青海木里煤田煤系地層鉆探孔壁穩(wěn)定性分析

衣風(fēng)龍 張少林 鮑海山

摘要：造成孔壁失穩(wěn)的因素很多，本文將以孔壁穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，通過受力分析來進(jìn)一步探討影響青海木里煤系地層孔壁穩(wěn)定性的原因，并結(jié)合工程因素及以往實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，分析和總結(jié)木里煤系地層鉆探維護(hù)孔壁穩(wěn)定的一些技術(shù)措施，為今后在該區(qū)內(nèi)鉆探取芯時(shí)制定維護(hù)孔壁穩(wěn)定技術(shù)方案提供參考，由于本文最終的總結(jié)均基于近年來在該區(qū)域內(nèi)的實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)資料，與現(xiàn)場結(jié)合緊密，因此具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：木里煤田、煤系地層、孔壁穩(wěn)定性、受力分析、防塌泥漿體系、

鉆探取芯是地質(zhì)勘查的一種主要技術(shù)手段，通過鉆探取芯可以獲取巖心樣品，為調(diào)查人員估算礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量及合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，木里煤田是青海省最大的煤田，也是我國陸域天然氣水合物資源的發(fā)現(xiàn)地，我單位長期在青海木里煤田進(jìn)行資源勘查工作，在鉆探取芯時(shí)孔壁失穩(wěn)問題較為突出，木里煤系地層遇水后孔壁穩(wěn)定性極差，主要表現(xiàn)為聚乎更礦區(qū)上部侏羅統(tǒng)泥頁巖地層巨厚、松散、破碎、膠結(jié)性差，遇水后極易裂解、坍塌，江倉礦區(qū)南部及雷尼克第四系水敏性地層巨厚，遇水后極易膨脹、縮徑，致使在以往的鉆探施工中鉆孔坍塌、卡埋鉆具等各種事故經(jīng)常發(fā)生，除淺孔外，中深孔均靠套管多級成孔，尤其是在聚乎更礦區(qū)六號井和三露天中侏羅統(tǒng)油頁巖地層鉆探取芯時(shí)孔壁極易失穩(wěn)垮塌，有時(shí)甚至使事故惡化導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，多年的實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)證明，如何在木里煤田煤系地層鉆探取芯時(shí)保證孔壁穩(wěn)定是一個(gè)技術(shù)性難題。

在國內(nèi)有很多的專家和學(xué)者針對孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，得出了許多有意義的觀點(diǎn)和結(jié)論，研究內(nèi)容主要以力學(xué)和化學(xué)兩個(gè)方面為主，本文將以孔壁穩(wěn)定性為基礎(chǔ)，通過受力分析來進(jìn)一步探討木里煤系地層鉆探孔壁失穩(wěn)的原因，同時(shí)結(jié)合地層特征和多年實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)，針對木里煤系地層鉆探取芯鉆孔護(hù)壁困難的實(shí)際情況，提出一些切實(shí)可行的護(hù)壁技術(shù)措施。

1孔壁受力分析

地層在鉆進(jìn)之前都是處于原始力學(xué)平衡和相對穩(wěn)定狀態(tài)，如果鉆頭一旦鉆穿巖層也就打破了地層原始的平衡狀態(tài)，改變了孔壁巖層所承受的原始應(yīng)力，極易造成孔壁失穩(wěn)破壞而發(fā)生坍塌，造成地層孔壁失穩(wěn)的因素很多，主要與地質(zhì)構(gòu)造類型、泥漿性能及鉆探工藝有關(guān)，木里煤系地層主要以泥頁巖為主的水敏性巖層和膠結(jié)性差的松散破碎巖層構(gòu)成，上述地層遇水后巖層力學(xué)性能極不穩(wěn)定，因此，從理論上分析木里煤系地層孔壁力學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)以孔壁受泥漿浸泡后的狀態(tài)來進(jìn)行受力分析，圖2-1為木里煤系地層孔壁穩(wěn)定性力學(xué)模型圖，上部第四系表土覆蓋層厚度為h1，下部侏羅統(tǒng)煤系地層厚度為h。

為了便于計(jì)算，對該模型作以下假設(shè)：孔壁是一個(gè)垂直度較好的圓柱體，孔內(nèi)鉆具垂直較好無變形現(xiàn)象，煤系不穩(wěn)定地層在地下水位以上，忽略地面載荷作用。

研究表明，木里煤系地層孔壁主要礦物成分為膠結(jié)程度較差的長石、石英、云母和水敏性極強(qiáng)的蒙脫石為主的粘土礦物及植物根莖葉等有機(jī)質(zhì)和煤層中碳酸鹽、硫酸鹽等礦物質(zhì)組成，具親水性、分散性，呈弱透水性或微透水性，如果以上礦物質(zhì)及巖層被泥漿浸泡后，會(huì)出現(xiàn)孔壁巖層膠結(jié)物質(zhì)如Na+、K+等大量溶解引起巖層膠結(jié)程度變差現(xiàn)象，泥頁巖及粘土顆粒在水化作用下吸水、膨脹、變軟、裂解，松散破碎具透水性巖層在孔內(nèi)壓差作用下使泥漿中的自由水通過滲透方式不斷進(jìn)入裂隙構(gòu)造中，含天然氣水合物巖層由于溫壓條件的改變引起水合物大量分解及分解后釋放大量氣體和水分子造成組成巖層的基本骨架遭到破壞等，此時(shí)的煤系地層呈散體狀。

呈散體狀的孔壁受力考慮主動(dòng)土壓力Pa、孔內(nèi)水壓力u、孔內(nèi)水向孔壁滲流時(shí)產(chǎn)生的滲透力J1、孔外水向孔內(nèi)的的滲透力J2及泥漿的抽吸力Pc，考慮到煤系地層呈弱透水性或微透水性，以及文中假設(shè)的巖層在地下水位線以上，故取J1=J2=0，要使孔壁穩(wěn)定，在徑向必須滿足：

u ≥ Pa + Pc （2-1）

參照力學(xué)公式可得：

u = Nz Hz （2-2）

Pa = （ V1 h1 + V12 h ） tg2（ 45°- ∮/2 ） （2-3）

式中：Hz為孔內(nèi)泥漿高度（m）；Nz為泥漿重度（kN/m3）；V1為上覆巖土層平均重度（kN/m3）；V12—巖層平均有效重度（kN/m3）；∮為巖層摩擦角（°），將（2-2）（3-2）代入（2-1），得孔壁穩(wěn)定性的條件為：

Nz Hz ≥ （ V1 h1 + V12 h ） tg2（ 45°- ∮/2 ） + Pc （2-4）

由以上公式可知孔壁被泥漿浸泡后，主要由泥漿對孔壁產(chǎn)生壓力以提供支撐力來維持孔壁的穩(wěn)定性，如果泥漿對孔壁的壓力不足，被泥漿浸泡后松散顆粒之間粘聚力為0，在泥漿的輕微的抽吸作用下，極易造成孔壁坍塌事故。

泥漿液柱壓力是對孔壁提供支撐力的主要來源，計(jì)算公式如下：

P = H g / 10 （2-5）

式中P為孔內(nèi)泥漿液柱靜壓力（pa ），H為孔深（m）， g為泥漿比重（g/cm3），由（2-5）公式可知泥漿比重越高，泥漿對孔壁巖層的支撐壓力越大，泥漿比重的增加還可以減小和抑制孔壁不穩(wěn)定巖層的脫落。

實(shí)踐表明，隨著泥漿比重和液柱壓力的增加，并不能完全有效的抑制煤系地層不穩(wěn)定巖石的掉落，因?yàn)閹r層自身具有一定的彈塑性、親水性及孔隙度，當(dāng)鉆進(jìn)至水敏性泥頁巖地層時(shí)，孔壁上的粘土顆粒在水化作用下極易向孔內(nèi)膨脹、縮徑，油頁巖地層在高比重泥漿的壓差作用下自由水滲透到巖層內(nèi)部，使巖層膠結(jié)程度變差、變軟，最終導(dǎo)致油頁巖裂解、垮塌及孔壁的不穩(wěn)定，因此，當(dāng)不穩(wěn)定巖層巨厚或孔內(nèi)泥漿支撐力不足以維護(hù)孔壁穩(wěn)定時(shí)，必須下技術(shù)套管進(jìn)行隔離。

2穩(wěn)定孔壁的技術(shù)措施

根據(jù)以上受力分析，結(jié)合青海木里煤系地層特征及我單位多年在該區(qū)域內(nèi)的鉆探經(jīng)驗(yàn)，為提高鉆進(jìn)效率，保證孔壁穩(wěn)定，從泥漿工藝、鉆孔結(jié)構(gòu)、套管護(hù)壁、壓力平衡鉆進(jìn)等各方面進(jìn)行了研究與優(yōu)化，主要內(nèi)容如下：

2.1實(shí)現(xiàn)壓力平衡鉆進(jìn)

壓力平衡鉆進(jìn)對穩(wěn)定木里煤系地層孔壁至關(guān)重要，如果孔內(nèi)泥漿液柱壓力小于地層壓力，極易發(fā)生掉塊、坍塌、涌水、孔徑擴(kuò)大等復(fù)雜現(xiàn)象，孔內(nèi)泥漿液柱壓力大于地層壓力，極易發(fā)生泥漿漏失、縮徑、粘附卡鉆、泥包卡鉆等現(xiàn)象，因此，鉆進(jìn)取芯時(shí)應(yīng)盡量保持孔內(nèi)泥漿液柱壓力和地層間壓力之間的動(dòng)態(tài)平衡，可根據(jù)孔內(nèi)實(shí)際情況，選擇合適的泥漿比重，以確保孔內(nèi)泥漿液柱壓力能平衡地層坍塌壓力和地層孔隙流體壓力，保證孔壁的穩(wěn)定，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制上下鉆具速度，若孔深超過700m以上或孔內(nèi)鉆具重量超過7噸時(shí)，應(yīng)使用水剎車來控制下鉆速度，以避免剎車不利造成孔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓或抽吸壓力，上提鉆具以后要及時(shí)向孔內(nèi)回灌泥漿，盡量維持孔內(nèi)泥漿液柱壓力與地層間壓力的平衡。

2.2優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆探施工設(shè)計(jì)，結(jié)合地層變化，為了確保鉆進(jìn)安全可靠，在聚乎更礦區(qū)六號井和江倉礦區(qū)三四井田鉆探易采用了如下鉆孔結(jié)構(gòu)：以Φ152mm合金取芯鉆頭開孔鉆穿第四系表土層進(jìn)入基巖后下入Φ146mm反絲套管作為孔口管，然后以Φ80mm金剛石取芯鉆頭+S75繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至終孔，若鉆遇復(fù)雜地層或孔內(nèi)發(fā)生涌水、漏失、坍塌等復(fù)雜現(xiàn)象時(shí)，擴(kuò)孔后可下入Φ108mm技術(shù)（備用）套管進(jìn)行隔離，在聚乎更礦區(qū)三露天天然氣水合物鉆探中易采用如下鉆孔結(jié)構(gòu)：以Φ172mm特殊合金鉆頭鉆穿第四系表土層進(jìn)入基巖（孔深約8-20m）下入Φ168mm套管作為孔口管，然后以Φ135mm鉆頭和S127繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至孔深280-300m（視地層情況而定）完成測井工作將Φ127mm繩索鉆桿留在孔內(nèi)作為技術(shù)套管，然后換Φ99mm取芯鉆頭和S89繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至終孔，泥漿護(hù)壁，事實(shí)證明以上鉆孔結(jié)構(gòu)比較優(yōu)化，降低了孔內(nèi)事故發(fā)生的幾率。

2.3泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

泥漿是鉆探的血液，具有攜帶巖粉、保護(hù)孔壁、冷卻潤滑鉆頭、鉆具，平衡地層壓力等作用，木里煤田地層復(fù)雜程度不一，聚乎更礦區(qū)六號井及三露天主要以油頁巖地層遇水裂解、垮塌和松散、破碎、裂隙發(fā)育地層涌水、漏失及侏羅統(tǒng)含水合物巖層分解導(dǎo)致孔內(nèi)涌氣、坍塌及孔徑擴(kuò)大等復(fù)雜現(xiàn)象為主，江倉礦區(qū)砂巖地層斷層及裂隙發(fā)育構(gòu)造地層較多，普遍存在泥漿漏失現(xiàn)象，江倉南部及雷尼克第四系沖洪積層巨厚，最厚深度超過1000m以上，巖性主要以紅膠泥巖、粘土及泥質(zhì)粉砂巖為主，水敏性極強(qiáng)，地層造漿、縮徑嚴(yán)重，因此，鉆探取芯時(shí)根據(jù)不同地層特征及巖層性質(zhì)選用不同性質(zhì)的泥漿體系進(jìn)行護(hù)壁。

（1）聚乎更礦區(qū)（六號井、三露天）泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

木里煤系地層構(gòu)造極為復(fù)雜、聚乎更礦區(qū)孔壁坍塌問題尤為突出，我單位在六號井和三露天鉆探取芯時(shí)泥漿配方如下： 1立方水+ 優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土25-50kg + 廣譜護(hù)壁劑10-15kg + 高粘防塌劑8-10kg + 磺化褐煤樹脂 5-8kg ，性能指標(biāo)：比重：1.06-1.08g/cm3、粘度：28-36s、失水量：8mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm，以上配方在使用過程中，可根據(jù)地層條件和孔內(nèi)情況需要，加入一定量石灰石粉（碳酸鈣）來提高泥漿比重及孔內(nèi)液柱壓力，以提高泥漿對孔壁的支撐力和保證孔內(nèi)壓力平衡，如果泥頁巖地層巨厚孔壁坍塌嚴(yán)重或孔內(nèi)出現(xiàn)涌水、涌氣等復(fù)雜情況時(shí)，可逐步將泥漿比重調(diào)至1.20g/cm3以上，鉆穿后迅速鉆穿后下入技術(shù)套管進(jìn)行隔離，天然氣水合物鉆探時(shí)只要通過泥漿制冷裝置將泥漿入孔溫度控制在0-2°以內(nèi)，即可滿足水合物鉆探取芯要求，可有效抑制水合物的分解，降低因水合物分解而造成的泥漿氣侵入、孔壁垮塌、井涌等問題，多年的實(shí)鉆經(jīng)驗(yàn)證明，在聚乎更礦區(qū)復(fù)雜巖層鉆進(jìn)取芯時(shí)，使用高比重低失水量泥漿比只使用不分散低固相泥漿護(hù)壁效果更好。

（2）江倉礦區(qū)南部及雷尼克泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

江倉礦區(qū)南部及雷尼克第四系沖洪積層巨厚，巖層主要紅膠泥及泥質(zhì)粉砂巖夾雜石膏巖層為主，最厚深度超過1000m以上，巖性礦物質(zhì)主要以含蒙脫石等粘土礦物組成，膠結(jié)程度較好，水敏性極強(qiáng)，易吸水膨脹、造漿、縮徑，上下鉆具遇阻，因此對于此類地層，主要是控制泥漿的固相含量、粘度和失水量，泥漿應(yīng)選用以降低失水量、稀釋泥漿、抑制地層造漿性能的添加劑，護(hù)壁重點(diǎn)為抑制粘土顆粒水化膨脹、造漿及縮徑，常用的泥漿材料主要有：腐殖酸鉀、聚丙烯酸鉀、纖維素等，我單位在木里煤田雷尼克水敏性地層鉆探常用泥漿配方如下：1立方水 + 0.01%純堿 + 2%膨潤土 + 0.02%纖維素 + 5%腐植酸鉀?？傊?，根據(jù)地層特點(diǎn)選用不同性能的泥漿，提高泥漿質(zhì)量，充分發(fā)揮泥漿的護(hù)壁作用，是木里煤系地層鉆進(jìn)中特別關(guān)鍵的問題，煤系地層鉆進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)的孔壁坍塌、掉塊，卡埋鉆具等事故，除操作不當(dāng)?shù)仍蛲?，關(guān)鍵問題是沒有優(yōu)化和管理好泥漿，實(shí)踐證明，只要泥漿使用的好，煤系地層鉆探可不下或少下套管，一徑安全到底。

3結(jié)語

（1）木里煤田煤系地層鉆孔受泥漿浸泡后，孔壁巖層呈散體狀，穩(wěn)定性極差，使用高比重泥漿鉆進(jìn)，也只能在一定范圍內(nèi)維持穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定巖層巨厚孔內(nèi)泥漿及液柱壓力支撐力不足以維持孔壁穩(wěn)定時(shí)，必須要下入技術(shù)套管向孔壁提供支撐力。

（2）維護(hù)煤系地層孔壁穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效鉆進(jìn)的前提，本文以孔壁穩(wěn)定為基礎(chǔ)，從孔壁受力狀態(tài)、壓力平衡鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁技術(shù)、優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)等方面，對孔壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，由于文中忽略了鉆具橫向震動(dòng)、地層構(gòu)造類型、泥漿的擾動(dòng)等因素，因此本分析具有一定的局限性。

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（作者單位：青海煤炭地質(zhì)一0五勘探隊(duì)）