深孔巖心鉆探問題探討

摘 要：在深孔巖心鉆探的過程中，孔壁穩定是其核心問題，鉆探開始前需要進行各項預測，當中包括：地層應力、破裂壓力、地層孔隙壓力、地層坍塌壓力，這些數據是保證深孔巖心鉆探安全、優質、高效以及低成本的關鍵所在，也決定了套管強度、套管程序、孔身結構、鉆井液密度和其流變性能的設計。在孔壁穩定的前提條件下，從孔身結構與套管程序、鉆探設備、鉆具組合等幾方面探討深孔巖心在工作過程中存在的問題，以及提出相應的改善措施。

關鍵詞：深孔巖心鉆探 孔壁穩定 鉆探設備 鉆具組合

中圖分類號：P634文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0119-01

傳統的巖心鉆探和深孔巖心鉆探存在著很大的區別，這不僅體現在孔深的增加，還有鉆孔難度與單位鉆進成本的增加，這就要求鉆探工程技術人員必須要變革傳統的思想，必須建立安全第一的觀念，設計孔身結構與選擇鉆進工藝孔壁穩定一定要作為前提。以巖心鉆探來講，孔壁穩定是一項全新的課題，在鉆探之前預測涉及到地層應力、地層孔隙壓力、破裂壓力、地層坍塌壓力，這綜合了地質構造、巖石物性、地球物理學、地球化學、鉆探工藝以及孔內測井等多種學科，也是保證深孔巖心鉆探安全、高效、優質以及低成本的關鍵所在，決定了套管程序與強度、鉆井液密度、孔身結構與其流變性能的設計，還有鉆探設備和鉆進工藝的選擇。文章把孔壁穩定作為前提基礎，從孔身結構、套管程序與鉆具組合、鉆探設備幾方面探討深孔巖心鉆探過程中存在的問題以及提出相應的改進辦法。

1 孔壁穩定性

在鉆探工程中普遍存在的問題就是孔壁穩定，其包含中基本類型：孔壁坍塌或者縮徑、地層壓裂或者破裂。由于沒有合理的掌握井壁的穩定情況很容易造成井噴、井漏、固井不返水泥漿以及粘彈性地層變形等諸多孔內問題。在深孔巖心的鉆探過程中，人們一定要對孔壁穩定性多加關注，從而減少經濟損失。能夠引起孔壁失去穩定性的因素主要有地質因素和工程因素兩個方面。地質因素主要包括：原地應力的大小、地質構造類型以及地層強度等組多因素。而鉆井液的性能、孔徑的大小、鉆井液的環空返速等等構成了工程的主要因素。孔壁巖石所承受的應力超出了他在孔眼狀態下所能承受的強度，這是發生孔壁失效的根本原因。在孔內鉆井液壓力過低的狀態下，孔壁周圍的巖石所承受的力量超過了其所能承受巖石的剪切強度，則孔壁的巖石便會發生不同程度的破壞；當孔內鉆井液密度過大時，巖石所承受的力超過了本身的拉伸力度，從而發生了地層的破裂。

2 鉆機的發展現狀

目前我國在實際的鉆探施工中，所使用鉆探設備仍存在許多不足，這就需要設計人員對這種現象提高警惕，并給予高度的重視。

2.1 驅動方式落后

在動力頭鉆機沒有產生之前，人們主要應用的是立軸式巖心鉆機以及轉盤式石油鉆機。但是經過長期的實踐，兩種鉆機均顯現了不同的缺陷，在20世紀70年代，國外發明了動力頭鉆機，目前已經得到了廣泛的應用。但是我國自主研發的全液壓動力頭鉆機發展十分緩慢，目前國內所生產的全液壓動力頭鉆機并沒有達到所需的程度。結合我國深孔巖心鉆探的特點，筆者認為，應該將如何能夠在石油鉆塔上進行全液壓動力頭鉆機工作作為深孔巖心鉆機的發展方向，即使用轉盤+高速頂驅的驅動方式，頂驅的最高轉速要達到500r/min以上，最低轉速要與轉盤轉速有部分的交叉，大概在80r/min左右，在進行全面鉆孔和擴孔時使用轉盤鉆進，高速頂驅則用于取心鉆進。

2.2 鉆塔高度低

在深孔鉆探作業中，回次進尺長度以及起下鉆的時間是影響取心鉆進成本的主要因素。設備成本的高低影響著巖心鉆機的好評度，我們以KZ3000型巖心鉆機所配鉆塔為例，選用有效高度為31m的鉆塔和43m的鉆塔，兩者的差價不到40萬元，如果把鉆塔運費計算在內，價格差也是一口鉆孔的起下鉆的成本差，但是起下鉆的勞動強度確有明顯的降低。由于以上情況，筆者認為，深孔巖心鉆機的鉆塔應選擇有效高度為43m的鉆塔，鉆塔的地盤高速要不小于4米。

3 設備及加壓方式

3.1 固相控制設備

鉆探技術在不斷取得進步的同時，鉆井液也引起了廣大鉆探技術人員的重視。目前對鉆井液性能進行調整的最有效方式是將鉆井液中的巖屑和劣質粘土進行清除。鉆井液固控技術的發展為調控鉆井液性能提供了有效地方法。固控設備主要包括除砂器、以及除泥器、振動篩和離心機，這些固控設備都能夠將鉆井液中的無用固相有效的清理掉，保持優質的粘土含量，以達到調整鉆井液性能的目的。

3.2 加壓方式

深孔取心鉆探所采用的加壓方式應該為鉆鋌加壓方式，該方式能夠有效控制鉆孔的“狗腿”度，確保套管能夠準確的到達所設計的深度。人們經過研究發現，鉆體第一次彎曲的鉆壓P為：

P

在公式中：E——鋼的彈性模量；I——鉆柱的截面慣性矩；qa——鉆柱在空氣中的重力；Kb——浮力系數。

從計算公式中可以看出，鉆鋌出現第一次彎曲的鉆壓要比鉆桿大得多，這就是為什么選擇鉆鋌加壓的重要原因之一。在使用鉆鋌設計時，需將以下因素考慮在內：鉆鋌組合的剛度要比所下套管的剛度大；至少有一柱鉆鋌的外徑尺寸足夠大，這樣才能確保套管順利的下入孔內；在進行打撈作業時，最大的鉆鋌外徑要足夠大，確保能夠對其進行套銑。

4 結語

深孔巖心鉆探與以往的巖心鉆探相比較，其具有自身的規律性，鉆探工程技術人員要尊重深孔巖心鉆探的規律性，樹立起鉆探設備服從于鉆探工藝需求的觀念。本文主要從孔壁穩定入手進過細致的分析和研究，對能夠引起孔壁失去穩定性的關鍵因素進行了解析，之后就孔取心鉆探所采用的加壓方式進行了探討，最后針對實際情況就鉆探設備給出了一些建議和意見。

參考文獻

[1]高德利.復雜地質條件下深井超深井鉆井技術[M].北京：石油工業出版社，2004.

[2]鄧金根，程遠方，陳勉，等.井壁穩定預測技術[M].北京：石油工業出版社，2008.

[3]王連捷，崔軍文，張曉衛，等.中國大陸科學鉆主孔現今地應力狀態[J].地球科學，2006，31（4）：505-512.