金刚石“绳钻”孔壁失稳的人为因素分析＊

肖积图,石云海

(青海省有色地质矿产勘查局,西宁 810001)

目前我国岩心钻探工程大多采用绳索取心钻进工艺,“绳钻”工艺的主要特点之一是钻孔的环空间隙(或称为孔壁间隙)小,因此,在钻进含泥质和硬粒构成的地层,如绿泥石化、高岭石化等蚀变带层和断层泥夹角砾层以及碎裂岩层等地层时,常在钻进时出现夹钻的响声,同时电流表摆动,随之泵压渐升,进而发展为憋水夹钻,反复的憋水夹钻,其后果轻者是耗用数日的处理时间,重者是由此造成废尺和废孔的损失。由于此类孔故的普遍性和严重性,因此有必要揭示孔内变故的成因,尤其是对其发生、发展过程中,对加剧孔壁失稳的人为因素进行分析和认识更为重要。

1 关于憋水夹钻的成因

对憋水夹钻的判断目前有两种看法,一种认为是孔壁缩径引起的;另一种则认为是孔壁掉落下来的粗颗粒随冲洗液上返到硬层孔段,因环空间隙小而受阻,形成“群粒封门”所致[1]。不难判断的是,如因缩径憋水,通常不会出现硬挤夹钻的现象。另外,钻孔缩径常与使用泥浆冲孔有关,即缩径因孔壁形成泥皮引起,又要有较长的水敏性地层的孔段时,才可能影响到冲洗液的流通。而“绳钻”常遇的蚀变带层和断层泥层的钻孔视厚度并不厚,而且又较多的使用无固相冲洗液冲孔,孔壁基本无泥皮形成,因此,憋水夹钻是由于粗硬颗粒形成的“群粒封门”产生的。讨论这一问题的意义在于它关系选择处理方法的正确性。

2 孔壁失稳的人为因素

从对废尺、废孔的钻孔初步了解中得知,多数是因孔壁失稳所致,进一步了解到孔壁失稳又多人为因素引起或加剧,这些人为因素包括:防坍冲洗液的选用、打捞内管的提速、憋水后的处理等。

2.1 防坍冲洗液的选用

目前国内岩心钻机机台较普遍的喜欢用聚丙烯酰胺的水溶液,作为防坍地层,由于聚丙烯酰胺这种聚合物大分子在液-固界面上的吸附构型为“多点环吸附”[2],由此形成的吸附膜不致密,对孔壁的胶结作用不强,而且,既使配成很稠的冲洗液,其低压(0.1M Pa压差)的失水量为全失水,对绿泥石、高岭石和断层泥等含粘土矿物的地层,其防坍性是不够的。再加上目前市场上提供的聚丙烯酰胺产品质量差异很大,有些产品以增大聚丙烯酰胺的水解度来提高溶液黏度,并以此冒充分子量。聚丙烯酰胺的水解度越高,其防坍性越差。用聚丙烯酰胺水溶液钻进易坍层,是选用防坍冲洗液的“误区”,是引起钻孔孔壁失稳,进而出现憋水夹钻的首要因素。

解决此问题的对策是:钻进高岭石化蚀变带和厚度不大的绿泥石蚀变带可使用黏度较高的胶物胶冲洗液和低固相不分散泥浆,其失水量(低压)应小于10m l;对层厚较厚的绿泥石化蚀变带、绢英岩化蚀变带、粉碎状碎裂岩和破碎的千枚岩、碳质板岩等极易坍塌的地层,应使用胶结性强、失水量小(低压下小于5m l、中压下小于10m l)的无固相聚合物冲洗液,如PAB冲洗液[3]。

2.2 钻进易坍层时打捞内管的提速

在易坍层内,因打捞内管的提速过快而把孔壁抽塌的事例很多,轻者,坍塌物堆在孔底,下回次钻头就下不到孔底;重者是引起孔壁严重坍塌,大量坍塌物堆于孔内,并被抽进钻具内,新疆哈密某孔,曾抽进钻具内2米的坍塌物,因此报废了两个深530m的孔。

打捞内管的提速快引起孔壁被抽塌的程度,除与地层因素有关外,还与提速、层位强度和冲洗液的黏度有关。易坍层越深、冲洗液黏度高和提速越快,则抽塌的作用越强烈。这种直接严重破坏孔壁稳定的人为因素,却并未引起广泛地关注并注意在钻进中避免。

3 出现憋水夹钻后的处理

目前对出现憋水夹钻的处理,多是反复下扫,每次都只能扫到近乎同一深度,如此反复的憋水夹钻处理中,又常有持续高压送水的错误操作,当泵压高达4～6M Pa、并持续一段时间时,足以压裂易坍层,“水”被压入孔壁地层内,而且又是反复的进行,这将严重加剧孔壁的失稳。

如果认为憋水夹钻是粗硬颗粒“群粒封门”造成的,此时不应反复扫孔,而应反复捞取孔底硬粒和提高冲洗液的防坍性等措施;如果认为是缩径则应反复扫孔。

引起孔壁失稳的人为因素还有,因坍塌层未取上岩心引起憋水夹钻;不得不带内管提钻时的提速和孔口是否回灌冲洗液;立轴式钻机回次终了提主动钻杆时的关泵等。

4 结论

(1)“绳钻”的工艺特点和易坍层的颗粒组成,决定了出现憋水夹钻的成因。

(2)冲洗液的防坍性固然是预防孔壁失稳的首要技术因素,然而,却无法抵消工艺操作不当引发的对孔壁的严重破坏作用。

(3)只要认识到孔壁失稳的人为因素及其危害,便不难找到预防孔壁失稳的工艺技术措施。

[1] 王文成.钻孔冲洗也注浆[M].北京:冶金工业出版社.1996.

[2] T.佐藤,等(江龙等译).聚合物吸附对胶态分散体稳定性的影响[M].北京:科学出版社,1988.

[3] 王文成.金刚石“绳钻”复杂地层钻进技术[M].培训教材,2010.