复杂地层的钻探工艺与泥浆使用

安徽建筑　２０１１年第４期（总１７９期）　

复杂地层成因分析及钻进技术对策　

Ｃａｕｓｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｏｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　

陈　森，朱　璞　（贵州省地矿局１０３地质大队，贵州铜仁５５４３００）　

摘要：复杂地层钻探是小口径岩心钻探生产中的难题。文章首先从五个方面详细分析了复杂地层的形成原因，然后结合实践经验，提出了针对各　种复杂地层钻进的相应对策，认为处理钻遇复杂地层应当采用将具体地层情况与钻探目的相结合的原则。　

关键词：复杂地层；成因；钻探；技术对策　

中图分类号：ＴＵ４５２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００７—７３５９（２０１１）０４—００８９—０２　

０前言　

复杂地层钻进一直是小口径岩心钻探生产中遇到的最大　

难题。从复杂地层的护壁角度来讲，是指阻碍钻进的一切特殊　

岩性的地层，这些地层包括：松散地层、胶结不良地层、软硬互　

层、遇水膨胀性地层，溶蚀性地层或由地质构造运动造成的破　

碎、裂隙、断裂性地层。钻进复杂性地层时，通常会遇到坍塌、掉　

块、卡钻、涌水及漏失等不良情况，如果处理不当，会造成钻进　

困难甚至各种孔内事故。因此在钻进前应当及时了解钻遇地层　

情况，优选钻探工艺并设计钻孔结构，以保障钻探工作的顺利　

进行。本文主要分析了复杂地层的形成原因并提出了钻进过程　

中的相应对策。　

１　复杂地层的形成原因　

复杂地层的类型是多种多样的，其形成是地层本身和外　

力作用的结果，一般说来包括以下几个方面的因素。　

１．１地层本身的矿物岩石组成造成的复杂地层　

钻孔形成后，冲洗液立即渗入到孔壁地层中，当该段地层　由粘土、泥页岩等组成时，遇水后其强度降低，颗粒胶结性迅速　

下降。后期在钻具以及冲洗液循环的作用下，容易破碎而发生　

掉块。当泥质成份中蒙脱石含量较高时，会吸水膨胀，造成缩颈　

而导致卡钻事故的发生。当钻遇盐膏层时，地层中的盐岩会发　

生溶蚀作用进入到冲洗液中，直接导致孔径扩大。　

钻探工程中的复杂地层钻进技术分析

新疆维吾尔自治区阿克苏地区阿克苏市 843100

摘要：为了满足水文、矿产等诸多方面的需求，地质钻探已然成为一门炙手可热的重要行业。但在实际钻探生产过程中，总会因为复杂地层而引发各种孔内事故。不仅影响钻探工程进度，还影响了矿芯采取率。因此，本文主要从复杂地层的成因入手，深入分析钻进技术的应用策略，并对措施成果进行小结，以供参考。

关键词：钻探工程；复杂地层；钻进技术

引言

在复杂地层中进行钻进工作始终是小口径岩心钻探的技术难题。复杂地层从护壁角度来讲，指的是对钻进工作具有阻碍作用的所有特殊岩性的地层。复杂地层包括胶结不良地层、遇水膨胀性地层、软硬互层、松散地层、溶蚀性地层以及由于地质运动导致的裂隙、破碎、断裂性地层。在这些复杂地层中进行钻进容易导致漏失、涌水、掉块、坍塌等情况，若如处理失当，还会导致钻进困难甚至施工事故。

1、应用钻进技术过程遇到的问题及其原因分析

（1）风化作用下形成的复杂地层：松散的孔隙地层（如流砂层、砂砾石层等）或者风化裂隙发育地层，钻探过程中遇到这种类型的地层，很容易出现孔壁垮塌、超孔超径、涌砂等状况。

（2）地质运动导致的复杂地层：岩层在形成过程中在不同地质运动（若挤压、沉积、溶蚀等）的作用下，形成像碎石带、松散层等复杂情况。钻进工程中若遇到构造裂隙或成岩裂隙等因素形成的断层、节理发育地层，就会导致井壁掉块、坍塌、漏水等情况。 （3）地层本身的矿物岩石组成造成的复杂地层：由于地层本身存在着储油、气、水的封闭型的背斜构造，或者逆掩断层封闭构造，会给钻探施工带来极大的工作难度。一旦出现问题将会出现井喷等一系列不良后果。

（4）岩性自身导致的复杂地层：由于岩浆活动或放射性矿物相关的地层，都属于高温地层，当地热井或超深井遇到这类地层时，泥浆处理剂将会失效，导致地层不稳定，带来的危害也是可想而知的。因此，在钻进施工过程中，若不能及时处理很容易出现掉钻、埋钻等情况。

ｌ８　探矿工程（岩土钻掘工程）　２０１１年第３８卷第１１期　新疆乌拉根矿区复杂地层绳索取心钻进技术　乔彦斌　（北京中资环钻探有限公司，北京１０００１２）　摘要：在分析了新疆乌拉根矿区绳索取心钻探技术难点的基础上，介绍了在调整钻头、钻具级配，泥浆应用，操作　技术等方面采取的技术方法，并对比了钻探技术效果。　关键词：复杂地层；绳索取心钻进；烧钻；卡钻；钻孔漏失；乌拉根矿区　中图分类号：Ｐ６３４．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—７４２８（２０１１）１１—００１８—０３　Ｗｉｒｅ．１ｉｎｅ　Ｃｏｒｉｎｇ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｗｕｌａｇｅｎ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ａｒｅａ／ＱＩＡＯ　Ｙａｈ—ｂｉｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｓｉｎｏｄｒｉｌｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ　ｉｎ　ｗｉｒｅ—ｌｉｎｅ　ｃｏｔｉｎｇ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｉｎ　Ｘｉｎｊｉａｎｇ　Ｗｕｌａｇｅｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　ｂｉｔ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏｏｌ　ｇｒａｄｉｎｇ，ｍｕｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｗｉｒｅ—ｌｉｎｅ　ｃｏｒｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｂｉｔ　ｂｕｒｎｔ；ｄｒｉｌｌ　ｒｏｄ　ｓｔｉｃｋｉｎｇ；ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；Ｗｕｌａｇｅｎ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ　１　概述　１．１乌拉根矿区地质情况　新疆乌拉根矿区位于塔里木盆地西端、天山南　麓与昆仑山北麓两大山系的结合部位，属高山区，海　拔最低处２０００　ｎｌ，最高２５４７　ｍ。乌拉根盆地北以盐　厂北断裂为界，南以克孜勒苏断裂为界，西至吉根断　裂，东至乌恰县西１５　ｋｍ处。由于挤压作用，东西向　拉长，南北向压缩，东西长近１００　ｋｍ，南北宽１５～３０　ｋｍ，面积大于２０００　ｋｍ　。区内矿产资源丰富，主要　有铜、铅锌、铁矿、锶、石油、天然气、煤和石膏等矿　产。区内褶皱构造发育，主要表现为复式背向斜构　造，区域上断裂极为发育，地层复杂。乌拉根矿区就　位于乌拉根盆地的核心部位，该矿为中新生代典型　的浅成低温热液型铅锌矿。　１．２区域地质勘探情况　该区域地质工作最初始于１９４１年，２０世纪５０　年代初，苏联专家在该区进行大规模地质调查、重磁　力普查工作，并对喀什构造进行了详查。后来国内　地质人员陆续做了些基础地质工作。２１世纪初，随　着我国经济建设的迅速发展带来的对原材料的迫切　需求，该区域的地质勘探工作量逐年增加。但由于　２００８年的全球经济危机，导致有色金属产品价格大　跌，地质勘探工作大幅减少，随着２００９年下半年金　属矿产品价格的回升，又掀起了一波地质勘探热潮。　该矿区２０１１年设计钻探任务为１２０００　ｍ，现有６台　钻机同时施工。　２　施工设备及钻探工艺概况　施工设备：我公司使用２台ＹＤＸ一３Ｇ型全液　压动力头履带钻机；另一公司使用ＸＹ一４４、ＸＹ一５、　ＸＹ一６型钻机等共４台，配套ＢＷ一２５０型泥浆泵和　６１３５柴油发电机组。钻机施工能力：０７５　ｍｍ口径　的钻进深度＞１０００　ｍ，而该矿区设计最深孑Ｌ为５７０　ｍ，要求０７５　Ｉｎｎ口径终孔，满足要求。　钻探工艺：采用绳索取心钻进工艺：绳索取心钻　具采用国际通用的Ｑ系列标准钻具，钻具结构设计　合理、间隙配合良好，可以较好地保证岩心采取率。　根据项目情况，我们选用了３种口径的绳索取心钻　具：ＰＱ、ＨＱ和ＮＱ。采用０１４６　ｍｉｌｌ套管＋０１５２　ｍｍ　合金钻头开孑Ｌ，下好０１４６　ｍｍ井口管。然后使用　ＰＱ钻具进行绳索取心钻进，并根据地层和孔深设计　适时更换下一级口径，同时采用多层套管护壁。套　管采用０１４６、１１４、８９和７１　ｍｍ口径，环状间隙配合　紧密，较好的预防孔斜和保证钻孔质量。　泥浆：绳索取心钻进时采用无固相泥浆，主要添　加成分为聚丙烯酰胺、切削膏。其主要性能参数：粘　度为２０～３０　Ｓ，密度为１．０２—１．０８　ｋｇ／Ｌ，失水量为８　～２０　ｍＬ／３０　ｍｉｎ，ｐＨ值为８一ｌ０，固相含量为０。根　据不同地层层位岩性特点，适时适当地改变泥浆性　能参数。　收稿日期：２０１１—０７—２２；修回日期：２０１１—１１—０８　作　喾　耄　咖　

１２　探矿工程（岩土钻掘工程）　２００８年第２期　

复杂地层岩心钻探综合治理技术　

石立明　（武警黄金指挥部，北京１０００５５）　摘要：复杂地层是影响钻探施工的重要因素，对复杂地层治理需要设备、工艺的相互结合。分析了钻探设备、工　艺、冲洗液在治理复杂地层方面的作用，重点介绍了三套管取心钻具的结构、功用特点，以及植物胶泥浆的作用和　配制方法。　关键词：复杂地层；岩心钻探；全液压动力头钻机；立轴钻机；孔底反循环；－－一套管取心钻具；植物胶泥浆　中图分类号：Ｐ６３４．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—７４２８（２００８）０２—００１２—０３　复杂地层是指岩心钻探中孔壁不稳定（坍塌、　掉块、遇水膨胀、遇水溶解等）、钻孔漏水或涌水的　地层。钻进复杂地层易出现的问题是卡钻、埋钻、断　钻、烧钻，下钻不到底，水路不通憋泵，钻杆磨损严　重，钻头寿命低，岩心采取率低，钻孔跑斜等，综合导　致施工效率低、成本高、钻探质量难以达到要求等问　题。随着国家地质工作的逐渐深入，复杂地层越来　越多，已成为影响钻探施工的重大障碍，急需有效的　解决办法。　我部钻探施工矿区分布于全国各地，遇到的复　杂地层较多，反映在施工方面主要有２个问题：一是　孔壁坍塌，造成施工无法进行；二是岩心采取率低，　不能满足质量要求。这２个问题有时会同时出现在　一个钻孔中。经过长时间的研究探索，我们对一些复　杂地层采取了行之有效的办法，取得了满意效果。下　面就影响复杂地层正常钻进的各方面因素进行分析。　

１　设备对钻进复杂地层的影响　设备对于解决好复杂地层钻进问题并不是重要　因素，但性能先进的设备配合合理的工艺技术却能　起到事半功倍的效果。　目前普遍使用的岩心钻探设备有２种：全液压　动力头式岩心钻机和立轴式岩心钻机。　全液压动力头式岩心钻机有国外的瑞典阿特拉　斯Ｃｓ系列和美国长年公司的ＬＦ系列，国产的有北　京天和众邦公司ＹＤＸ系列、北京探矿机械厂ＸＤ系　列等。这类全液压动力头式钻机由于结构特点的原　因，配合绳索取心工艺，在复杂地层钻进相对具有较　强的优势：一是动力头夹持钻杆钻进，液压夹持器在　钻进中对钻杆扶持导正，减小了钻杆的抖动，使钻进　平稳；二是钻机采用模块式结构，液压传动，减小了　机器对钻杆的振动；三是给进行程长，可达到３　ｍ，　避免了停车倒杆给孔壁带来的各种启动冲击；四是　取心时钻头提离孔底距离短，由于无主动钻杆，所以　只要拔断岩心，在地表卸开钻杆就可以投入打捞器　取心，使得钻具对孔壁的保护时间长。总的来说，使　用全液压动力头式钻机减小了对孔壁和取心管内岩　心的破坏。　立轴式岩心钻机代表型号有ＸＹ系列，这类钻　机多数要用主动钻杆连接孔内绳索取心钻杆，由于　是机械传动，主动钻杆缺少孔口导正稳定装置，设备　产生的高频振动直接传递到孔底，这种振动无论对　孔壁还是岩心都有一定程度的破坏作用，并且其给　进行程只有０．６　ｍ，需经常停车倒杆，缺少上述全液　压钻机具有的优势。　我部近几年购进了几台全液压钻机，但多数还　在使用立轴钻机，２００７年在甘肃某矿区施工时，在　相同复杂地层采用同样的施工工艺，使用ｃｓ系列　全液压钻机台月效率达８５０　ｍ，井故率１％，岩心采　取率９５％；而采用ＸＹ钻机台月效率仅４７０　ｍ，井故率　５％，岩心采取率９０％。全液压钻机的优势显而易见。