破碎复杂地层钻进技术研究与应用

破碎复杂地层钻进技术研究与应用

在过去的几十年里，中国的钻探人员在广泛的研究中发现了复杂的脆弱性技术，并取得了令人难以置信的效果。其中许多技术达到了国际先进水平，在生产实践中取得了良好的效果。当然,其中也还存在许多难题亟待解决。随着我国中东部一大批老矿山在已有勘查范围内资源的枯竭,未来地质找矿和钻探施工无疑将需要向更深、更复杂地层及其外围区域拓展,以延长矿山开采年限,满足国家对资源的急需。目前,国内已经开始新一轮的地质大调查和西部大开发,这将很可能遇到大量的破碎复杂地层。因此,进一步研究破碎复杂地层钻进技术,解决其存在的问题,改进已有的技术方法,探索出更有效的新方法和新技术,对未来寻找新矿产资源将有着非常明显的现实意义。1复杂破碎地层在钻探过程中,遇到的破碎地层通常可分为两类:一是在构造运动作用下形成的复杂破碎地层,即由地质构造运动所产生的挤压、张拉、剪切等作用,使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层和片理,其中坚硬的脆性岩石受构造力的剧烈作用最容易形成复杂破碎地层。二是由外力地质作用所形成的复杂破碎地层,即风化层、河流冲积层、洪积层、风积层。岩层经风化作用变为岩性较松散、胶结不良的风化层,而冲积、洪积、风积作用形成的各种沉积层一般含有粘土、流砂、卵石、砾石、漂石成为复杂的地层。由于在破碎地层中,碎块状岩石的大小不均、胶结性差、结构松散、换层频繁、软硬悬殊、颗粒级配悬殊等特点,所以在钻进过程中碎块不能稳定受力,容易发生滚动,产生多个切削面,使得破岩效率降低,岩心采取率低,容易出现垮孔、掉块和卡钻等事故;再者因为破碎地层渗透性强,容易造成冲洗液漏失,或者出现涌水等事故。实践表明,在复杂破碎地层钻进施工,技术上主要存在“三难”——钻进难、护壁难、取心难。2复杂地层钻进方法传统破碎复杂地层钻进技术有采用一般钻井液护壁的金刚石回转钻进技术,它虽然能在破碎复杂地层进行钻进施工,但是钻进效率不高。因此,通过分析在破碎复杂地层钻进的特点,人们运用冲击回转与反循环钻进技术相结合的思路,研究出了一系列较为有效的钻进方法;同时通过对金刚石回转钻进技术中钻井液的改进,使金刚石回转钻进破碎复杂地层也获得良好效果。2.1液动潜孔锤在地质勘探中的应用早在1887年德国人沃·布什曼就实现了利用泥浆液能驱动冲击器进行冲击回转钻探。我国在这方面的研究始于1956年。其中1983年开始,不少单位相续开发了多种型号的绳索取心式液动潜孔锤,并在钻进坚硬岩石和破碎岩层时,钻进速度得到明显提高,岩心容易堵塞的状况得到改善。由于液动潜孔锤的动力来源于泥浆泵,而泵压可以达到7~12MPa甚至更高,故钻孔深度可以达到千米以上,从而可以实现深部复杂破碎地层的钻进。至今我国已开发出来的许多品种和规格液动潜孔锤,其中应用于地质勘探中主要有正作用式YZ和ZF系列,双作用式DC、YS、SC、SX和SYC系列,复合作用YQ系列,绳索取心式SS和SZ系列,液气两用YQS系列等。2007年中国地质科学院勘探技术研究所研发了SYZX75新型绳索取心液动潜孔锤。2009年吉林省核工业地质局探矿队应用SYZX75绳索取心液动锤配套加长岩心管,在内蒙古赤峰市双山子铜多金属矿破碎岩层取得非常好的效果。2.2csr钻进法相续研究液动潜孔锤的启动,我国1958年开始研制风动潜孔锤(气动冲击器),1965年开始推广,1978年后逐步普及。风动潜孔锤冲击回转钻探是空气钻进技术的一个分支。实践证明,气动潜孔锤钻进是一种效率高、钻孔质量好、成本低的施工方法。它在坚硬岩层、卵砾石层中钻进最具优势,故而在水井、基础桩、连续墙、锚固工程、大口径井筒施工、坍塌地层跟套管钻进等工程中得到广泛应用。但传统的气动潜孔锤钻进仍以全面破碎的非贯通式潜孔锤为主,采用单壁钻杆正循环排屑或取样,地质资料可靠性差。国内曾借鉴国外在破碎复杂地层中采用潜孔锤双壁钻杆反循环连续取样钻进(即CSR钻进法),虽然比单壁钻杆正循环钻进前进了一大步,但仍存在下列比较突出的问题:(1)岩心样品质量差;(2)结构设计不合理。主要表现为在钻具的潜孔锤部位仍为正循环,在潜孔锤上部需连接一个交叉通道接头,使岩样通过接头的窗口进入钻杆中心孔,形成反循环,这样在破碎地层对孔壁冲蚀会造成超径和样品混杂、污染、岩样漏失,样品层位颠倒。2.3贯通式潜孔锤及双壁钻杆系统针对复杂破碎地层钻进工程中回转钻进难、产生岩粉碎屑多、取心(样)难、易垮孔、井眼轨迹难控制、钻井液漏失等诸多问题。单一的钻进工艺不能同时解决这些问题。因此,人们开始将潜孔锤钻具和反循环钻进工艺的优点相结合。实践证明,潜孔锤作为孔底动力钻具能有效解决破碎复杂地层钻探中进尺效率低和防止孔斜现象;反循环钻进工艺则能进行有效排除钻进过程中所产生的大量岩粉碎屑及保护岩心。之后,人们又将跟进管技术和泡沫钻进技术应用到复杂破碎地层钻进中,有效解决垮孔和掉块问题。该项技术配套应用于破碎复杂地层固体矿产勘探的关键是小口径贯通式潜孔锤及双壁钻杆系统的研制成功。“七五”期间,吉林大学针对水文水井钻凿研究了GQ—200/62型贯通式潜孔锤反循环连续取心(样)新技术,使水井钻进效率提高了3~4倍,连续排出的岩心采取率高,获取及时,品质优良。“八五”期间其又研制了GQ—100/44型贯通式潜孔锤及反循环钻具系统,经生产实际试验取得了较好效果。其中,该技术在“河北省涿鹿县相广乡锰银矿南区普查”项目生产性试验中取得良好效果。当然贯通式潜孔锤反循环连续取心(样)技术也存在不足,比如在破碎地层中岩心卡堵问题比较突出。对此,李伟涛等人(2004年)也作了大量的研究,并提出了取样钻头结构的改进方案。王茂森等人(2005年)对贯通式潜孔锤反循环钻进中的反循环钻头进行了巧妙的改进后,使贯通式潜孔锤反循环钻进过程中能很好地避免风和岩粉从孔壁的裂隙或空洞中漏失;而外平双壁钻杆则能避免因塌孔或掉块引起的卡钻或埋钻孔内事故,适合钻进破碎、漏失等复杂地层。潜孔锤跟管钻进是指在破碎松散地层或卵砾石地层等不稳定地层中采用空气潜孔锤钻进成孔,同时套管随钻头跟入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用,而且钻进、排渣和护壁同时进行,可以很好地解决复杂地层钻进中护壁难的问题,使钻孔工作得以顺利进行。在钻孔完成后,潜孔锤可以从套管中顺利提出,套管留在孔内,待完成注浆等工作后,套管从钻孔中提出或永久留在孔内。目前国内的跟管钻进主要是套管直径在146mm以下的小直径跟管钻进,采用单偏心钻头、常规气动潜孔锤、单壁钻杆以及正循环的方式排渣,用于岩体锚固钻孔、坝基观测孔等钻孔的施工;而对于灌注桩孔、直径较大的水井孔等钻孔,目前还难于实现在复杂地层的跟管钻进。2.4植物胶钻井液过去以传统钻井液结合金刚石回转钻进工艺在破碎复杂地层中的钻进效率不高、岩心采取率较低。但植物胶类钻井液的应用,金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善,使得金刚石岩心钻进技术能更好地在破碎复杂地层中进行钻进。从传统的要求来说,钻探冲洗液的作用只是冷却钻头,排除岩粉,保护孔壁(部分冲洗液)和润滑钻具(润滑冲洗液)四大功能。传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液,都对岩心有冲刷、浸润和液化作用,岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉,因此很难取得高质量的岩心。现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用,除了上述功能以外,还具有保护岩心(护胶作用),粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能,这三大特殊功能为上述破碎复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单,效果最好的粘弹性钻井液。S系列植物胶钻井液最早创硏于1984年,当时只有唯一的一个产品,商品名称叫SM植物胶钻井液,系发明专利。在国内地质勘探中畅销二十余年,由于原料资源减少,故已逐渐淘汰。2005年以来新研制开发的产品有SH和ST两种类型的植物胶,与SM胶一起统称为S系列植物胶。S系列植物胶钻井液和SDB(及SD)系列金刚石钻具的结合,在破碎复杂地层钻进中取得很好的效果。除此之外,国内用于破碎地层钻探的植物钻井液胶还有CL植物胶复合无固相冲洗液和和一些改性复合胶无粘土冲洗液。其中,CL植物胶复合无固相冲洗液的粘度适当,有较好的携带岩粉能力;在孔壁上能形成有一定强度的吸附膜,失水量低,适合松散破碎、水敏膨胀等破碎构造带及不稳定地层护壁;该冲洗液流变性好,润滑减阻性好,可满足复杂地层绳索取心钻进的需要。邱存家,陈礼仪(2003年)采用由植物胶(GRJ)、交联控制剂(PHP)和交联剂(PS2DL)组成一种改性复合胶无粘土冲洗液。其中除了粘度适当,流变性好,润滑减阻性好,成膜作用强,取芯护芯效果好等特点之外,其最大优点是可种植再生的工业植物胶和合成高分子聚合物作为复合改性的基本原材料,具有原料来源广、稳定可靠的优点,较好地解决了野生植物胶资源短缺供不应求的矛盾,可成为配制无粘土冲洗液的新材料。3未来深部破碎复杂地层观测的关键技术总的来说,国内在破碎复杂地层钻进技术的研究和应用中取得了很好的成绩,尤其在潜孔锤反循环钻进技术的研究已经达了国际先进水平,而植物胶类钻井液的研究和应用也使得金刚石回转钻进技术能更好地在破碎复杂地层中钻进施工。然而在未来深部的地质勘探中,我国将依然面临诸多技术难题。面对未来深部破碎复杂地层,可以进行以下方面的深入研究:(1)特种超硬材