跟管钻进技术在梁河盆地金属矿开采涌水钻孔施工中的运用

刘鹏，廖明海，姚海平

（核工业二八0研究所，四川 广汉 618300）

滇西梁河地区受岩浆活动和地质构造的影响，孕育有丰富的地下矿产资源。核工业二八0研究所在该地区开展多金属找矿工作多年，并于2018年开始开展钻探查证工作，工作地点主要位于腾冲市。2019年在该地区共施工钻孔14个，完成钻探工作量4000余米，主要采取单管取心钻进工艺施工。由于地质构造复杂多变，在施工中遇到的孔内事故较多，该年度遇到的最大难题为涌水孔的施工问题，若无法解决该问题，则难于进行后续施工。最后经过探讨和实践，通过采用跟管钻进技术，成功的解决了该地区涌水孔施工难题，进而顺利完成施工任务。

1 工区概况

1.1 地质概况

腾冲市地处亚欧板块与印度板块相撞交接的地方，地质史年代发生过激烈的火山运动。正是由于两个大陆的漂移碰撞，使腾冲成为世界罕见并且是最典型的火山地热并存区，并孕育出大量的矿产资源。该地区地势北高南低，东高西低，区内多高山，山区海拔在1400～3000m之间，属构造剥蚀中低山区。盆地出露海拔在1000～1800m之间，相对高差在300～700m之间，属低山丘陵河谷阶地地貌。腾冲微板块构造较复杂，褶皱构造与断裂构造发育，且以断裂构造为主。构造线方向总体呈向东凸起的弧形，弧顶在北部腾冲地区梁河、龙陵一线。梁河、龙陵以北地区主构造线方向以近南北向为主，以南地区以北东向为主。工作区受地质构造影响，地层复杂多变，属于钻孔孔内事故多发地带，易发生涌水、漏失和塌孔等事故。

1.2 气候特征

工作区属于热带季风气候，集大陆气候和海洋性气候的优点为一体，冬春天气晴朗，气候暖和，夏秋晴雨相兼，气候凉爽宜人，年平均降雨量为1531毫米。由于其独特的气候条件和丰富的降水，致使该地区的地下水资源极其丰富，是钻孔涌水的主要成因之一。

1.3 岩石的物理机械性质

根据地质设计书的钻孔剖面图和钻孔揭露的地层，钻遇主要地层有第四系覆盖层、泥岩、砂岩、砂砾岩、花岗岩和玄武岩等。在钻遇胶结松散的砂岩地层和裂隙发育的花岗岩地层易产生钻孔涌水。各地层的可钻性岩石物理机械特性和分级如下表1：

表1 岩石物理机械特性和分级表

2 涌水孔成因及特点

涌水孔成因：根据以往施工情况和水文地质资料，该地区的地层中含有丰富地下水（潜水和承压水），施工中易钻遇涌水地层，涌水地层主要表现为承压水层涌水。当钻孔钻穿破坏承压水层顶板时，导致砂岩地层中承压水找到泄压点，导致地下水沿钻孔涌出，从而形成涌水孔。

涌水特点：水量大、不集中、多孔段，部分涌水层携带有大量的泥沙。

因此，在该地区钻探施工时，应采取有效措施解决钻孔涌水问题。根据以往的施工经验和查阅相关资料后，研究决定采用跟管钻进技术进行涌水施工。

3 涌水孔处理关键技术

通过对涌水孔施工过程中各环节的进行经验总结，涌水孔处理过程中的关键技术如下：

3.1 跟管钻进技术

跟管钻进是一种处理常规钻进无法正常施工的技术手段，跟管钻进的形式多种多样，且适用地层条件和施工工艺均不同。其主要原理为：一边向下钻进一边跟进下入套管，通过下放的套管及时保护孔壁，以应对复杂的地层，确保成孔。本文中的跟管钻进技术流程主要如下：

（1）正常取心钻进，施工至涌水地层后提钻；

（2）采用较钻孔大一级的金刚石无内径钻头配合套管进行扩孔施工至钻孔当前孔深位置，孔口固定套管；

（3）下入较套管内径小一级的取心钻具，进行取心，根据施工情况，确定取心施工深度（一般为整根套管长度3m），提钻取心（图1）；

图1 涌水取心钻进

（4）解除固定并分次加长套管，采用回转扩孔的方式下入取心位置后（图2），孔口固定套管；

图2 跟管钻进图

（5）重复步骤3和步骤4，直至穿过涌水地层后，将套管在稳定地层上坐实，防止套管跑管，固定套管。

3.2 地下水和钻井液隔离技术

在下入套管后，由于套管与孔壁之间留有间隙，地下涌水从套管外围涌出，为隔离地下水和钻井液，可采用塑料布将套管口缠紧，地下水在塑料布下沿引导槽进入溪流，钻井液在塑料布上流动循环至泥浆坑，从而达到地下水与钻井液的有效隔离。

当采用两层套管隔离多层地下水时，其钻井液循环路径和涌水路径示意图见图3。

图3 涌水分流示意图

4 涌水孔处理工艺实例分析

本文以ZK37-26涌水钻孔为例，对涌水钻孔处理工艺流程进行概述。

4.1 ZK37-26涌水孔概况

该钻孔设计孔深为360米，施工周期为14天，是2019年度涌水量最大的钻孔，其处理过程也最复杂。其施工中共钻遇4层涌水层，均为承压水层。最后通过跟管钻进的涌水处理措施，达到成孔的目的。开创了梁河地区跟管钻技术进处理钻孔涌水的先河，为后续的涌水孔施工提供了参考和依据。该钻孔涌水情况和涌水段见下表2：

表2 ZK37-26钻孔涌水情况统计表

4.2 涌水孔钻孔结构设计

考虑到该地区涌水情况较严重，综合工作区域内地层和岩性特点，在充分考虑钻进工艺技术的基础上，拟采用多级钻孔结构，结合实际情况进行适当调整，初步确定钻孔结构图如右图4：

图4 钻孔结构示意图

4.3 钻井液配置

由于该地区涌水量大，采用传统的加重钻井液的方法施工根本无法满足施工要求，同时涌水段涌水与钻井液结合，易影响当地环境。因此，在涌水段施工时，采用清水替代钻井液，在涌水地段下入隔水套管后，实现钻孔涌水与钻井液分离后，使用常规的钻井液钻进。

4.4 涌水孔施工流程

根据边施工边调整的原则，施工过程大致分为以下几个阶段。

4.4.1 第一阶段：0～60m（第一层涌水层）

取心钻具组合：

开孔钻具+变径接手+主动钻杆；

Ф110mm复合片单管取心钻头+Ф89mm单管加长岩心管+Ф60mm钻杆+主动钻杆。

跟管钻具组合：

Ф131mm金刚石钻头（无内径）+Ф127mm套管+变径接手+Ф60mm钻杆+主动钻杆。

工艺流程：

使用开孔钻具开孔，施工至稳定地层后下入Ф127mm套管并固定，后更换Ф110mm钻具施工至40m，地层出现涌水；提钻并拔出套管，采用上述跟管钻具施工扩孔至40m并固定后，更换取心钻具进行取心；在取心结束后，加长套管，往下继续扩孔至取心位置处；扩孔结束后，更换取心钻具进行取心，随后继续跟管扩孔。按上述跟管钻进流程循环施工至钻孔60m处，套管内部基本停止涌水，根据取出的岩心判断地层基本稳定，停止该跟管钻进过程。此时套管外部仍存在涌水现象，按照上述隔离措施将钻井液和涌水分流后，进行正常取心钻进。

4.4.2 第二阶段：60～147m（第二层至第四层涌水层）

取心钻具组合：

Ф110mm复合片单管取心钻头+Ф89mm单管岩心管+变径接手+Ф60mm钻杆+主动钻杆；

Ф94mm复合片单管取心钻头+Ф89mm单管岩心管+变径接手+Ф60mm钻杆+主动钻杆。

跟管钻具组合：

Ф110mm金刚石钻头（无内径）+Ф108mm套管+变径接手+Ф60mm钻杆+主动钻杆。

工艺流程：

采用Ф110mm取心钻具施工至91m处，孔内再次出现涌水情况，根据当时涌水量的大小，决定再次采用跟管钻进方法施工，以防止出现塌孔现象。随即提钻，下入上述跟管钻具至涌水处并固定套管后，更换Ф94mm取心钻具进行取心施工，按照第一阶段跟管钻进施工工艺施工，在施工至95m处后，涌水量趋于平稳，但采取岩心较松散，随即继续跟管施工，后续分别在110～114m处和142～143m出现涌水量增大的情形，结合取心情况，判定这两处也是涌水层。在跟管施工至147m处，套管内停止反水，且岩心完整具有一定的硬度，此刻停止跟管钻进。将Ф108mm套管在孔口固定，并按照隔离措施将钻井液和涌水分流，涌出水流和第一阶段水流汇合后排入溪流。随后，采用Ф94mm取心钻具进行正常取心钻进。

4.4.3 第三阶段：147m～终孔（无涌水段）

钻具组合：Ф94mm复合片单管钻头+Ф89mm单管岩心管+变径接手+Ф60mm钻杆+主动钻杆。

工艺流程：

搅拌钻井液替换套管内清水后，下入上述取心钻具进行正常取心施工，在下入双层隔水套管后，后续施工较顺利，至终孔未出现其它异常情况。

4.4.4 第四阶段：封孔

封孔一般采用分层封孔，首先按照常规封孔方法封闭下方未涌水段，然后提出全部套管，随后使用一根6m左右的Ф127mm套管并将其底部缠绕止水物质（膨胀止水橡胶），下入孔内并采用夹板固定；随后，采用特制双球阀套管接箍（图5）与套管连接，一个阀门与水管相连并打开阀门排水，一个阀门与泥浆泵连接；然后在孔壁间注入水泥和水玻璃的混合液，待其凝固后关闭排水阀门并打开与钻井液泵相连阀门，开始注入水泥浆，利用泥浆泵的提供的压力，将水泥注入孔内；注浆过程时刻留意泥浆泵压力表的变化，当压力达到一定程度后并保持稳定后，停止注浆，关闭注浆阀门；等待水泥浆完全凝固后，卸掉特制管箍，封孔工作完成。

图5 特制双球阀套管接箍

4.5 施工中注意事项

在施工中应注意以下事项：

（1）套管接箍处应电焊焊接牢固，防止退扣脱落；

（2）每个跟管回次施工时，套管在井口处采用夹板固定住，防止套管下沉；

（3）套管应坐实在完整坚固的地层上，否则易松动，影响后续施工；

（4）注意观察孔口涌水情况，根据涌水情况判断孔内情况并及时调整施工工艺；

（5）封孔过程中应注意观察钻井液泵压力，防止压力过高，发生伤人事故。

5 结语

该试验说明跟管钻进技术能有效解决矿产勘查中钻遇涌水地层的施工问题，其改变传统的涌水孔施工工艺（加重钻井液比重），通过“以疏代堵”的方式处理涌水孔的涌水问题。同时，能有效实现钻井液和涌水分离，可以减少环境污染和节约施工成本。但在涌水段施工时，由于地层松散、清水替代钻井液和单管钻具取心等因素的影响，涌水段整体取心率偏低，后续经过探讨，可以通过绳索取心工艺提高涌水段的岩矿心采取率。该施工工艺较复杂，在施工中不易掌握，对施工人员的操作要求也较高，因此在进行跟管钻进前，应先对操作人员进行技术交底和做好培训等工相关作。