套管跟进与绳索取心组合钻探技术的应用

胥 虹

(核工业天津工程勘察院，天津 宝坻 301800)

0 引言

贵州省是我国的矿产资源主要储存地之一，然而构造发育的喀斯特地貌，却为钻探工作带来了很多困难。例如:灰岩地层钻进不返水，钻进途中突然遇到溶洞等等。笔者在贵州省清镇市犁倭乡红花寨、白浪坝铝土矿勘探施工(以下简称:贵州某铝土矿勘探施工)中还遇到了在灰岩中同时出现破碎漏孔坍塌掉块的情况，使钻进施工难以进行。针对这种复杂地层，经过分析研究，决定采用套管跟进与绳索取心组合钻探技术。套管跟进技术多用在漂石或流沙层的钻进，一般钻进孔深只有十几米，因此，在更深钻孔中运用是这次施工成功的关键。

1 工程概况

贵州某铝土矿钻探施工ZK3369孔的技术指标为:倾角90°，开孔直径≥110 mm，终孔直径≥75 mm，岩心采取率≥75%，矿心采取率≥80%，设计孔深280 m。

矿区地层剖面综述如下。

(1)第四系(Q)，厚0～34.00 m。分布于缓坡沟谷地带，为残积、坡积、冲积层。由碎石和粘土组成，不整合覆盖于各时代地层之上。

(2)栖霞组(P2q)，根据岩性特征分为3段。

第三段(P2q3):上部为浅灰、灰色厚层～块状含生物碎屑微晶灰岩，含少量燧石结核和白云质团块，下部为深灰色中厚层状微晶生物灰岩夹薄层泥质生物碎屑灰岩，厚46.37～68.14 m;

第二段(P2q2):中上部为灰色块状细晶生物碎屑灰岩，含燧石结核及条带，且大致沿层分布，下部为薄～中厚层状灰岩夹泥质生物碎屑灰岩，底部6～8 m为灰色块状泥晶生物碎屑灰岩。厚22.96～58.50 m;

第一段(P2q1):深灰色薄～中厚层状生物碎屑灰岩与灰黑色薄层生物碎屑泥质灰岩互层，具波状层理，上部含燧石结核，厚17.64～49.16 m。

(3)梁山组(P2l)，厚9.59～46.27 m。

上部为黑色页岩及粉砂质粘土岩，含黄铁矿结核。

中部为灰色中厚层状细粒石英砂岩与灰色薄层状粉砂质粘土岩互层，由下而上石英砂岩增厚、增多。

下部为黑色粉砂质粘土岩夹少量薄层泥质白云岩，含细粒星散状和结核状黄铁矿，不稳定，时有尖灭。

(4)石炭系下统摆佐组(C1b)，厚 63.64～111.27 m。

浅灰、灰白色厚层～块状粗晶白云岩，下部25 m左右为细晶白云岩，底部3～8 m为深灰色中～细晶白云岩，含较多的灰绿色粘土岩团块及条带，为见矿标志层。

(5)九架炉组(C1jj)，厚0～25.09 m。

矿区内隐伏于地下，按岩矿组合特征，可划分为2段:

上段(铝质岩段):上部为灰绿色或杂色粘土岩，下部为灰色，灰白色铝土矿或铝土岩，铝土岩多赋存于铝土矿的上部或下部，常含黄色、暗灰色黄铁矿结核和团块，厚0～19.67 m。

下段(铁质岩段):由暗红色赤铁矿、紫红色铁质粘土岩、灰绿色绿泥石粘土岩组成，局部含黄铁矿及菱铁矿结核或团块，厚0～6.34 m。

(6)寒武系中上统娄山关群(∈2－3ls)。

矿区内隐伏于地下，为浅灰、肉红色薄～中厚层状细晶白云岩，夹少量黄绿色粘土质页岩，揭露厚73.38 m，未见底。

2 施工难点

2.1 前期施工情况

ZK3369孔前期钻进时选用了HXY－500型钻机，BW150型泥浆泵，采用清水作为冲洗液。开孔孔径110 mm，钻进至16 m时遇到基岩，下好108 mm定向管后，换91 mm钻具钻进，钻进1.1 m，孔底就开始漏水。继续钻进至22 m时发生卡钻现象，同时发现采取率只有30%，取上来的岩心只有个别成柱状，大多数成块状，棱角锋利(见图1)。由此判断该段地层掉块严重，于是立即采用水泥封孔措施，水泥封孔时采用了速凝剂，然而水泥并未在钻孔中堆积，连续2次封孔皆未取得成功，于是下入89 mm套管，套管在下到20 m时遇阻，采用强力下压的方式下到22 m，采用S75绳索取心钻具钻进，钻进至28 m发现钻机负荷有所增加，取心后难以加杆，需要反复扫孔才能加杆钻进。一旦出现不再进尺，起钻就会发现钻头和扩孔器已经磨损严重，不能使用，更换钻头、扩孔器后下钻下到28 m时，又需要再次扫孔才能加杆钻进。随着孔深增加钻机负荷也越来越大，只能换低转速钻进。如此反复操作，由于钻头磨损严重，进尺能力有限，连续几天下来只能钻至45 m，钻头和扩孔器却消耗无数。

图1 取出的岩心

2.2 难点分析

面对着几天工作毫无进展，通过和地质部门的共同探讨分析，得出以下几点看法。

(1)该孔漏孔严重，泥浆护壁堵漏措施无效，采用专门的堵漏技术也是徒劳，增加成本并且浪费时间。

(2)该区地层可能遭受过强力构造，导致岩心破碎，胶结力极差，坍塌掉块现象明显，如不隔离，钻具难以继续钻进。

(3)该区有燧石灰岩地层，胎体硬度小于HRC25金刚石钻头才能进尺，钻进效率本来就低，加上地层破碎，更增加了钻进难度。

(4)地质部门推测，栖霞组第一段为深灰色薄～中厚层状生物碎屑灰岩与灰黑色薄层生物碎屑泥质灰岩互层，具波状层理，该段地层比栖霞组第二、第三段的塑性强度大，胶结力好，理论形成褶皱构造，不会纵向形成断裂，地层稳定，不会掉块。由此推测破碎坍塌掉块层厚度大概100 m左右。

结合现有的设备和多年的施工经验，决定采用套管跟进与绳索取心组合钻探技术处理现有难题，其理论依据为:

(1)套管跟进技术采用在普通套管前段安装无内径钻头的钻进工艺，能在钻机驱动力带动下钻进扩孔;

(2)因为套管外径只比孔径小2～4 mm，可以阻止松散岩块掉落，松散岩石与套管接触面比使用钻杆时候的接触面要小，故而套管转动阻力小，可以实现跟管钻进;

(3)采用多层套管跟进解决跟管钻头磨损而不进尺和随着孔深增加套管难转动的难题;

(4)采用套管跟进与绳索取心组合钻探技术能够保证取心率。

3 钻进工艺

3.1 设备及器具的选择

结合现场具体情况以及施工技术的要求，选用YDXD－800BX型便携式全液压钻机(自带泥浆泵);配127 mm套管20 m，130 mm电镀金刚石钻头1个，110 mm跟管钻具一套(108 mm套管70 m，110 mm电镀金刚石跟管钻头1个)，91 mm跟管钻具一套(89 mm套管100 m，91 mm电镀金刚石跟管钻头1个);S95、S75绳索取心钻具各一套。其中钻头胎体硬度HRC25。

3.2 钻进施工

(5)进入完整地层后采用S75绳索取心钻具钻进至设计孔深。

套管级配见图2。

图2 套管级配图

3.3 施工中遇到的问题及解决措施

图3 岩心从破碎到完整过渡照片

4 施工效益

ZK3369孔采用套管跟进与绳索取心组合钻探技术后，经过8天的钻探施工顺利完成了该孔的钻探任务，实现了在复杂地层钻进10.4 m/台班的效率。最终孔深250.58 m，钻孔孔斜2°00'，全孔采取率88%，矿心采取率高达99%，属优质孔。该孔钻进中使用的套管最后都顺利拔出，除跟管钻头磨损严重不能利用外，套管磨损轻微，可以再次利用，大大降低了施工成本。

5 结语

套管跟进与绳索取心组合钻探技术能在破碎漏孔坍塌掉块的灰岩地层中成功运用关键在于以下5点。

(1)套管护壁解决地层破碎漏孔坍塌掉块，胶结性差的特性。

(2)阻止套管转动的阻力主要是掉块与套管的摩擦阻力。由于有套管的护壁使之没有大面积坍塌，接触面积少，阻力就小，动力就能传递给跟管钻头破岩做功。

(3)采用两级套管跟进方案，解决了因孔深的增加导致套管与孔壁摩擦阻力增加，动力就不能传递给跟管钻头破岩做功，增加了套管跟进的深度。

(4)废机油的使用，减轻了套管摩擦阻力，增加了套管跟进的深度

(5)采用了全液压钻机，因为其3.3 m长行程油缸，降低了套管跟进钻具和绳索取心因加杆而反复扫孔次数，提高了钻进效率。

[1] 唐风林，A.Γ.加里宁，杨学涵.岩心钻探学[M].湖北武汉:中国地质大学出版社，1997.

[2] 李世忠.钻探工艺学(上册)[M].湖北武汉:中国地质大学出版社，2008.

[3] 鄢捷年，等.钻井液工艺学[M].山东东营:中国石油大学出版社，1993.

[4] 范国容.套管跟进技术在流沙地层中的应用[J].科技致富向导，2012，(6).

[5] 赵大军，索忠伟.岩土钻凿设备[M].吉林长春:吉林大学出版社，2004.