，一般而言，岩石的硬性指标较高时，钻探作业时，孔壁失稳的几率较小；岩石属于粘土及岩盐地层性质时，由于其具备较强的水敏感性及水溶性，在与水相遇时，其发生膨胀的可能性大增，相应地就会带来孔壁孔径增大，缩小，导致孔壁失稳乃至坍塌。

1.2.2 地下水状态

如地下水在运动状态及贮存埋藏方面的运动及分布规律，会对复杂地层的钻探孔壁稳定性产生重要影响[2]。地下水活动情况既关系到岩芯钻探中复杂地层的压力大小，也关系到钻孔冲洗液能否得以有效循环，对涌水、漏水、孔壁坍塌也有直接影响。

1.2.3 内动力及外动力因素下的地质作用

复杂地层涉及到地壳运动、变质作用及岩浆作用等内动力性质的地质作用力，也存在因成岩、剥蚀、堆积、风化等外动力性质的地质作用，两种地质作用的共同作用下，会使复杂地层出现裂隙、溶隙及空隙等，当复杂地层的沉积物及堆积物堵塞各类隙缝时，也会引起孔壁失稳、涌水、漏失等钻孔隐患。

2 结合案例，探究岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺方案

2.1 案例概述

某铁矿区以出产磁铁矿为主，为探明矿储量，该地区地矿局等相关部门布置了18台钻机，针对矿区进行了岩芯钻探作业。钻探孔深设定在1100-1200m之间，矿区地层有10°-20°大小的倾角，在顶角大小上，勘察要求为终孔顶角不能大于2°。在根据地层的复杂情况确定对应的护孔方案后，该矿区钻探量，即进尺量最终达到83286.46m，共钻孔72个，优良等级钻孔数量为70个，另2个为合格等级钻孔，钻孔平均孔深深度为1156.8m，深度最高值达到1308.26m，纯钻作业占比40.35%，钻孔效率为2.24m/h，岩芯钻探采取率均值为98.58%。

在该矿区地层构造中，其主要地层类型有安山岩，土质以亚粘土及耕植土为主、凝灰岩、粉砂岩、粗安岩、角砾岩、绿泥石岩、石英岩等。地层构造复杂，岩石坚硬等级为中硬或坚硬，其具备的岩芯钻探可钻性为6-10级不等，岩石致密性好，钻孔的钻进速度较为缓慢，且需较频繁的提钻，在岩石取芯上难度大。此外，在地层深度较深时，钻孔中发生冲洗液漏失及涌水、卡钻现象的频率较高。

2.2 岩芯钻探中复杂地层护孔工艺的比对及选择

2.2.1 钻机设备及工具

钻机采用XY-5型，钻探采用SG-18（23）型，泥浆泵选取NBB-60（250）型，选用陀螺测斜仪及双管钻具，在绳索取芯的钻杆（具）上采用了75S型及？准70mm的加厚钻杆（具）。

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2.2.2 钻孔结构

在钻孔结构上根据钻孔的深度、钻孔的终孔口径及钻探区域地层状况加以确定，确保达到钻孔结构简化而又不失安全性。该案例中的钻孔结构设置情况为：口径开孔确定为？准130mm，在岩石风化层4-5m处设置孔口管，规格为？准127mm，在钻探作业时采用？准110mm的钻孔口径，钻研施工地层状况趋于稳定时，钻孔口径变径为？准90mm，并下入套管进行导向，套管规格为？准108mm，最后采用绳索取芯钻，规格为？准75mm，完成终孔作业。

2.2.3 选用冲洗液

在岩石覆盖层上，护孔泥浆的比例配比为1000kg（清水）：45kg（高阳土）：1.4kg（纯碱）：0.8kg（剂）：1kg（腐植酸钾）。确定出比重为1.04，PH值为8.5，泥浆粘度为24″。在地层较为破碎松散处，采用1m3的H2O：2.5kg的PAM：1.6kg的防塌剂：3.6kg的护壁水剂：1.8kg的剂等配比的无固相冲洗液。在针对完整地层的护孔泥浆配比作业时，采用1m3的H2O：2.6kg的PAM：1.3kg的NaOH：1kg的剂。在应对具有漏失危害的复杂地层时，主要在泥浆配比的前提下，加入803及PAM干粉等堵漏剂的方式，将冲洗液进行均匀搅拌，最后借助钻孔钻杆送入漏失地层。

2.2.4 确定钻进方式及各项钻进参数

在该矿区的钻进方式上，将终孔口径确定为？准75mm，完整性较好的地层采用900-1300kg的钻进压力（P），确定其转数（N）为472-983r/min，以65-88L/minQ为泵量（Q）；破碎地层的相关数据如下：P=450-900kg，N=658-886r/min，Q=45-64L/min；松散地层的钻进参数为：P=350-580kg，N=306-487r/min，Q=38-50L/min。为提高钻孔的防斜质量，钻孔作业时将钻孔换径次数加以减少，并采取分级扩孔方式，适度增高钻进转数，以控制钻具的离心力大小[3]。（表1）

2.2.5 复杂地层的钻孔封堵及护孔

在该矿区的钻孔护孔作业中，由于漏失及涌水概率极高，技术人员对比了化学泥浆堵漏、泥浆护孔与堵漏剂结合、套管隔离等方法后，又采用了砂浆堵漏的方式。砂浆堵漏配方按照水、水泥、NaCl、粉细砂、减水剂、三乙醇胺等进行比例配比而成。而在终孔封孔、堵漏封闭及超径封闭中，又采用平衡封孔注浆法、相对平衡封孔注浆法、不平衡封孔注浆法等方案，并对钻机钻速进行了对比，确定出效率最高的钻进方案及封堵护孔方案。

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3 结语

涉及到复杂地层岩芯钻探护孔工艺选择时，要对区域地层情况加以全面了解，然后选用相应的护孔设计方案。在进行复杂地层钻孔护孔时，可对泥浆配方加以因地制宜地调配，然后着重提高钻机具钻进转数，以取得最优的钻孔及护孔效果。

参考文献：

[1]姜同升，胡章雄，翁克胜，等.安徽泥河铁矿复杂地层岩芯钻探施工工艺[J].西部探矿工程，2011（4）：52-55.

[2]刘曼，张宁.浅析岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺[J].大科技，2015（10）：171-172.

[3]齐波，牛文明，张一飞，等.滨海新区钻探取芯技术的改良及应用[J].工程勘察，2011，39（12）：25-27，76.