S95繩索取心鉆進工藝在極傾斜地層中的施工應用

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質二〇四勘探隊，黑龍江 七臺河 154600)

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S95繩索取心鉆進工藝在極傾斜地層中的施工應用

張鴻飛

(黑龍江省煤田地質二〇四勘探隊，黑龍江 七臺河 154600)

本文主要分析了采用S95系列繩索取心鉆進工藝在極傾斜地層的施工過程、存在問題、取得的經驗與教訓等。通過對施工過程中出現的問題進行了分析研究，從而找出了解決問題的辦法，順利完成施工任務，并吸取經驗，接受教訓，為今后施工奠定了基礎。

繩索取心；鉆進;傾斜地層；施工

0 引言

二○四勘探隊開展繩索取心鉆進有三十年的歷史，在硬巖地區、軟巖地區、軟硬互換地區、松散巖層都進行過鉆探施工，均取得了較好的效果。但是在極傾斜地層中使用繩索取心鉆進還是第一次，這也給工程技術人員和職工提出了一個新的課題。

1 勘探區概況

1.1 目的任務

天榮公司二道嶺礦區屬高瓦斯礦區，由于天榮礦區沒有進行瓦斯參數檢測工作，直接影響瓦斯抽采工作設計參數的選定及瓦斯預抽效果。同時，根據國家瓦斯抽采和利用的相關政策，為申辦二道嶺礦區煤層氣采礦權提供基礎資料。

1.2 位置、范圍與交通

勘查區位于內蒙古阿拉善盟阿拉善左旗古拉本鎮，即內蒙古阿拉善二道嶺礦區東北部，勘查區總面積為13.33 km2，烏海-巴音一級公路從勘查區西側邊沿通過，勘查區內有多條簡易公路與烏-巴公路相通，交通便利。

1.3 自然地理

二道嶺礦區地處寧夏、內蒙古分界的賀蘭山脈主分水嶺西坡，山勢較陡，溝谷較發育，為典型的山區地形地貌特征。地勢東高西低，海拔高程1838～2010 m。最高氣溫37.1 ℃，最低氣溫-22.7 ℃，最大凍土深度約為0.8～0.9 m。

1.4 地層

地層區劃歸屬華北地層區陜甘寧盆緣分區，勘查區區域地層為該分區的賀蘭山地層小區，區域地層由老到新有：太古界賀蘭山群、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭-二疊系山西組-石盒子組、三疊系中統紙坊組，上統延長群、侏羅系延安組-直羅組-安定組、第四系。

1.5 構造與巖漿巖

1.5.1 構造

勘查區主體褶皺構造為寬緩的二道嶺向斜，向斜東南翼走向呈北東向，傾向北西，傾角8°～57°，傾角呈深部緩淺部陡、南部緩北部陡之變化。向斜東南翼靠軸部附近及向斜北西翼發育有次級小褶曲發育。

1.5.2 巖漿巖

在區域上巖漿巖總體不發育的情況下，二道嶺礦區是受深部隱伏巖體影響的一個特例。燕山期形成的基性火山巖在東邊緊鄰的汝箕溝礦區有出露，屬地幔成因的基性巖。二道嶺礦區及相鄰的汝箕溝礦區延安組煤層的煤化程度顯著高于鄰區呼魯斯太、石炭井的山西、太原組煤層，煤種為無煙煤。這種異常表明該煤系(延安組)經受了隱伏巖漿體的熱變質作用。

1.6 煤層

該井主要設計煤層：二1-1煤層、二1-2煤層、二1-3煤層、二2煤層、二3煤層、二4煤層、三煤層、四煤層、五煤層、七1煤層。

煤層傾角平均為25°～35°，淺部煤層傾角平均約55°，深部傾角變緩傾角小于20°，煤層埋深400～1200 m。

1.7 煤質

煤質為低灰、低硫、低磷、高發熱量的優質無煙煤。

2 施工情況

天榮煤層氣項目是烏海能源公司天榮公司的項目，該項目設計鉆探工程量4292 m，共四口煤層氣參數井。其中T1設計井深1333 m，除鉆探施工外，還要進行煤層解析化驗、物探測井、煤層試井、巖石力學測試等工作。

T1井于2009年1月11日進行一開鉆進，由于地層傾角大(從地面凸起的地層測得傾角為85°左右)，泥巖地層松散較軟，施工中多次出現了井斜。施工中采用了輕壓吊打、鐘擺糾斜、?127 mm鉆具擴孔糾斜均無明顯效果，后經采用?168 mm鉆具擴孔糾斜，恢復了正常鉆進(處理井斜時間為128.33天)，但當鉆進到孔深1143.73 m時出現了燒鉆事故(處理燒鉆時間為75天)，于2009年10月27日恢復正常鉆進，2009年11月17日鉆探施工結束(純鉆時間為72天)，孔深1347.66 m。

2.1 設備的選擇

該井的施工采用設備為HXY-6B型液壓鉆機和與之配套的繩索取心絞車，泥漿泵為NBB250/60型泥漿泵，四腳鉆塔。工藝采用S95系列繩索取心金剛石鉆進工藝，即鉆桿和巖心管直徑均為89 mm，內管直徑73 mm，鉆頭直徑95 mm。

2.2 井身結構

一開采用?95 mm金剛石鉆頭施工至52.46 m，再用?130 mm鉆頭擴孔施工后下入?127 mm表層套管，并在?127 mm套管內下入?108 mm技術套管。T1井由于處理井斜，所以一開下表套后因井斜又起出套管，采用的是?170 mm鉆頭施工到孔深255.28 m后下入?168 mm表層套管。為防止鉆具折斷，在?168 mm表層套管內又下入一層?108 mm技術套管，下入深度為255.28 m。?108 mm技術套管與?168 mm表層套管之間用彈性扶正器導正，防止出現套管折斷。二開采用S95金剛石繩索取心鉆進至完鉆。具體如圖1所示。

2.3 鉆具組合

鉆具組合如下：

一開鉆具組合：?95 mm金剛石鉆頭+?95.5 mm擴孔器+?89 mm巖心管+?95.5 mm擴孔器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動鉆桿。

擴孔鉆具組合：?130 mm擴孔鉆頭+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+?130 mm扶正器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動鉆桿。

糾斜鉆具組合：?170 mm鉆頭+?168 mm粗徑鉆具+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動鉆桿。

二開鉆具組合：?95 mm鉆頭+?95.5 mm擴孔器+?89 mm巖心管+?95.5 mm擴孔器+?89 mm鉆桿+89 mm×79 mm六方主動鉆桿。

圖1 鉆孔井身結構圖

2.4 鉆頭選擇

繩索取心金剛石鉆進中，鉆頭的選擇使用要依據地層情況、巖石硬度及研磨性合理選擇。根據地質資料可知，該區主要以泥巖、粉砂巖、砂巖為主，可鉆性為3～7級，因此鉆頭的選擇情況見表1。

2.5 鉆進參數選擇

該井各井段鉆進參數的選擇如表2所示。

2.6 鉆井液的使用與管理

2.6.1 鉆井液的使用

(1)開孔至完整基巖采用細分散鉆井液；

(2)完整基巖至目標煤層以上10 m，采用低固相或無固相鉆井液鉆井，以便起到良好的護壁作用；

(3)進入目標煤系地層根據井內地層情況，選擇優質無固相鉆井液鉆井。

2.6.2 鉆井液的管理

(1)選配優秀的泥漿管理人員，負責現場鉆井液的配制、性能測定與調整、材料的保管；

(2)配齊鉆井液性能測試儀器；

(3)施工中每2 h測量一次鉆井液的密度及黏度，8 h測量一次API全套性能，并記入班報表；

(4)鉆井液性能需調整前做小型試驗，鉆進過程中保持近平衡鉆進；

(5)及時、準確、取全鉆井液各項錄井資料；

(6)做好簡易水文觀測，并記入班報表。

鉆井液性能見表3。

表1 金剛石鉆頭選擇表

表2 鉆進參數選擇井段

表3 鉆井液性能表

3 極傾斜地層井斜的處理

T1井于2009年1月11日進行一開鉆進，采用?95 mm金剛石鉆頭鉆進至井深52.46 m，換用?130 mm擴孔鉆頭擴孔至52.46 m，下入?127 mm表層套管，為防止因環狀間隙大施工中易出現斷鉆現象，在?127 mm表層套管內部又下一層?108 mm 技術套管。之后換?95 mm金剛石內凹式鉆頭進行二開鉆進，當鉆進到孔深100 m時進行工程測斜，發現孔斜已超標。于是開始進行糾斜鉆進，先后采用了?108 mm鉆具擴孔糾斜、?127 mm鉆具反復擴孔糾斜均沒有取得較好的效果。然后先后三次采用水泥封井眼后透孔糾斜，一次采用水泥加191樹脂封井眼后透孔糾斜，都沒有取得較好的效果。最后采用的是?168 mm鉆具擴孔糾斜至255.28 m，取得了較好的效果，為T1井的順利完成奠定了基礎。

4 燒鉆事故處理

2009年8月14日1班鉆進到井深1143.73 m時，因水龍頭密封漏水停止鉆進，派人進行處理。處理結束后本應先開泵再開車鉆進，但是由于先開車直接進行鉆進，使孔內鉆頭因無循環井液冷卻出現了燒鉆事故。

事故發生后，為盡快恢復生產，現場工程技術人員先后采用了合金割刀入鉆桿內割斷鉆桿后下絲錐打撈出被割斷的鉆桿的方法未果(因沒有完全割斷)。后經過自反(自反后井內有八立根和四小根鉆桿、鉆桿接頭一個、金剛石擴孔器二個、內外管總成一套、金剛石鉆頭一個)、又用反絲鉆具反孔內鉆桿，反絲鉆具于2009年8月24日反出井內八立根和四小根鉆桿，此時井內有鉆桿接頭一個、金剛石擴孔器二個、內外管總成一套、金剛石鉆頭一個。

2009年8月25日開始用割鐵鉆頭切割外巖心管，而內巖心管不做處理，做導正用。但在用金剛石鉆頭切割外巖心管過程中，由于井內鐵塊、巖屑等的擠夾作用，使金剛石鉆頭的胎體脫落，造成切割困難，切割的速度很慢，加之該井較深，上下鉆具所用時間較長，也影響了切割的進度。于是2009年9月6日決定采用整體消滅的方法進行處理，先后采用了用磨鐵鉆頭(上部帶有裝砂管)、割鐵鉆頭、掏眼鉆頭、強磁打撈器撈取等方法最后把孔內所有殘留物全部消滅(鉆桿接頭一個、金剛石擴孔器二個、內外管總成一套、金剛石鉆頭一個)，于2009年10月27日恢復了正常鉆進。

5 時效分析

由于T1井施工時間長，機械設備運轉出現的問題較多，維修保養時間長達13天，擴孔下套管及處理套管時間為15天，停等時間為8天。處理井斜時間為128天。處理燒鉆時間為75天，純鉆時間為72天，施工全部時間為311天。純鉆率僅為23.23%，事故率為24.2%，停鉆率為2.6%，機械事故率為4.2%。

6 取得的成果

6.1 鉆探成果

(1)掌握了在極傾斜地層進行鉆探施工，如何進行糾斜與防斜的經驗與教訓，為今后在同類地區施工找到了方法；

(2)鍛煉了隊伍，學會了在不同地區施工如何選擇適巖金剛石鉆頭的方法與經驗；

(3)深深的體會到了“細節決定成敗”這句話的真正意義。如果我們在細節上要做好，也不會因為不開泵就開車鉆進導致燒鉆事故的發生，T1井會提前二個半月結束施工任務。

6.2 地質成果

2009年1月11日，T1井一開鉆進，完鉆日期2009年11月17日。完鉆井深1347.66 m，完鉆層位二2煤層底板。裸眼完井，鉆井周期311天，完井周期325天。巖、煤心收獲率96%。詳情見表4、表5、表6。

表4 T1井鉆井數據表

表5 T1井井身質量表

表6 T1井目標煤層數據表

6.3 煤層解吸化驗成果

6.3.1 含氣量

本區共施工煤層氣參數井4口，從T1井測試成果看，本區甲烷含量干燥基為2.05～7.93 m3/t，平均5.21 m3/t；干燥無灰基為3.02～19.26 m3/t，平均7.26 m3/t。甲烷濃度在77.59%～86.89%，平均為82.13%，質量良好。

6.3.2 參數井含氣量測試

T1井對一上、一、二1-1-1、二1-1-2、二1-2、二1-3、

二2煤層進行了取心，共采集49個氣體含量測試樣品(其中有2個快速樣)。含氣量測試情況見表7。

表7 T1井含氣量測試情況孔號

6.4 試井成果

T1井試井結果見表8。

表8 T1井試井成果

6.5 其他情況

T1井還做了以下工作：

(1)全井完成采煤層頂、地板力學樣14個；

(2)全井設計采煤心煤樣11個，實際采5個，煤心采取率100%；

(3)全井采瓦斯解析樣49個；

(4)全井巖心采取率96%；

(5)全井巖、煤心照片77張；

(6)全井試井煤層2層組；

(7)物探測井參數：雙井溫、井斜、視電阻率、井徑、天然伽馬、伽馬伽馬(長短源距)、側向電流、聲速(聲幅、單收、雙收)。

7 經驗與教訓

7.1 經驗

通過這個項目的施工，我們取得很多的經驗與教訓，主要經驗如下：

(1)因為此項目設計要求目標煤層以上可以不做取心要求，但因為我們沒有在這類地層施工，也無無巖心鉆進的經驗，所以我們還是采取原來的老辦法進行取心鉆進，使效率大大降低，如果采用無巖心鉆進效率可提高40%以上。

(2)掌握了在傾角較大的泥巖地層施工的方法，采用粗徑鉆具進行施工能起到防斜的作用。T1井在施工中一開始采用的是S95繩索取心鉆頭進行施工，施工中采用滿眼防斜鉆具組合，內凹型防斜鉆頭等防斜措施，但仍然出現井斜，最大時井斜為170m為7°，無法正常施工。也曾經采用水泥封閉后重新施工的方法，但無法達到預期目的。處理孔斜的時間占全部時間的60%以上。后來采用?170 mm的合金鉆頭，配?168 mm的巖心管作粗徑鉆具(60～70 m)，上部連接?89 mm繩索取心鉆具進行施工，取得了較好的效果?？咨?00 m時孔斜為1.7°，達到煤田鉆探孔斜標準。

(3)下套管技術還有待進一步提高。以前我們的下套管技術是比較粗糙的，只是在擴完孔之后把套管底部打成喇叭口形狀，并在外圍纏上海綿帶下入孔內預定位置即可，不用考慮套管脫節或跑套管事故的發生。而在T1井下套管時，由于套管下入的較深(255.28 m)，并且是二層套管，所以這種方法很不合適，經常出現套管斷跑現象，因處理套管就用去了15天的時間。所以經驗是必須固井。

(4)機械事故率居高不下。出現機械事故率高的主要原因：一是設備運行時間較長，從2008年11月份開始設備一直處于滿負荷高速運轉，按照設備的管理規定已經超出了設備的中修時間，但因設備處于服役期，所以沒有辦法修理；二是鉆孔較深鉆具較重增加了鉆機的負荷；三是后期出現了孔內事故，頻繁上下鉆具使設備磨損更加嚴重；四是現場使用維護與保養不到位。

(5)處理井斜的時間過長。主要原因是在處理井斜時，使用同一種方法處理時間太長，而且效果不是很好時仍然反復使用。如：長時間的使用?108 mm鉆具和?127 mm鉆具擴孔糾斜，在擴孔糾斜效果不好的情況下仍然反復用此鉆具在60～75 m輕壓吊打糾斜，也同樣沒有產生較好的效果。又如：三次使用水泥+191樹脂封孔糾斜，效果也同樣不好，用去了大量的時間。

(6)處理燒鉆的時間過長。其原因一是外管總成上擴孔器部位的懸掛環在處理時隨鉆具一起轉動，無論是用磨鐵鉆頭還是割鐵鉆頭處理因轉動而沒有效果，給處理工作帶來了很大困難；二是在用磨鐵鉆頭或割鐵鉆頭處理時，因急于求成處理過快，導致磨偏或割偏。所以到后來不得不用“劈”的辦法進行處理。

7.2 教訓

在施工中特別是在深孔施工如何才能避免孔內事故的發生，通過T1井我認為應做好以下幾項工作：一是做好事故可能發生的幾類事故的應急響應，備足可能發生幾類事故的物資準備，制定好施工方案與措施；二是對鉆機人員特別是機班長人員進行安全事故教育，做到警鐘長鳴，在關鍵時刻領導和技術人員也要跟班指導生產；三是一旦出事故，不要慌張，要認真對待，要把對事故的處理方案考慮詳細，對所有細節要認真分析，防止把事故擴大化；四是T1井在處理燒鉆事故過程中走了不少彎路，出現許多意想不到問題，使事故的處理時間大大的延長。

[1] 時志興, 賈有金. 燒鉆事故的預防與處理措施[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2012, 39(3):40-42.

[2] 李海明. WFSD-2孔二開孔斜分析及糾斜施工[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2012, 39(1):21-24.

[3] 李宏. 低固相泥漿在福建煤田鉆探中的應用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 2011, 38(9):18-20.

2017-03-20

張鴻飛(1963-)，男，吉林舒蘭人，黑龍江省煤田地質二〇四勘探隊高級工程師，探礦工程專業，主要從事鉆探生產與管理工作，黑龍江省七臺河市桃山區景豐路22號，E-mail：zhf6510248@163.com。

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1009-282X(2017)03-0024-05