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[摘 要]介绍宁夏彭阳草庙地区砂砾岩地层中岩心钻探施工方法，针对砾岩地层胶结松散，胶结成份含石英、硅质成份，可钻性级别较煤系地层高，单管钻具及普通复合片片钻头施工中出现钻效低、采取率较低等问题，通过改用绳索取心单动双管钻具及孕镶金刚石钻头结合提钻法施工，改进后岩心较少堵塞，满管率高，加长钻具及内管长度4.5米，为提钻法采取岩心方法进行了很好的尝试，为今后在砾岩地层丰富钻进手段提供经验积累。
[关键词]砾岩地层 胶结松散 绳索取心钻具 提钻法 坚硬打滑 采取率
中图分类号：O587 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0086-02
1、工程概况和地质概况
1.1 工程概况
彭阳草庙地区是由宁夏地调院承担的铀矿地质调查项目，属煤田勘查区砂岩型铀矿调查与勘查示范项目。2016年设计工作量1035米，设计钻孔2个，设计孔深分别为480米和555米，设计倾角均为90°，工期为90天，由宁夏回族自治区核工业地质勘查院承担钻探施工，实际施工日期85天。
1.2 调查区概况
工作区位于宁夏东南部的彭阳县及其以东地区，涉及罗洼乡、王洼乡、草庙乡、小岔乡、冯庄乡等五个乡镇。行政区划属宁夏回族自治区彭阳县管辖。区内多为黄土高原，多呈梁峁沟壑地形，沟谷纵横交错，下切深度达50至500米。沿沟谷两侧，坡陡险峻，多形成黄土陡坎，黄土流失严重。黄土丘陵相对高差50至100米，局部达200米。
1.3 钻探技术要求与地层情况
主要依据调查孔及煤田钻孔已发现的放射性异常为线索，结合对侏罗系直罗组含矿岩系的厚度、埋深、沉积体系、砂体特征、后生蚀变等的系统研究。设计钻孔为直孔，终孔孔径110mm。全孔取心，全钻孔岩心平均采取率不得低于65%，设计的目标层段采取率不低于75%，矿心采取率不小于85%。
上部地层为第四系黄土层，厚度在15-100米之间，含钙质，与下伏白垩系地层呈角度不整合接触。下部為泥岩砂岩为一套干旱炎热气候条件下的山麓相堆积，主要由粗碎屑岩（砾岩、砂砾岩）组成。岩性为灰白、灰、紫红色厚层砾岩，砾石成份主要为石英、硅质岩，砾径2-20厘米不等，厚度在100-450米之间。
1.4 砾岩地层特点
（1）泥质胶结差，在碎岩过程中破坏胶结，硬质成份形成掉块容易造成卡钻事故。
（2）砾岩由石英、硅质岩等成份组成，砾径在2-20厘米，可钻性达到9-10级，硬度高，钻进效率低。
（3）砾岩地层与上部地层呈不整合接触，胶结松散，易造成地层渗漏与漏失，造成冲洗液渗漏情况严重，冲洗液消耗较大。
2、钻进方法与钻进工艺
2.1 钻探设备及钻具配备情况
该工作区采用张家口探矿厂生产的XY-6B型钻机，配17米A字型塔，泥浆泵为NBW260/7型。钻机动力为113KW6105型柴油机，发电机组为56KW4105柴油发电机组。钻具配备为单动单管钻具，长度4-9米，使用钻头为四齿金刚石复合片钻头，口径为Ф113mm。遇矿层采用取煤单动双管钻具，口径为Ф110mm，长度为2.50米。钻杆为Ф50mm普通钻杆，配备了800米钻杆。
2.2 冲洗液技术对策
针对黄土层接触带上的漏失，漏失位置在3-70米，漏失孔深较浅。钻机施工中采用了使用粘土块敲碎后加剧末和适量的高分子量纤维素在地面拌均匀后，将拌好堵漏材料用铁锹填入孔内约3-5米高后，下钻挤压夯实后，慢速开泵用钻杆带钻具缓慢给进搅拌孔内堵漏材料，类似用泥抹漏失孔段，经反复挤压、搅拌，在粘土、剧末、纤维素的共同作用下，形成具有网状高聚物结构的泥皮封堵住接触带上的漏失通道。经反复挤压堵漏，孔口缓缓有泥浆上返出来，但在正常钻进中一定要保证泥浆性能，不能将泥浆性能调节的太低，要保证足够的固相含量和粘度，粘度应控制在25 S以上。
正常钻进时的泥浆采用低固相泥浆，每方清水中加入25-50公斤优质钠土，加3-5公斤纤维素，加0.5公斤火碱，加3-5公斤植物胶。纤维素用高速搅拌机高速搅拌好保证完全没有颗粒后加入挑好泥浆，并充分搅拌保证泥浆粘度在25S以上。形成泥浆性能为粘度25-30S，PH值7-9，失水量8-10ml/30min，比重1.05-1.10g/cm3 ，含砂量小于3%。此泥浆配方能较好满足砾岩地层中的钻探施工需要，当泥浆粘度、比重较大时，可每方泥浆量加入0-15公斤腐植酸钾进行稀释。
2.3 钻探施工情况
先施工ZK101-1孔，钻具采用单动单管钻具，钻头为四齿金刚石复合片钻头。终孔深度485.06米，从2016年9月8日至10月12日，施工天数为34天，台月效率为427.94米。提下钻数达到185回次，平均进尺14.26米/天，全孔采取率77.55%。钻压选择为15KN，转数170-400转/分，泵量20-35升/分。
2.3.1存在的技术难题
（1）地层中出现砾岩地层较厚，自123米连续出现该地层，层厚达250米。含石英、硅质岩成份，硬度达到9-10级，回次钻进效率低，平均钻速为0.8-1.1米/小时。
（2）使用单动单管钻具，岩心采取率较低。复合片钻头切削、冲击碎岩作用对砾岩地层的破坏较大，再加上胶结性较差，掉块较多。造成个别孔段，因砾岩胶结松散，采取率较低。加上泥浆的冲刷作用造成个别回次仅有不到50%采取率，难以达到地质要求。操作中为了保证回次采取率，9米长岩心管仅进尺1-2米，提钻捞心。提下钻时间太长，造成辅助时间在钻进时间中所占比例太大。
（3）矿层采用煤用单动双管钻具配合四齿复合片钻头，出现钻速慢、岩心采取率不高等质量问题，对提高岩心采取率效果不强，钻机操作人员对使用该钻具没有信心，改为八齿复合片钻头后，钻效有提高但岩心采取率没有明显提高。究其原因是复合片钻头碎岩机理同时有切削与冲击作用容易破坏砾岩胶结，减少岩心的完整性，岩心破碎率大，而岩心管无法装载粒度较碎的砾岩岩心，同时由于单管钻具不能封闭泥浆对岩心的冲刷，从而造成因冲刷作用岩心管中岩心，导致采取率偏低。 2.3.2技术对策
钻具：单动单管钻具更换为绳索取心意动双管钻具，钻具长度4.20米，内管长度3米。后更换为5.7米钻具，内管长度4.5米长。
钻头：金刚石复合片钻头更换为孕镶金刚石钻头，环齿形，HRC30-40，钻头口径Ф96。
施工方法：提钻法，绳索钻具+普通钻杆。
钻进参数为：转数250-400转/分，钻压10-16KN，泵量20-40升/分。
终孔深度为617.73米，施工时间为2016年10月21日至12月10日，扣除两次孔内事故20天，实际用时为30天时间。自70米至323.38米，用3米长岩心内管取心（钻具总长4.20米），253.38米孔段回次数为96个回次，回次进尺长度为2.64米/回次。针对施工中3米长内管很少发生岩心堵塞现象，打满3米的情况很多，决定将岩心管增加到4.5米长，323.38米到617.13米，回次自122至184共62回次，平均回次长度达4.52米/回次，基本上能够实现每回次岩心满管。钻孔施工情况对比见表1。
3、结论
（1）绳索取心钻具加普通钻杆提钻法进行钻进是一种“土洋结合”的施工方法，在草庙项目砾岩地层中使用这种方法施工，辅助时间占比较大，但将钻具及内管适当加长，钻效也能够得到提高。绳索取心一般为3米长内管，将内管增加到4.5米長内管后使用表明：回次进尺增加，钻进效率提高，岩心采取率也能够保障。而使用绳索取心钻进时，遇地层较完整时，也可适当加长钻具和内管长度，可提高回次效率，减少辅助时间。使用单动双管钻具能减少了泥浆对岩心的冲刷，提高了岩矿心采取率。采用绳索取心钻进中因环空间隙小，造成泵压高的特点，对钻探效率影响较大。采用绳索取心钻具与普通钻杆提钻法施工，钻孔内的环空较大，泵压不高，有利于钻探施工。提钻法施工在孔深在300米以内时，钻探效率比绳钻法效率还要高。在特殊地层中，绳钻法施工特别困难时，采用提钻法施工复杂地层也是钻探施工的一种尝试。在砾岩地层中，采用内管长4.5米或更长取心钻具和钻杆，能充分发挥提钻法在用绳索取心钻具后岩心堵塞较长少和长回次进尺的优点。
（2）砾岩地层中应尽量减少扩孔，使用金刚石复合片钻头扩孔易造成胶结破坏，石英质、硅岩成分脱落形成一定直径的坚硬掉块，易造卡钻事故。孕镶金刚石钻头没有出刃，碎岩机理为磨削、研磨碎岩，回转平稳，没有冲击破碎作用，因此对胶结较差的砾岩地层破坏较少，从而保证钻进中砾岩取心中能够保持较大的块状，有利于岩心管内采取岩心。金刚石复合片钻头因出刃较高，因切削和冲击破坏作用较强，破坏了砾岩地层的胶结状态，砾岩地层胶结破坏后，形成了大小不等的块状，直径较小，不利于岩心管内装载，又因泥浆冲刷和钻具振动造成取心效果较差。所以在砾岩地层中采用孕镶金刚石钻头取心，所采取岩心的完整率高，保证了采取率。
参考文献
[1] 广西441地质队提高岩旷心采取率的经验总结[J].探矿工程（岩土钻掘工程）
[2] 王晓雷，刘治国，吕晓磊.沙吉海煤矿砾岩层砾石粒度及强度特征分析[J].煤矿开采，2012，17（2）：26-28.
[3] 符济民.长孔段不稳定复杂地层裸眼钻进施工经验[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1991（6）：53-53.
[4] 张建华.西部地区砾石层钻井难点及对策[J].石油钻探技术，2006，34（3）：84-86.
[5] 易贵华，朱玉锋，王飞，谢正森，康克利.新疆油田西北缘地区砾岩取心工艺技术探讨[J].新疆石油学院学报，2010（4）：27-31.
[6] 柳宗惠，米旺迷.卵砾石地层大口径钻进工艺[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1984（2）：39-41.
[7] 王建国.砾岩层钻进[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1960（6）.
[8] 庄科生.人造金刚石孕镶钻头在中硬白云岩中钻进体会[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1985（2）：封3-封4.
作者简介：
曹学斌，1973年12月生，工程师，长期从事岩心钻探施工。
[关键词]砾岩地层 胶结松散 绳索取心钻具 提钻法 坚硬打滑 采取率
中图分类号：O587 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0086-02
1、工程概况和地质概况
1.1 工程概况
彭阳草庙地区是由宁夏地调院承担的铀矿地质调查项目，属煤田勘查区砂岩型铀矿调查与勘查示范项目。2016年设计工作量1035米，设计钻孔2个，设计孔深分别为480米和555米，设计倾角均为90°，工期为90天，由宁夏回族自治区核工业地质勘查院承担钻探施工，实际施工日期85天。
1.2 调查区概况
工作区位于宁夏东南部的彭阳县及其以东地区，涉及罗洼乡、王洼乡、草庙乡、小岔乡、冯庄乡等五个乡镇。行政区划属宁夏回族自治区彭阳县管辖。区内多为黄土高原，多呈梁峁沟壑地形，沟谷纵横交错，下切深度达50至500米。沿沟谷两侧，坡陡险峻，多形成黄土陡坎，黄土流失严重。黄土丘陵相对高差50至100米，局部达200米。
1.3 钻探技术要求与地层情况
主要依据调查孔及煤田钻孔已发现的放射性异常为线索，结合对侏罗系直罗组含矿岩系的厚度、埋深、沉积体系、砂体特征、后生蚀变等的系统研究。设计钻孔为直孔，终孔孔径110mm。全孔取心，全钻孔岩心平均采取率不得低于65%，设计的目标层段采取率不低于75%，矿心采取率不小于85%。
上部地层为第四系黄土层，厚度在15-100米之间，含钙质，与下伏白垩系地层呈角度不整合接触。下部為泥岩砂岩为一套干旱炎热气候条件下的山麓相堆积，主要由粗碎屑岩（砾岩、砂砾岩）组成。岩性为灰白、灰、紫红色厚层砾岩，砾石成份主要为石英、硅质岩，砾径2-20厘米不等，厚度在100-450米之间。
1.4 砾岩地层特点
（1）泥质胶结差，在碎岩过程中破坏胶结，硬质成份形成掉块容易造成卡钻事故。
（2）砾岩由石英、硅质岩等成份组成，砾径在2-20厘米，可钻性达到9-10级，硬度高，钻进效率低。
（3）砾岩地层与上部地层呈不整合接触，胶结松散，易造成地层渗漏与漏失，造成冲洗液渗漏情况严重，冲洗液消耗较大。
2、钻进方法与钻进工艺
2.1 钻探设备及钻具配备情况
该工作区采用张家口探矿厂生产的XY-6B型钻机，配17米A字型塔，泥浆泵为NBW260/7型。钻机动力为113KW6105型柴油机，发电机组为56KW4105柴油发电机组。钻具配备为单动单管钻具，长度4-9米，使用钻头为四齿金刚石复合片钻头，口径为Ф113mm。遇矿层采用取煤单动双管钻具，口径为Ф110mm，长度为2.50米。钻杆为Ф50mm普通钻杆，配备了800米钻杆。
2.2 冲洗液技术对策
针对黄土层接触带上的漏失，漏失位置在3-70米，漏失孔深较浅。钻机施工中采用了使用粘土块敲碎后加剧末和适量的高分子量纤维素在地面拌均匀后，将拌好堵漏材料用铁锹填入孔内约3-5米高后，下钻挤压夯实后，慢速开泵用钻杆带钻具缓慢给进搅拌孔内堵漏材料，类似用泥抹漏失孔段，经反复挤压、搅拌，在粘土、剧末、纤维素的共同作用下，形成具有网状高聚物结构的泥皮封堵住接触带上的漏失通道。经反复挤压堵漏，孔口缓缓有泥浆上返出来，但在正常钻进中一定要保证泥浆性能，不能将泥浆性能调节的太低，要保证足够的固相含量和粘度，粘度应控制在25 S以上。
正常钻进时的泥浆采用低固相泥浆，每方清水中加入25-50公斤优质钠土，加3-5公斤纤维素，加0.5公斤火碱，加3-5公斤植物胶。纤维素用高速搅拌机高速搅拌好保证完全没有颗粒后加入挑好泥浆，并充分搅拌保证泥浆粘度在25S以上。形成泥浆性能为粘度25-30S，PH值7-9，失水量8-10ml/30min，比重1.05-1.10g/cm3 ，含砂量小于3%。此泥浆配方能较好满足砾岩地层中的钻探施工需要，当泥浆粘度、比重较大时，可每方泥浆量加入0-15公斤腐植酸钾进行稀释。
2.3 钻探施工情况
先施工ZK101-1孔，钻具采用单动单管钻具，钻头为四齿金刚石复合片钻头。终孔深度485.06米，从2016年9月8日至10月12日，施工天数为34天，台月效率为427.94米。提下钻数达到185回次，平均进尺14.26米/天，全孔采取率77.55%。钻压选择为15KN，转数170-400转/分，泵量20-35升/分。
2.3.1存在的技术难题
（1）地层中出现砾岩地层较厚，自123米连续出现该地层，层厚达250米。含石英、硅质岩成份，硬度达到9-10级，回次钻进效率低，平均钻速为0.8-1.1米/小时。
（2）使用单动单管钻具，岩心采取率较低。复合片钻头切削、冲击碎岩作用对砾岩地层的破坏较大，再加上胶结性较差，掉块较多。造成个别孔段，因砾岩胶结松散，采取率较低。加上泥浆的冲刷作用造成个别回次仅有不到50%采取率，难以达到地质要求。操作中为了保证回次采取率，9米长岩心管仅进尺1-2米，提钻捞心。提下钻时间太长，造成辅助时间在钻进时间中所占比例太大。
（3）矿层采用煤用单动双管钻具配合四齿复合片钻头，出现钻速慢、岩心采取率不高等质量问题，对提高岩心采取率效果不强，钻机操作人员对使用该钻具没有信心，改为八齿复合片钻头后，钻效有提高但岩心采取率没有明显提高。究其原因是复合片钻头碎岩机理同时有切削与冲击作用容易破坏砾岩胶结，减少岩心的完整性，岩心破碎率大，而岩心管无法装载粒度较碎的砾岩岩心，同时由于单管钻具不能封闭泥浆对岩心的冲刷，从而造成因冲刷作用岩心管中岩心，导致采取率偏低。 2.3.2技术对策
钻具：单动单管钻具更换为绳索取心意动双管钻具，钻具长度4.20米，内管长度3米。后更换为5.7米钻具，内管长度4.5米长。
钻头：金刚石复合片钻头更换为孕镶金刚石钻头，环齿形，HRC30-40，钻头口径Ф96。
施工方法：提钻法，绳索钻具+普通钻杆。
钻进参数为：转数250-400转/分，钻压10-16KN，泵量20-40升/分。
终孔深度为617.73米，施工时间为2016年10月21日至12月10日，扣除两次孔内事故20天，实际用时为30天时间。自70米至323.38米，用3米长岩心内管取心（钻具总长4.20米），253.38米孔段回次数为96个回次，回次进尺长度为2.64米/回次。针对施工中3米长内管很少发生岩心堵塞现象，打满3米的情况很多，决定将岩心管增加到4.5米长，323.38米到617.13米，回次自122至184共62回次，平均回次长度达4.52米/回次，基本上能够实现每回次岩心满管。钻孔施工情况对比见表1。
3、结论
（1）绳索取心钻具加普通钻杆提钻法进行钻进是一种“土洋结合”的施工方法，在草庙项目砾岩地层中使用这种方法施工，辅助时间占比较大，但将钻具及内管适当加长，钻效也能够得到提高。绳索取心一般为3米长内管，将内管增加到4.5米長内管后使用表明：回次进尺增加，钻进效率提高，岩心采取率也能够保障。而使用绳索取心钻进时，遇地层较完整时，也可适当加长钻具和内管长度，可提高回次效率，减少辅助时间。使用单动双管钻具能减少了泥浆对岩心的冲刷，提高了岩矿心采取率。采用绳索取心钻进中因环空间隙小，造成泵压高的特点，对钻探效率影响较大。采用绳索取心钻具与普通钻杆提钻法施工，钻孔内的环空较大，泵压不高，有利于钻探施工。提钻法施工在孔深在300米以内时，钻探效率比绳钻法效率还要高。在特殊地层中，绳钻法施工特别困难时，采用提钻法施工复杂地层也是钻探施工的一种尝试。在砾岩地层中，采用内管长4.5米或更长取心钻具和钻杆，能充分发挥提钻法在用绳索取心钻具后岩心堵塞较长少和长回次进尺的优点。
（2）砾岩地层中应尽量减少扩孔，使用金刚石复合片钻头扩孔易造成胶结破坏，石英质、硅岩成分脱落形成一定直径的坚硬掉块，易造卡钻事故。孕镶金刚石钻头没有出刃，碎岩机理为磨削、研磨碎岩，回转平稳，没有冲击破碎作用，因此对胶结较差的砾岩地层破坏较少，从而保证钻进中砾岩取心中能够保持较大的块状，有利于岩心管内采取岩心。金刚石复合片钻头因出刃较高，因切削和冲击破坏作用较强，破坏了砾岩地层的胶结状态，砾岩地层胶结破坏后，形成了大小不等的块状，直径较小，不利于岩心管内装载，又因泥浆冲刷和钻具振动造成取心效果较差。所以在砾岩地层中采用孕镶金刚石钻头取心，所采取岩心的完整率高，保证了采取率。
参考文献
[1] 广西441地质队提高岩旷心采取率的经验总结[J].探矿工程（岩土钻掘工程）
[2] 王晓雷，刘治国，吕晓磊.沙吉海煤矿砾岩层砾石粒度及强度特征分析[J].煤矿开采，2012，17（2）：26-28.
[3] 符济民.长孔段不稳定复杂地层裸眼钻进施工经验[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1991（6）：53-53.
[4] 张建华.西部地区砾石层钻井难点及对策[J].石油钻探技术，2006，34（3）：84-86.
[5] 易贵华，朱玉锋，王飞，谢正森，康克利.新疆油田西北缘地区砾岩取心工艺技术探讨[J].新疆石油学院学报，2010（4）：27-31.
[6] 柳宗惠，米旺迷.卵砾石地层大口径钻进工艺[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1984（2）：39-41.
[7] 王建国.砾岩层钻进[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1960（6）.
[8] 庄科生.人造金刚石孕镶钻头在中硬白云岩中钻进体会[J].探矿工程（岩土钻掘工程），1985（2）：封3-封4.
作者简介：
曹学斌，1973年12月生，工程师，长期从事岩心钻探施工。