金剛石“繩鉆”孔壁失穩(wěn)的人為因素分析＊

肖積圖,石云海

(青海省有色地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局,西寧 810001)

目前我國巖心鉆探工程大多采用繩索取心鉆進(jìn)工藝,“繩鉆”工藝的主要特點(diǎn)之一是鉆孔的環(huán)空間隙(或稱為孔壁間隙)小,因此,在鉆進(jìn)含泥質(zhì)和硬粒構(gòu)成的地層,如綠泥石化、高嶺石化等蝕變帶層和斷層泥夾角礫層以及碎裂巖層等地層時(shí),常在鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)夾鉆的響聲,同時(shí)電流表擺動(dòng),隨之泵壓漸升,進(jìn)而發(fā)展為憋水夾鉆,反復(fù)的憋水夾鉆,其后果輕者是耗用數(shù)日的處理時(shí)間,重者是由此造成廢尺和廢孔的損失。由于此類孔故的普遍性和嚴(yán)重性,因此有必要揭示孔內(nèi)變故的成因,尤其是對其發(fā)生、發(fā)展過程中,對加劇孔壁失穩(wěn)的人為因素進(jìn)行分析和認(rèn)識更為重要。

1 關(guān)于憋水夾鉆的成因

對憋水夾鉆的判斷目前有兩種看法,一種認(rèn)為是孔壁縮徑引起的;另一種則認(rèn)為是孔壁掉落下來的粗顆粒隨沖洗液上返到硬層孔段,因環(huán)空間隙小而受阻,形成“群粒封門”所致[1]。不難判斷的是,如因縮徑憋水,通常不會出現(xiàn)硬擠夾鉆的現(xiàn)象。另外,鉆孔縮徑常與使用泥漿沖孔有關(guān),即縮徑因孔壁形成泥皮引起,又要有較長的水敏性地層的孔段時(shí),才可能影響到?jīng)_洗液的流通。而“繩鉆”常遇的蝕變帶層和斷層泥層的鉆孔視厚度并不厚,而且又較多的使用無固相沖洗液沖孔,孔壁基本無泥皮形成,因此,憋水夾鉆是由于粗硬顆粒形成的“群粒封門”產(chǎn)生的。討論這一問題的意義在于它關(guān)系選擇處理方法的正確性。

2 孔壁失穩(wěn)的人為因素

從對廢尺、廢孔的鉆孔初步了解中得知,多數(shù)是因孔壁失穩(wěn)所致,進(jìn)一步了解到孔壁失穩(wěn)又多人為因素引起或加劇,這些人為因素包括:防坍沖洗液的選用、打撈內(nèi)管的提速、憋水后的處理等。

2.1 防坍沖洗液的選用

目前國內(nèi)巖心鉆機(jī)機(jī)臺較普遍的喜歡用聚丙烯酰胺的水溶液,作為防坍地層,由于聚丙烯酰胺這種聚合物大分子在液-固界面上的吸附構(gòu)型為“多點(diǎn)環(huán)吸附”[2],由此形成的吸附膜不致密,對孔壁的膠結(jié)作用不強(qiáng),而且,既使配成很稠的沖洗液,其低壓(0.1M Pa壓差)的失水量為全失水,對綠泥石、高嶺石和斷層泥等含粘土礦物的地層,其防坍性是不夠的。再加上目前市場上提供的聚丙烯酰胺產(chǎn)品質(zhì)量差異很大,有些產(chǎn)品以增大聚丙烯酰胺的水解度來提高溶液黏度,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鉆進(jìn)易坍層,是選用防坍沖洗液的“誤區(qū)”,是引起鉆孔孔壁失穩(wěn),進(jìn)而出現(xiàn)憋水夾鉆的首要因素。

解決此問題的對策是:鉆進(jìn)高嶺石化蝕變帶和厚度不大的綠泥石蝕變帶可使用黏度較高的膠物膠沖洗液和低固相不分散泥漿,其失水量(低壓)應(yīng)小于10m l;對層厚較厚的綠泥石化蝕變帶、絹英巖化蝕變帶、粉碎狀碎裂巖和破碎的千枚巖、碳質(zhì)板巖等極易坍塌的地層,應(yīng)使用膠結(jié)性強(qiáng)、失水量小(低壓下小于5m l、中壓下小于10m l)的無固相聚合物沖洗液,如PAB沖洗液[3]。

2.2 鉆進(jìn)易坍層時(shí)打撈內(nèi)管的提速

在易坍層內(nèi),因打撈內(nèi)管的提速過快而把孔壁抽塌的事例很多,輕者,坍塌物堆在孔底,下回次鉆頭就下不到孔底;重者是引起孔壁嚴(yán)重坍塌,大量坍塌物堆于孔內(nèi),并被抽進(jìn)鉆具內(nèi),新疆哈密某孔,曾抽進(jìn)鉆具內(nèi)2米的坍塌物,因此報(bào)廢了兩個(gè)深530m的孔。

打撈內(nèi)管的提速快引起孔壁被抽塌的程度,除與地層因素有關(guān)外,還與提速、層位強(qiáng)度和沖洗液的黏度有關(guān)。易坍層越深、沖洗液黏度高和提速越快,則抽塌的作用越強(qiáng)烈。這種直接嚴(yán)重破壞孔壁穩(wěn)定的人為因素,卻并未引起廣泛地關(guān)注并注意在鉆進(jìn)中避免。

3 出現(xiàn)憋水夾鉆后的處理

目前對出現(xiàn)憋水夾鉆的處理,多是反復(fù)下掃,每次都只能掃到近乎同一深度,如此反復(fù)的憋水夾鉆處理中,又常有持續(xù)高壓送水的錯(cuò)誤操作,當(dāng)泵壓高達(dá)4～6M Pa、并持續(xù)一段時(shí)間時(shí),足以壓裂易坍層,“水”被壓入孔壁地層內(nèi),而且又是反復(fù)的進(jìn)行,這將嚴(yán)重加劇孔壁的失穩(wěn)。

如果認(rèn)為憋水夾鉆是粗硬顆?！叭毫７忾T”造成的,此時(shí)不應(yīng)反復(fù)掃孔,而應(yīng)反復(fù)撈取孔底硬粒和提高沖洗液的防坍性等措施;如果認(rèn)為是縮徑則應(yīng)反復(fù)掃孔。

引起孔壁失穩(wěn)的人為因素還有,因坍塌層未取上巖心引起憋水夾鉆;不得不帶內(nèi)管提鉆時(shí)的提速和孔口是否回灌沖洗液;立軸式鉆機(jī)回次終了提主動(dòng)鉆桿時(shí)的關(guān)泵等。

4 結(jié)論

(1)“繩鉆”的工藝特點(diǎn)和易坍層的顆粒組成,決定了出現(xiàn)憋水夾鉆的成因。

(2)沖洗液的防坍性固然是預(yù)防孔壁失穩(wěn)的首要技術(shù)因素,然而,卻無法抵消工藝操作不當(dāng)引發(fā)的對孔壁的嚴(yán)重破壞作用。

(3)只要認(rèn)識到孔壁失穩(wěn)的人為因素及其危害,便不難找到預(yù)防孔壁失穩(wěn)的工藝技術(shù)措施。

[1] 王文成.鉆孔沖洗也注漿[M].北京:冶金工業(yè)出版社.1996.

[2] T.佐藤,等(江龍等譯).聚合物吸附對膠態(tài)分散體穩(wěn)定性的影響[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

[3] 王文成.金剛石“繩鉆”復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)[M].培訓(xùn)教材,2010.