金剛石“繩鉆”孔壁失穩的人為因素分析＊

肖積圖,石云海

(青海省有色地質礦產勘查局,西寧 810001)

目前我國巖心鉆探工程大多采用繩索取心鉆進工藝,“繩鉆”工藝的主要特點之一是鉆孔的環空間隙(或稱為孔壁間隙)小,因此,在鉆進含泥質和硬粒構成的地層,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,常在鉆進時出現夾鉆的響聲,同時電流表擺動,隨之泵壓漸升,進而發展為憋水夾鉆,反復的憋水夾鉆,其后果輕者是耗用數日的處理時間,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重性,因此有必要揭示孔內變故的成因,尤其是對其發生、發展過程中,對加劇孔壁失穩的人為因素進行分析和認識更為重要。

1 關于憋水夾鉆的成因

對憋水夾鉆的判斷目前有兩種看法,一種認為是孔壁縮徑引起的;另一種則認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,通常不會出現硬擠夾鉆的現象。另外,鉆孔縮徑常與使用泥漿沖孔有關,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,才可能影響到沖洗液的流通。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”產生的。討論這一問題的意義在于它關系選擇處理方法的正確性。

2 孔壁失穩的人為因素

從對廢尺、廢孔的鉆孔初步了解中得知,多數是因孔壁失穩所致,進一步了解到孔壁失穩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

目前國內巖心鉆機機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-固界面上的吸附構型為“多點環吸附”[2],由此形成的吸附膜不致密,對孔壁的膠結作用不強,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品質量差異很大,有些產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易坍層,是選用防坍沖洗液的“誤區”,是引起鉆孔孔壁失穩,進而出現憋水夾鉆的首要因素。

解決此問題的對策是:鉆進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、碳質板巖等極易坍塌的地層,應使用膠結性強、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 鉆進易坍層時打撈內管的提速

在易坍層內,因打撈內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;重者是引起孔壁嚴重坍塌,大量坍塌物堆于孔內,并被抽進鉆具內,新疆哈密某孔,曾抽進鉆具內2米的坍塌物,因此報廢了兩個深530m的孔。

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

3 出現憋水夾鉆后的處理

目前對出現憋水夾鉆的處理,多是反復下掃,每次都只能掃到近乎同一深度,如此反復的憋水夾鉆處理中,又常有持續高壓送水的錯誤操作,當泵壓高達4～6M Pa、并持續一段時間時,足以壓裂易坍層,“水”被壓入孔壁地層內,而且又是反復的進行,這將嚴重加劇孔壁的失穩。

如果認為憋水夾鉆是粗硬顆粒“群粒封門”造成的,此時不應反復掃孔,而應反復撈取孔底硬粒和提高沖洗液的防坍性等措施;如果認為是縮徑則應反復掃孔。

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

4 結論

(1)“繩鉆”的工藝特點和易坍層的顆粒組成,決定了出現憋水夾鉆的成因。

(2)沖洗液的防坍性固然是預防孔壁失穩的首要技術因素,然而,卻無法抵消工藝操作不當引發的對孔壁的嚴重破壞作用。

(3)只要認識到孔壁失穩的人為因素及其危害,便不難找到預防孔壁失穩的工藝技術措施。

[1] 王文成.鉆孔沖洗也注漿[M].北京:冶金工業出版社.1996.

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

[3] 王文成.金剛石“繩鉆”復雜地層鉆進技術[M].培訓教材,2010.