地質(zhì)鉆探中坍塌破碎地層鉆進(jìn)護(hù)壁方法初探

白閏平 谷宏海 劉海宇

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

工業(yè)化帶來(lái)了人類(lèi)的現(xiàn)代文明，而現(xiàn)代工業(yè)化的基礎(chǔ)是各類(lèi)能源，如：石油、煤、天然氣、鐵等。各種能源礦床的勘探離不開(kāi)地質(zhì)鉆探。因此，地質(zhì)鉆探對(duì)現(xiàn)代工業(yè)化的進(jìn)程起著非常重要的作用。

在坍塌破碎巖層中開(kāi)展地質(zhì)鉆探是一個(gè)難點(diǎn)，例如：坍塌破碎層中的巖塊脫落造成卡鉆等，嚴(yán)重影響鉆探工作的開(kāi)展，甚至造成鉆具無(wú)法從地層中提取，造成鉆孔和鉆具的廢棄，給鉆探工作帶來(lái)非常巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆探行業(yè)內(nèi)鉆孔的護(hù)壁成本占總成本的20%，占單孔成本的30%，隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，鉆探深度在不斷加深，鉆探區(qū)域也從陸地向海洋發(fā)展，護(hù)壁成本仍然在攀升中[1-5]。

歸納當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的護(hù)壁措施，簡(jiǎn)單分為兩種情況：物理措施方面和化學(xué)措施方面。物理措施主要就是運(yùn)用套管來(lái)達(dá)到護(hù)壁的要求，化學(xué)措施就是使用各種漿液和沖洗液來(lái)保證孔內(nèi)的潤(rùn)滑和粘稠度。目前，化學(xué)措施方面已經(jīng)發(fā)展了近一個(gè)世紀(jì)，相對(duì)比較成熟?？墒俏锢泶胧┓矫妫瑑H有套管這個(gè)措施比較常用，急需提出新的物理措施來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的鉆探護(hù)壁要求[6-11]。

筆者將提出一套物理措施和化學(xué)措施相結(jié)合的新型鉆孔護(hù)壁方法，文中主要從物理措施和化學(xué)措施兩個(gè)方面著手來(lái)分析該鉆孔護(hù)壁方法。

2 物理措施

鉆探護(hù)壁方法的主要思路為：當(dāng)鉆探中遇到坍塌破碎巖層時(shí)，將本方法中發(fā)明的裝置放入坍塌破碎巖層的鉆孔中，高壓噴射漿液到孔壁，通過(guò)漿液凝固來(lái)達(dá)到護(hù)壁的作用。漿液噴射裝置示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1中，噴射裝置上部的橡膠塞作用是分隔鉆孔中膠塞上部空間和下部空間，以便于將膠塞下部空間的水體抽出。圖1中，噴射裝置下部的反向鉆頭是為了便于將漿液噴射裝置提出鉆孔，在從孔中提出該裝置時(shí)，下方的反向鉆頭將處于旋轉(zhuǎn)中，達(dá)到反向修孔的效果。

3 化學(xué)措施

目前，國(guó)內(nèi)外主要的護(hù)壁方式，是在鉆探作業(yè)中加入各類(lèi)鉆探泥漿和沖洗液，來(lái)起到護(hù)壁作用。國(guó)外鉆探泥漿和沖洗液的研究和發(fā)展比較早，已有數(shù)百家沖洗液公司、化學(xué)公司及鉆井公司為石油鉆探、水井鉆探、巖心鉆探、工程鉆探提供泥漿材料和沖洗液。每年將近有2 000多種沖洗液在World Oil雜志刊登，而且這些材料均實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)[8-10]。

各種粘土沖洗液被廣泛的使用，如瓜爾豆膠、生物聚合物、徑乙基纖維素、海藻膠為基本原料，同時(shí)對(duì)紊流減阻液也進(jìn)行了研究。目前，俄羅斯在新型護(hù)壁材料的研究中走在世界前列，已成功開(kāi)發(fā)出多種速凝、高強(qiáng)度和高膨脹性能的特種水泥。此外，速凝混合漿液和水泥聚合物漿液，在護(hù)壁中的應(yīng)用也均取得了很好的效果[11-14]。

20世紀(jì)40年代，我國(guó)使用的護(hù)壁材料主要是普通硅酸鹽水泥漿液，以后逐漸開(kāi)始使用泥漿與水泥按一定比例配制的膠質(zhì)水泥漿。20世紀(jì)50年代和60年代，開(kāi)始使用凍膠泥漿、纖維漿、快干水泥漿和油井水泥等作為鉆孔的護(hù)壁材料。近些年，對(duì)改變水泥性能的各種添加劑研究較為廣泛，如早強(qiáng)劑、減水劑、比重降低劑等，如FA水泥減重劑，可使水泥漿比重降低到1.25～1.40左右?，F(xiàn)在，我國(guó)也已研制出既保證有足夠流動(dòng)度，而凝結(jié)時(shí)間又較短的復(fù)合速凝劑，這些水泥的外加劑可以很大程度的調(diào)節(jié)水泥的特性，以滿(mǎn)足各種護(hù)壁工作的要求[15-17]。

隨著化工技術(shù)的不斷發(fā)展，目前可供選擇的漿液范圍越來(lái)越廣泛?？墒?，水泥仍然是一種比較好用的護(hù)壁漿液，而且成本低廉。

本文護(hù)壁方法中的化學(xué)措施主要難點(diǎn)在于，依據(jù)護(hù)壁漿液的凝固特性和漿液的物理特性，選擇可靠的漿液，漿液的選擇要視鉆孔所處狀況而定。

4 結(jié)語(yǔ)

該方法主要包括兩個(gè)部分：第一部分為噴漿設(shè)備的發(fā)明；第二部分為漿液的選擇。圖2為該方法的技術(shù)要點(diǎn)圖。

該鉆進(jìn)護(hù)壁方法可以簡(jiǎn)單介紹如下：噴漿設(shè)備的噴頭為表面布滿(mǎn)孔的柱狀圓筒，在噴頭的末尾帶有橡膠塞，該橡膠塞的主要作用為密封噴頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)的鉆孔，隔離鉆孔中橡膠塞上下兩端的水體。待噴漿設(shè)備放入孔底后，開(kāi)始給橡膠塞加壓，讓其與孔壁緊緊壓在一起，然后將橡膠塞下端的水抽出，保證橡膠塞下端孔內(nèi)無(wú)水，再?gòu)目卓诟邏罕盟蜐{液到孔底，并從噴漿設(shè)備的噴頭噴出，噴出的漿液附著在鉆孔的孔壁，待漿液凝固，即可保證孔壁的碎巖塊不落入孔中，從而達(dá)到護(hù)壁的效果。

本文初步探討了一種新型的地質(zhì)鉆探鉆孔護(hù)壁方法，筆者在后續(xù)的研究中會(huì)不斷的加以完善。