论文部分内容阅读
摘 要：地质勘查钻探工作经常会遇到一些复杂地层，这些地层的稳定性相对较差，在钻孔过程中极可能出现坍塌、落块甚至钻头烧毁的情况，为了保证钻探效果，需要引入相应的护孔工艺。本文讨论了复杂地层的内涵及影响钻探的因素，同时结合工程实例，对护孔工艺的应用进行了探讨。
关键词：岩芯钻探；复杂地层；护孔工艺
前言：岩芯钻探是矿产地质勘查中一种比较常用的勘探手段，主要是利用筒状钻头以及配套的钻具，在空地沿圆周环状进行岩石的破碎，保留中心部分的岩心，用以进行地质以及矿产情况的分析和研究。在地质岩芯钻探中，一旦遭遇复杂地层，不仅会给钻孔作业带来很大影响，还可能引发烧钻问题，影响钻探的效果，需要得到足够的重视。
1 岩芯钻探中的复杂地层问题
复杂地层是指在物理化学作用或者地质作用的影响下，形成了一种地层结构，相比较普通地层而言，这些地层的性质比较特殊，如松散地层、破碎地层、高承压水地层等，稳定性较差，如果需要在这样的地层中开展钻探工作，不仅难度大大增加，而且在钻探过程中还容易出现涌水、漏失以及坍塌等问题，影响钻孔冲洗液的循环，进而影响钻探工作的顺利进行。
在复杂地层中，影响钻孔稳定性的因素主要有几种，一是岩石性质，通常来讲，岩石本身的硬性指标越高，则稳定性越好，如果其属于岩盐地层，则由于本身较强的水溶性，在遇水时可能会出现膨胀，导致钻孔孔径的缩小，引发失稳乃至坍塌问题；二是地下水状态，无论是贮藏、分布还是运动状态，地下水都会对复杂地层中的岩芯钻探工作造成影响，其不仅关系着冲洗液的有效循环，关系着地层压力，还影响着涌水、漏水等现象；三是力的作用，如地壳运动、岩浆作用等内力作用，以及剥蚀、风化、堆积等外力作用，在两者的共同影响下，复杂地层中会出现溶隙、裂隙等，而如果缝隙中填充有堆积物或者沉积物，可能会导致涌水和漏水等问题[1]。
2 岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺
2.1工程概况
某矿区在开展矿产勘探时，在整个矿区内布设了18台钻机，希望能够通过岩芯钻探的方式，查明矿区内矿产的储量。设计钻孔深度1100-1200m，钻孔效率2.24m/h，设计钻孔72个。对矿区内的地层结构进行分析，主要包括耕植土、灰岩、粉砂岩、石英岩等，地质构造复杂，岩石比较坚硬，致密性好，不仅在很大程度上影响了钻进的速度，而且在钻进过程中很容易出现涌水、卡钻以及孔壁坍塌等问题。对此，需要引入相应的护孔工艺，以保证良好的钻探效果。
2.2护孔工艺
（1）设备与工具选择：采用XY-5型钻机，SG-18型钻探，NBB-60型泥浆泵，搭配双管钻具以及陀螺测斜仪，为了保证钻探效果，在绳索取芯钻的钻具上设置75S型加厚钻具，并对所有的设备进行维护，确保其质量稳定，状态良好。
（2）钻孔结构设置：从钻孔的深度、孔径以及区域内地层状况进行综合分析，必须在充分简化钻孔结构，提高钻探效率的前提下，保证钻孔的安全性和稳定性。在该工程中，口径开孔设计为130mm，在风化层的4-5m处设置127mm的孔口管，结合110mm钻孔口径进行钻探作业。当穿过复杂地层后，钻孔口径缩减到90mm，同时利用108mm套管进行导向，以75mm绳索取芯钻进行取芯，完成钻孔作业。
（3）冲洗液选择：冲洗液对于钻孔作业的影响是非常巨大的，必须得到足够的重视。该案例中，岩石覆盖层上采用的泥浆按照水：高阳土：纯碱：腐植酸钾：润滑剂等于1000：45：1.4：1：0.8的比例配置，最终得到的泥浆呈碱性，PH值8.5，粘度24，出比重为1.04；而在破碎地层或者松散地层的位置，需要按照水：PAM：防塌剂：护壁水剂：润滑剂等于1000：2.5：1.6：3.6：1.8的比例，配置出无固相冲洗液，以保证良好的护壁效果；对于完整地层，冲泥浆的配置比例为水：PAM：NaOH：润滑剂等于1000：2.6：1.3：1。而如果发现复杂地层中存在漏失风险，则需要在上述泥浆配比的基础上，加入PAM干粉或者803堵漏剂，均匀搅拌后，利用钻杆，将冲洗液送入到漏失位置[2]。
（4）钻孔钻进作业：在开展钻孔钻进作业前，需要结合地层状况，对钻进的方式进行合理选择，同时通过计算分析，确定相应的钻进参数，以保证良好的钻进效果。之前提到，在该矿区中，最后的终孔作业采用的是规格为75mm的绳索取芯钻，也就是说终孔口径为75mm；在部分相对完整的地层中，设计钻进压力为900-1300kg，钻机转速控制在472-983r/min，泥浆泵的泵量为65-88L/minQ；在松散地層，设计钻进压力为350-580kg，钻机转速306-487 r/min，泥浆泵的泵量为38-58L/minQ；在破碎地层，设计钻进压力为450-900kg，钻机转速658-886r/min，泥浆泵的泵量为45-64L/minQ。同时，在钻进过程中，为了保证钻孔效果，避免出现倾斜问题，应该尽可能减少钻孔换径的次数，在条件允许的情况下，采用分级扩孔的方式，适当提高钻机转速，对离心力的大小进行合理控制。
（5）钻孔封堵与护孔：在岩芯钻探过程中，一些复杂地层的钻孔出现了涌水以及漏失等问题，而且概率较高，不仅使得钻孔孔壁出现了损坏和坍塌，而且在很大程度上影响了钻探的最终结果。为了对这些问题进行有效处理，组织专家技术人员进行了现场分析，针对地层的特点，设计出了多种不同的护孔堵漏方案，包括泥浆护孔、套管隔离、化学泥浆堵漏等，并对其预期效果进行了对比，最终决定采用成本适中，效果最佳的砂浆堵漏方法，按照一定的比例，将水泥、NaCl、减水剂、三乙醇胺、粉细砂等加水混合而成，需要对砂浆的配比进行严格控制，以确保良好的封堵效果。同时，在堵漏封闭、超径封闭以及终孔封孔中，引入了平衡封孔注浆法、相对平衡封孔注浆法、不平衡封孔注浆法等方法，对比钻机的实际转速，最终确定了效率最佳的钻进方案以及封堵护孔方案[3]。
3 结语
总而言之，在地质勘查以及矿产勘探中，岩芯钻探是一种比较常见的勘探技术，勘探效果良好，通过钻出的岩芯，可以直观了解地层结构以深度的变化。而如果在复杂地层中，岩芯钻探容易遇到漏失、涌水等问题，继而导致钻孔的坍塌和损毁，为了保证良好的钻探效果，需要结合地质勘查数据，选择合理的护孔工艺，对钻孔进行保护，为勘探工作提供一个准确可靠的结果。
参考文献
[1]朱卫红.岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺探究[J].科技经济导刊，2016，（2）：98.
[2]曾广晖.试论岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺[J].中华民居（下旬刊），2012，（12）：217-218.
[3]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）：77-78.
关键词：岩芯钻探；复杂地层；护孔工艺
前言：岩芯钻探是矿产地质勘查中一种比较常用的勘探手段，主要是利用筒状钻头以及配套的钻具，在空地沿圆周环状进行岩石的破碎，保留中心部分的岩心，用以进行地质以及矿产情况的分析和研究。在地质岩芯钻探中，一旦遭遇复杂地层，不仅会给钻孔作业带来很大影响，还可能引发烧钻问题，影响钻探的效果，需要得到足够的重视。
1 岩芯钻探中的复杂地层问题
复杂地层是指在物理化学作用或者地质作用的影响下，形成了一种地层结构，相比较普通地层而言，这些地层的性质比较特殊，如松散地层、破碎地层、高承压水地层等，稳定性较差，如果需要在这样的地层中开展钻探工作，不仅难度大大增加，而且在钻探过程中还容易出现涌水、漏失以及坍塌等问题，影响钻孔冲洗液的循环，进而影响钻探工作的顺利进行。
在复杂地层中，影响钻孔稳定性的因素主要有几种，一是岩石性质，通常来讲，岩石本身的硬性指标越高，则稳定性越好，如果其属于岩盐地层，则由于本身较强的水溶性，在遇水时可能会出现膨胀，导致钻孔孔径的缩小，引发失稳乃至坍塌问题；二是地下水状态，无论是贮藏、分布还是运动状态，地下水都会对复杂地层中的岩芯钻探工作造成影响，其不仅关系着冲洗液的有效循环，关系着地层压力，还影响着涌水、漏水等现象；三是力的作用，如地壳运动、岩浆作用等内力作用，以及剥蚀、风化、堆积等外力作用，在两者的共同影响下，复杂地层中会出现溶隙、裂隙等，而如果缝隙中填充有堆积物或者沉积物，可能会导致涌水和漏水等问题[1]。
2 岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺
2.1工程概况
某矿区在开展矿产勘探时，在整个矿区内布设了18台钻机，希望能够通过岩芯钻探的方式，查明矿区内矿产的储量。设计钻孔深度1100-1200m，钻孔效率2.24m/h，设计钻孔72个。对矿区内的地层结构进行分析，主要包括耕植土、灰岩、粉砂岩、石英岩等，地质构造复杂，岩石比较坚硬，致密性好，不仅在很大程度上影响了钻进的速度，而且在钻进过程中很容易出现涌水、卡钻以及孔壁坍塌等问题。对此，需要引入相应的护孔工艺，以保证良好的钻探效果。
2.2护孔工艺
（1）设备与工具选择：采用XY-5型钻机，SG-18型钻探，NBB-60型泥浆泵，搭配双管钻具以及陀螺测斜仪，为了保证钻探效果，在绳索取芯钻的钻具上设置75S型加厚钻具，并对所有的设备进行维护，确保其质量稳定，状态良好。
（2）钻孔结构设置：从钻孔的深度、孔径以及区域内地层状况进行综合分析，必须在充分简化钻孔结构，提高钻探效率的前提下，保证钻孔的安全性和稳定性。在该工程中，口径开孔设计为130mm，在风化层的4-5m处设置127mm的孔口管，结合110mm钻孔口径进行钻探作业。当穿过复杂地层后，钻孔口径缩减到90mm，同时利用108mm套管进行导向，以75mm绳索取芯钻进行取芯，完成钻孔作业。
（3）冲洗液选择：冲洗液对于钻孔作业的影响是非常巨大的，必须得到足够的重视。该案例中，岩石覆盖层上采用的泥浆按照水：高阳土：纯碱：腐植酸钾：润滑剂等于1000：45：1.4：1：0.8的比例配置，最终得到的泥浆呈碱性，PH值8.5，粘度24，出比重为1.04；而在破碎地层或者松散地层的位置，需要按照水：PAM：防塌剂：护壁水剂：润滑剂等于1000：2.5：1.6：3.6：1.8的比例，配置出无固相冲洗液，以保证良好的护壁效果；对于完整地层，冲泥浆的配置比例为水：PAM：NaOH：润滑剂等于1000：2.6：1.3：1。而如果发现复杂地层中存在漏失风险，则需要在上述泥浆配比的基础上，加入PAM干粉或者803堵漏剂，均匀搅拌后，利用钻杆，将冲洗液送入到漏失位置[2]。
（4）钻孔钻进作业：在开展钻孔钻进作业前，需要结合地层状况，对钻进的方式进行合理选择，同时通过计算分析，确定相应的钻进参数，以保证良好的钻进效果。之前提到，在该矿区中，最后的终孔作业采用的是规格为75mm的绳索取芯钻，也就是说终孔口径为75mm；在部分相对完整的地层中，设计钻进压力为900-1300kg，钻机转速控制在472-983r/min，泥浆泵的泵量为65-88L/minQ；在松散地層，设计钻进压力为350-580kg，钻机转速306-487 r/min，泥浆泵的泵量为38-58L/minQ；在破碎地层，设计钻进压力为450-900kg，钻机转速658-886r/min，泥浆泵的泵量为45-64L/minQ。同时，在钻进过程中，为了保证钻孔效果，避免出现倾斜问题，应该尽可能减少钻孔换径的次数，在条件允许的情况下，采用分级扩孔的方式，适当提高钻机转速，对离心力的大小进行合理控制。
（5）钻孔封堵与护孔：在岩芯钻探过程中，一些复杂地层的钻孔出现了涌水以及漏失等问题，而且概率较高，不仅使得钻孔孔壁出现了损坏和坍塌，而且在很大程度上影响了钻探的最终结果。为了对这些问题进行有效处理，组织专家技术人员进行了现场分析，针对地层的特点，设计出了多种不同的护孔堵漏方案，包括泥浆护孔、套管隔离、化学泥浆堵漏等，并对其预期效果进行了对比，最终决定采用成本适中，效果最佳的砂浆堵漏方法，按照一定的比例，将水泥、NaCl、减水剂、三乙醇胺、粉细砂等加水混合而成，需要对砂浆的配比进行严格控制，以确保良好的封堵效果。同时，在堵漏封闭、超径封闭以及终孔封孔中，引入了平衡封孔注浆法、相对平衡封孔注浆法、不平衡封孔注浆法等方法，对比钻机的实际转速，最终确定了效率最佳的钻进方案以及封堵护孔方案[3]。
3 结语
总而言之，在地质勘查以及矿产勘探中，岩芯钻探是一种比较常见的勘探技术，勘探效果良好，通过钻出的岩芯，可以直观了解地层结构以深度的变化。而如果在复杂地层中，岩芯钻探容易遇到漏失、涌水等问题，继而导致钻孔的坍塌和损毁，为了保证良好的钻探效果，需要结合地质勘查数据，选择合理的护孔工艺，对钻孔进行保护，为勘探工作提供一个准确可靠的结果。
参考文献
[1]朱卫红.岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺探究[J].科技经济导刊，2016，（2）：98.
[2]曾广晖.试论岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺[J].中华民居（下旬刊），2012，（12）：217-218.
[3]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）：77-78.