巩义西村井田勘探深孔钻探施工技术

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:subae
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  摘要:针对巩义西村井田深部找矿深孔钻探,选用的钻探设备和施工工艺。在复杂地层条件下,成功施工了两个孔深超过1700米的钻孔。介绍了深孔钻探的施工技术措施。
  关键词:深部钻探;钻具组合;低固相泥浆;技术措施
  中图分类号:C35文献标识码: A
  
  0引言
  2012年我公司根据集团公司发展趋势的需要,在巩义西村勘探区施工了5个孔深均超过1500m的深孔。其中两个最深的钻孔1040孔和1004孔设计孔深均超过1700m,由公司302钻机和307钻机分别施工。由于我公司以前施工的最深钻孔是1340m,还没有施工1700m以上深孔的钻进经验。这次在现有的钻探设备条件下,施工巩义西村深孔将是对我公司施工组织、钻进工艺、泥浆应用、设备使用等方面的一个考验。对此公司高度重视,多次组织技术部门进行研究、论证,制定了一系列的施工工艺、安全技术及组织管理措施。
  1工程概况
  根据地质设计要求,公司302、307钻机分别在巩义西村施工的1404孔和1004孔设计深度均超过1700m,是该勘探区设计最深的两个钻孔。两个钻孔的主要地层为:0~180m为粘土加卵砾石的第四系松散层;180~585m为三叠系的和尚沟组和刘家沟组的泥岩、砂岩互层,主要以金斗山砂岩为主;586~955m为二叠系石千峰组的泥岩、砂岩互层,主要以平顶山砂岩为主;956~1495m为二叠系的上石盒子组和下石盒子组的泥岩、砂岩互层,主要以田家沟砂岩和砂锅窑砂岩为主;1496~1700m为二叠系的山西组和石炭系的太原组,主要以香炭砂岩、大占砂岩、二1煤和L7灰为主,矿层预计在1680m左右。该孔设计平顶山砂岩及其以上地层不取芯,含煤地层全部取芯,其采取率具体要求为非煤地层(平顶山砂岩≥30%、二叠系≥60%);含煤地层(二叠系≥70%、太原组≥50%);煤芯长度采取率≥75%,重量采取率≥60%,参加验收的所有可采煤层优质合格率100%。采取的岩、煤芯应确保没有污染,编号后按顺序装箱,不得颠倒,凡0.1m大块煤芯均得编号。钻进过程中每100m测斜一次,孔斜率每100m不得超过1.5°,孔斜超限段必须进行纠斜。
  2钻探设备选择
  公司在当时的施工中,由于钻机施工中使用的是农用电,为了防止在施工过程中发生停电,而可能引起钻孔的卡钻、埋钻、粘钻等事故,每部钻机配备了一台6135AN柴油机,以备钻机在停电时用柴油机做动力进行施工。
  3、钻进工艺
  3.1一开钻进工艺
  钻孔上部180m主要是以卵砾石层为主,在钻进卵砾石层中施工不好会造成钻孔孔斜超标,给下一步的施工钻进造成很大的困难。一开钻进以防斜为主,在施工中采用了塔式钻具组合进行防斜钻进。
  3.2二开钻进工艺
  二开钻进采用厚皮长岩心管(φ89×6mm),大回次普通工艺钻进,以弥补在施工效率上的不足。出于这方面的考虑,二开采用一径到底的钻孔结构,普通钻进工艺,希望通过严格操作规程和完善施工设计,完成本次施工任务。二开钻具组合:φ94复合片、针状、金刚石钻头+φ89厚皮岩心管(6~7m)+φ83外平钻铤(3单根)+φ68钻铤(32单根)+φ60钻杆。钻进参数:钻压800~1200KN,转速75~150ran/min,沖洗液量250L/min。为了增大钻机的提升能力,孔深1000m时,动滑轮由单轮两股钢丝绳换为双轮四股钢丝绳。钻机电机由37KW换成45KW。在1300m后,把旧φ60钻杆全部换成新的φ50×6.5m加厚钻杆和新φ68接箍,有效防止了钻进中频繁出现的钻具断钻、脱钻现象。在施工到1500m后,深感钻机提升能力的不足,起钻缓慢,下钻刹车困难,卡芯时活动钻具吃力,如果孔内出现异常,很有可能拉不动钻具,造成孔内事故。为了进一步提高钻机的提升能力,减少事故发生率,根据钻孔的测斜情况(302、307钻机1500m测斜分别为8.6°和8.2°),去掉了φ83钻铤和大部分φ68钻铤,对钻具也进行了调整,钻具组合变为:φ94高肋骨复合片钻头+φ73厚皮岩心管(5~6m)+φ94螺丝头+φ68钻铤(3单根)+φ50钻杆。钻进参数:钻压400~800 KN,转速75 ran/min,冲洗液量150 L/min。
  4泥浆的使用和管理
  在深孔钻进中,用好泥浆是安全钻进的关键所在。在这次的施工中对泥浆的配制和使用,主要考虑以下几个问题:一是正常钻进时,如何配制优质泥浆,从而达到提高钻进效率,防止发生孔内事故的目的;二是在钻遇水敏性地层时如何提高泥浆的抑制性,以维护孔壁的稳定;三是使用的泥浆泵在钻孔深部钻进中,泵量和泵压都达不到施工要求情况下,怎样用好泥浆来保证孔底干净,防止岩粉沉淀,实现安全钻进。通过对泥浆合理的配制、使用和维护,使工程得以顺利完工。
  1.对泥浆管理的要求
  开孔前钻机准备两个3×3×1.5m泥浆池及一个2×2×1.5m泥浆池(用于堵漏泥浆调整)。泥浆循环槽的长度不得小于30m,循环槽内的小沉淀池不少于5个,每个小沉淀池必须设挡板以利于岩粉沉淀。每小班要及时清理岩粉,钻进中每天对泥浆性能进行测试,泥浆参数不符要求的要及时进行调整。
  2、一开泥浆的配制使用
  一开地层主要以卵砾石层和粘土为主,这种地层结构松散,胶结性差,配制的泥浆以防止卵砾石层坍塌、掉块为主。1号泥浆配方:15%膨润土+0.5%CMC+1%腐植酸钾+0.2%纯碱。腐植酸钾中的钾离子可以吸附井壁,防止井壁的坍塌、掉块。还可对泥浆起到降粘,改善泥浆的流动性,防止糊钻等作用。如果在卵砾石层钻进中已出现坍塌、掉块等现象则采用2号泥浆配方。在原泥浆的基础上加入重晶粉,提高钻井液柱对孔壁的压力,并加大腐植酸钾的比例来防止井壁的坍塌、掉块。2号泥浆配方:15%膨润土+15%重晶石粉+0.5%CMC+2%腐植酸钾+0.2%纯碱。
   3.二开泥浆的配制使用
  二开泥浆只有具备适当的密度,较低的失水量,较强的护壁性,良好地抑制性,才能保证深孔钻进的需要,防止钻孔发生缩径、坍塌、掉块等事故。所以在以前使用的不分散低固相泥浆基础上,通过反复实验,决定采用80A—51不分散低固相泥浆作为这次二开钻进的泥浆体系。这种泥浆具有较好的流变性、较强的悬浮和携带岩粉能力、抗污染、抑制页岩分散、降失水、护壁性能好,还具有较好的抗高温效果。其配方为:4~10%膨润土+0.05~0.1%80A—51+0.5%CMC+0.5%防塌润滑剂+0.3%纯碱。配制顺序:膨润土(搅拌机充分搅拌)→纯碱(和膨润土一起搅拌)→防塌润滑剂(搅拌机充分搅拌)→CMC(预水化,搅拌机搅拌)→80A—51(预水化,搅拌机搅拌)。加入的高分子化合物,原则是先加入分子量小的,后加入分子量大的,并且要充分预水化。在配制、使用泥浆过程中,可以根据孔内情况,岩层的岩性,对泥浆的性能适当调整,随着钻孔的延伸,逐渐提高泥浆的粘度、密度。使泥浆具有足够的悬浮和携带岩粉能力,防止孔内岩粉沉淀,保证孔底干净。
  4.漏失地层泥浆的使用
  (1)在岩石裂隙小,漏失不严重,孔口有部分返浆的孔段,一般只需在原泥浆基础上加大80A—51和膨润土用量,提高泥浆的粘度、切力,并加入801随钻堵漏剂,循环钻进一段时间即可将漏失地层堵住。
  (2)在漏失严重,孔口不返浆的孔段,采用添加堵漏剂和锯木屑进行堵漏,其配比为原浆+0.15%80A—51+2%803大裂隙堵漏剂+15%锯木屑。
  (3)由于堵漏的泥浆粘度高、切力大会影响钻进效率,堵漏成功后,要对泥浆进行调整,使其泥浆恢复到堵漏前的性能。
  六、施工上出现的问题及对策
  钻机施工到1550m后,出现的最大问题是泵量小,泵压大(4档250L/min,开不开泵,改为3档泵量130L/min、泵压5MPa钻进)。尤其施工到1600m以后这个问题更加突出,泵压一度达到了6.5MPa,给施工造成很大的安全隐患。从施工工艺方面来讲,钻孔越深,泵量应该越大,使之有足够的携带岩粉能力,以保持孔底干净,防止发生事故。但是适合于深孔钻进的泥浆泵还没有到位,只能另想办法。经过研究和参考其他深孔钻进的工艺决定:(1)往泥浆中加入高效润滑剂来减少泥浆上返的摩擦阻力;(2)适当降低泥浆的粘度、比重来降低泵压;(3)控制回次进尺,减少岩心堵塞和磨损,来降低泵压和产生的岩粉。根据对泥浆参数的总结和每次下钻支底的孔内岩粉沉淀情况,每立方米泥浆加入了10kg高效润滑剂并把泥浆性能调整为漏斗粘度28S、比重1.18g/cm3、失水量8mL/30min、含沙量<3%、PH值8。在以后的施工中泵量保持在120L/min,泵压5.5MPa左右,通过每次钻进前的支底,孔底岩粉一直没有超过0.2m,使钻孔得以顺利完工。
  七、钻进施工中的注意事项
  1.精心组织施工。严格按操作规程和施工设计组织施工,采用合理的钻进技术参数,在钻进同一地层时,各班的钻进参数要保持一致,交接班时要把孔内情况、钻具使用情况,泥浆使用情况及其它情况交代清楚。
   2.合理选用钻头。二开由于是一径到底,钻进的砂岩大多胶结致密,石英含量高,硬度较大,尤其是金斗山砂岩和平顶山砂岩,对钻具和钻头的磨损比较严重,这就需要合理的选用钻头,做好钻头的“排队”使用。对于坚硬致密石英含量高的岩层,一般采用热压孕镶金刚石钻头,胎体硬度控制在HRC40左右,下入之前用砂轮或硝酸对钻头进行适当处理可以提高钻进效率。对于硬度不大,完整的地层,采用针状合金钻头钻进。随着钻孔深度的增加,对于普通钻进来讲,起下钻所用的辅助时间占施工时间比例很大,因此为尽量减少起下钻次数,本次施工采用了了加厚的长岩心管,钻头采用阶梯形的高肋骨复合片钻头,延长了在孔底的使用寿命,从而增加了纯钻进时间,减少辅助时间。
  3.坚持钻具检查制度。不合格的钻具严禁下入孔内。由于该孔属于深孔钻孔,在施工到1300m后,全部换成加厚的φ50mm新钻杆和φ68mm新接箍以保证钻具性能能满足施工要求。起钻时认真检查钻具的使用情况和磨损程度,特别是在后期钻进中,钻孔深,泵压高,上部的钻具受拉较大,孔内扭矩大,钻具容易出现跑水,烧钻等事故。每次起钻要认真检查钻具的每一个联接部位,下钻时要做好接头的密封工作,缠麻或棉线,防止接头处跑浆。配整立根钻具时,要提前检查钻具丝扣,不符合要求的钻具禁止下入孔内。
  4.控制好起下钻速度。钻具提升越快,对孔壁产生的抽吸作用越强,容易引起孔壁坍塌、掉块和钻孔漏失,钻具下降過快产生的压力激动过大,容易压裂地层,一方面会加剧钻孔地层漏失,另一方面泥浆在动压下失水量增加,孔壁会更不稳定,所以一定要控制好起下钻的速度,匀速的起下钻。
  八、总结
  通过这次深孔钻进的施工,使我们积累了一些钻进工艺经验,为以后施工深孔钻进打下了基础。但我们也深感这次施工设备能力的不足。虽然在现有的设备条件下施工了两个深孔,但是这两个深孔的下部钻进是以降低钻进效率,增加钻探成本和工人劳动强度为代价的,所以施工深孔或超深孔时必须要有相配套的设备。钻机的提升能力、扭矩,泥浆泵的泵压、泵量要达到钻进工艺要求,附属设备也要与深孔钻进相配套,才能保证深孔钻进的安全施工,提高钻进效率,防止孔内各类事故的发生。
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