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凤县易斜地层钻孔弯曲防治斜施工技术
杜涛
( 西北有色地质勘查局七一七总队工勘处 陕西宝鸡721004)

摘要: 对凤县地区易斜地层在钻孔施工中出现的钻孔弯曲, 我们根据总结的施工经验, 结合现
在的施工情况, 对施工中出现的问题进行了认真的研讨和技术革新, 防治结合、 同径治斜, 在施
工中取得了很好的效果, 保证了钻孔的施工质量, 提高了钻进效率。
关键词: 易斜地层, 同径治斜, 防斜, 治斜, 磨”狗腿”钻铤, 小倾角钻孔
1 概述
凤县地区地层岩性以千枚岩为主, 千枚岩层节理发育, 产状变化大 软硬不均且局部互层比较频繁, 在钻探施工中极易促斜, 造成钻孔弯曲, 严重影响钻孔质量。 某单位承担了某矿区的ZK6401孔施工任务, 开孔三次, 都因为钻孔方位严重西偏, 无法达到地质目的而报废, 造成报废进尺达300余米, 最后撤离工地; 我单位从新接下该孔, 由于易跑斜, 不得不采用专用的治斜工具来治斜, 治斜后, 孔内出现”狗腿”弯急, 金刚石钻进开不起转速, 钻杆折断事故频繁、 打捞岩芯也很困难。为此, 我们针对该孔制定了防治斜施工方案, 取得了很好的效果, 顺利完成ZK6401孔965.31米的钻孔施工, 达到设计目的, 钻孔质量合格。
2 区域地质条件
凤县地区地层主要以千枚岩和结晶灰岩为主, 夹杂少量石英岩、 生物灰岩, 岩层可钻性4-7级, 局部可达8-10级, 矿体大部分位于千枚岩和灰岩接触带或及其附近, 千枚岩层理较发育, 产状较陡且变化多样, 软硬互层频繁, 属于强造斜地层。
3 施工工艺
3.1 主要设备
XY-4型钻机、 BW-250型水泵、 SGX-13型钻塔、 7.5m可调式钻塔、 LF-54、 LF-65螺杆钻具、 BD-14 定向仪。
3.2 钻杆级配:
φ54钻杆、 φ60金刚石普通双管钻具; φ55.5s绳索取芯钻杆、 YS60S钻具; φ71S绳索取芯钻杆、 YS75S钻具; HQ绳索取芯钻杆、 φ95S钻具; PQ 绳索取芯钻杆、 φ122S钻具。
3.3 钻孔结构
钻孔结构采用φ146×φ130×φ110×φ91×φ75φ×φ60多径成井工艺, 若以φ60mm为终孔口径 则把φ75口径作为技术口径备用, 以此类推。
3.4 冲洗液
完整地层钻进采用切削膏+清水、 1200万分子量PHP+清水; 复杂漏失层钻进采用粘土+烧碱+CMC+PHP, 泥浆粘度22-25s, 比重1.04-1.06kg/L, 漏失严重地层粘度可提高到30s。
4 防治斜技术
4.1防斜
4.1.1初级定向
经过对以前施工钻孔弯曲参数的统计分析和多年的施工经验, 凤县地区的钻孔, 不论是向东北, 还是向西南方向施工, 钻孔的方位都向西偏斜, 偏斜幅度为8-12°/100米, 局部矿区可达到10-18°/100米; 根据这一弯曲规律, 我们对钻孔方位进行初级定向, 根据设计孔深和见矿位置, 按照弯曲规律, 在安装设备时将钻孔方位向东预偏5-15°( 根据孔深度而定) 。
4.1.2设备安装及工艺控制
( 1) 把好设备安装大关: 钻探设备的安装要水平周正, 确保天轮滑车、 立轴、 孔口三点成一线, 校正方位和倾角, 确保孔位在线上或与勘探线平行。( 2) 把好开孔关: 开孔钻进时轻压慢转勤提动, 逐渐加长钻具, 使钻具满眼, 直至正常钻进钻具长度( 4-6米) 根据岩层情况逐级换径, 下入各级套管, 套管之间必须做好密封工作; 下套管前须测量孔斜; 换径必须带导正, 以防止孔斜; ( 3) 合理的钻进参数: 钻压8-15KN; 转速380-800r/min;泵量60-90L/min。不能盲目地加压和开高转速, 防止软硬互层引起孔斜。
4.1.3在保证地质目的不变的情况下, 采用小倾角施工技术
我们借鉴有关资料和进口设备的优点, 结合我队现使用的设备情况, 自制了一种可调式钻塔并进行了多次试验, 该钻塔能满足钻孔倾角在45°-90°的钻孔的施工, 体积小、 重量轻、 易拆卸, 最适合于山区施工。一是解决了SGX系列钻塔无法施工小于73°倾角的钻孔难题, 二是经过小倾角钻孔施工实践证明, 有很好的抑制钻孔跑方位的问题。 后, 我们采用此种钻塔施工较小倾角钻孔, 没有采取特别治斜措施, 钻孔的方位均得到了很好的控制, 满足地质要求。如 11月施工的长沟ZK601钻孔开孔倾角44°, 终孔时, 方位偏差仅为1.5°钻孔质量完全合格, 钻孔防斜效果明显。
4.1.4采用粗径钻杆施工
采用φ91mm以大径钻杆施工, 减少了钻杆和井壁间的环状间隙, 经过实践证明, 在易斜地层施工, 有防斜保直作用。如 在白杨沟矿区施工的ZK21201钻孔, 设计孔深630米 , 实际施工深度790.85米, 开孔方位220°, 倾角80°, 取得了很好防斜的效果。( 见下表)
ZK21201钻孔弯曲度测量 表一
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
测量孔深(m)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
天顶角
10°
10°
10°
10.2°
10°
10.5°
10°
10.5°
11°
11°
11°
11°
12°
11.5°
12°
13°
方位角
220°
222°
220°
218°
215°
216°
216°
215°
218°
224°
226°
229°
218°
215°
205°
205°

5治斜
由于该地区地层促斜严重, 钻孔孔斜的发生是在所难免的。当钻孔方位和倾角防控超过地质设计要求时, 就必须进行孔斜纠正。纠斜主要采用LF-54、 65螺杆钻具, 天然表镶金刚石造斜钻头, BD-14摆锤定向仪。
5.1螺杆钻具纠斜
( 1) 定向
将装配好的螺杆钻具沿钻孔方向摆放, 把螺杆钻具的上部支高, 螺杆钻的弯接头或弯外管, 在重力的作用下, 弯处自然向下, 引出母线, 根据计算好的安装角和反扭转角, 以母线为基础, 转动螺杆钻具至需要的角度后固定, 松开定向仪的锁紧螺母, 将定向仪插入定向接头内, 连接好导线, 打开电源, 转动定向仪, 使微安表的指针处于短零的开始状态, 此时的位置即为螺杆钻在井下的定向位置, 拧紧锁紧螺母, 转动螺杆钻具, 检查螺杆钻定向方向是否处于短零状态 , 转动几次, 确认无误后, 地表定向结束, 抽出定向仪, 在其定向键槽上涂抹油漆, 待稍干后下井定向。这种定向方法, 方便、 简单、 可靠, 准确性高, 避免了使用量角器测量角度的麻烦, 减小了测量误差。螺杆钻具在下井前必须在井口进行开泵试验, 确保能够正常工作时才能下井。螺杆钻具及钻杆在下井过程中, 钻杆接头间要采取密封措施, 而且一定要拧紧, 防止因接头间松动造成螺杆钻在工作时的反扭矩使钻杆接头转动而改变安装角, 影响造斜效果。400米以上的深孔定向, 冲洗液介质为泥浆时, 定向仪难以下到位且是否到位难以判断, 我们采取加长定向杆、 增加定向仪的重量的方法有效克服该问题, 取得了很好效果。如: 秦家梁ZK 001孔478-483 米的治斜和三里河ZK6401孔637-701米孔段的治斜定向中。井下定向结束后, 提出定向仪, 检查定向键槽的油漆是否有擦磨的痕迹, 若有擦痕则证明定向仪确已到位, 若无则说明定向仪没有到位, 必须重新下定向仪定向。在这两个孔的深部定向中, 纠斜定向成功率都达到了百分之百。
( 2) 螺杆钻的井下启动
提钻后孔底沉淀有岩粉是不可避免的, 特别是在软硬互层频繁, 孔内有超径的情况下, 孔内岩粉在提钻后沉淀的较多, 当螺杆钻具下到孔底时, 由于钻具快速下入孔内, 导致孔底岩粉从钻头底部进入螺杆钻具内, 堵塞螺杆钻的输水通道, 造成钻具无法启动工作, 为此, 采取螺杆钻具在下井前, 在钻头底部贴上胶布, 临时封闭造斜钻头底部的水眼, 阻止岩粉进入螺杆钻具内, 螺杆钻启动时, 胶布被水流冲掉, 螺杆钻具正常工作。在西岔沟ZK12502孔和三里河ZK6401孔的治斜中采用该办法, 解决了此类问题。
5.1.2”狗腿”的处理
使用螺杆钻具在浅孔段治斜, 可直接在φ60mm孔径治斜, 纠斜后用φ75钻具带导正扩孔, 可解决纠斜后孔内的”狗腿” ( 急弯) 。但在400米以上深部孔段的治斜, 即在同径φ60或φ75中治斜, 采用扩孔的办法, 不但费时、 费力, 而且也增加了成本, 但由于治斜后孔内”狗腿”的存在, 造成正常钻进钻具在治斜孔段不能下到位, 钻进中阻力大, 钻杆折断事故多, 金刚石绳索取芯钻进, 内管投放至治斜孔段受阻, 不能到位, 无法正常打捞。为解决这些问题, 采用在1.2-1.5米长的旧的六方主动钻杆的楞上镶焊合金, 做成”磨狗腿钻铤”, 把钻铤的下部加工成锥形, 不镶焊合金做导正, 下井至治斜孔段, 利用主动钻杆壁厚, 弹性变形小的特点, 轻压慢转, 以研磨治斜孔段的上邦, 重复研磨数次直到磨孔钻铤能轻松上下为止, 钻进钻具( 长度约3-4米) 就能直接下到孔底正常钻进, 经处理后的纠斜孔段的钻杆折断事故明显减少。磨孔前后, 在纠斜孔段经过多次的孔斜测量, 证明修磨急弯后对治斜效果没有多大影响。如在秦家梁的ZK001孔、 西岔沟的ZK12502 孔、 ZK12503孔、 三里河的ZK6401孔的400-700米孔深同径治斜后, 都采用这种钻铤处理”狗腿”孔段, 取得了很好的效果, 不但减少或消除了孔内事故, 而且节约了人力和材料, 降低了生产成本, 提高了生产效率。
6 结束语
6.1 在凤县地区复杂易斜地层中钻进, 我们除采用合理的钻具级配和精心的操作外, 根据钻孔弯曲规律对钻孔的设计方位、 倾角初级定向, 基本解决了钻孔弯曲的问题。
6.2使用自制可调式钻塔, 采取较小钻孔倾角开孔, 也能有效的解决钻孔的弯曲问题。
6.3 在使用泥浆钻进的钻孔中或400米以上钻孔深部治斜定向, 将定向杆加长以增加其重量, 解决了定向仪难以下到位, 是否到位难以判断的问题, 提高了纠斜定向的准确性和成功率。
6.4纠斜后, 使用磨”狗腿”钻铤, 对纠斜孔段的急弯进行修磨处理, 有效减少了在纠斜孔段的折钻事故, 提高了钻进效率。