繩索取心鑽進中涌水的處理技術論文

1 工程概況

我公司在中國地質科學院組織的“雲南江城地區油鉀兼探鑽探工程”招標活動中一舉中標。該項目設計四個鑽孔，編號分別爲ZK-1、ZK-2、ZK-3和ZK-4,井型爲垂直井，全孔取心，要求巖礦心直徑不小於60mm,最小井徑96mm;採取率要求爲含鹽 段95%以上，非 含 鹽 段80% ~90%.主要目標任務是：透過取心鑽進，獲取“中、新生代”含鹽建造完整的地層序列，建立一個可供找鉀參照的“標杆地層柱”;利用對全套岩心的綜合配套測試分析，獲取成鹽成鉀物質基礎和來源等準確可靠的第一性地質、地球化學資訊，提供海相-海陸交互相成鹽盆地成鉀的理論參數，提煉成鹽聚鉀的地質模型；透過獲取鹽下層可能的油氣基礎地質資料，爲鹽下層可能的油氣勘探部署提供科學依據，做到“一孔多用，鉀油兼探”;透過鑽探所揭露地層，進一步分析驗證構造模擬及物探測試結果。

ZK-2井位於雲南省普洱市江城縣寶藏鄉西南約10公 裏，該 孔 設 計 孔 深1000m,我 們 配 備 了HXY-5型鑽機，BW250型泥漿泵。爲有效保護鹽層，選用飽和氯化鎂鑽井液體系；168表層套管下到了33m.

2 第一層涌水

使用“95+1金剛石取心鑽頭+89岩心管（帶擴孔器）+89繩 索 鑽 具”組 合，鑽 井 液 比 重 爲1.10,黏度爲28s,鑽進到98m時鑽井液消耗嚴重，鑽具靜止時鑽孔涌水，一小時後返出的全是清水，涌水量達1.70m3/h,井口壓力爲0.20MPa.分析：鑽具旋轉的同時帶動鑽井液旋轉，離心力對井壁的側壓力較大，致鑽井液壓力大於地層壓力，造成鑽井液漏失。加大鑽井液比重到1.50時，可平衡地層壓力，但無法正常鑽進：固相在內外管間堵塞，泵壓太高；鑽桿內壁結垢，內管上下通行困難。

鑽進中由於地層水的侵擾，鑽井液時多時少，我們就用鈉土、纖維素、護壁劑等不斷調漿，補充黏度和比重更大的新漿，致使鑽井液性能不穩定，攜粉能力差，孔底有沉沙，而且孔壁很不穩定，有掉塊現象，每次打撈內管前都需要把鑽具提起20m.

鑽進到110m後涌水量不再增大，由 此 判 定98~110m段有裂隙。

2.1水泥封固

（1）強行鑽進到120m後，用P.042.5水泥封堵：從井口注水 泥漿0.5m3,加3%工業鹽，替漿0.30m3,替漿壓力3MPa,停泵後壓力瞬間恢復至零。候凝24小時後探水泥面在35m,掃到孔底後，涌水1.20m3/h,略有減小。取出的水泥石上部完整、緻密，接近底部時有水槽樣孔洞。分析：井口密封不嚴、替漿量小、鑽桿和套管內餘留的水泥漿多，擠進裂隙的有效水泥漿太少致下部水竄。

（2）總結上次注漿的經驗，實施二次注漿作業：水泥 漿1m3,加3%工 業 鹽，替 漿0.45m3,憋 壓2.5MPa,停泵後壓力瞬間恢復至零。候凝24小時後探 水泥面在35m,掃 到孔底 後，涌 水 量 仍 然 是1.20m3/h.分析：泥漿泵能力小，排量小，注漿和替漿時混漿多。

（3）第三次注漿：先注隔離油塞子（25kg水泥加50kg柴油），作爲前置液，再注水泥漿1m3,比重由小到大，最後替水0.60m3,壓力忽高忽低，管內餘留20m水泥漿。候凝後，水泥面還在35m.掃到孔底後，涌水不減。

2.2頂涌鑽進

注漿後涌水都穩定在1.20m3/h不再減小，可見下部水層的活動能力很強，很難徹底封堵，繼續注漿已無意義。只有穿過含水層或不能繼續頂涌鑽進時，再下套管隔離涌水。

由於 含 水 層 太 淺，我 們 把 鑽 井 液 比 重 調 至1.50,黏度160s,才能把涌水壓制住，但這麼高的參數根本無法繩索取心鑽進。

只得把鑽井液性能調整到正常參數，鑽進中一邊排漿一邊補充新漿。鑽進到220m時，涌水增大到3.60m3/h,井 口 靜 壓0.80MPa.鑽 進 到234m時，孔底巖粉太多，加不上尺，用撈砂筒撈砂強行鑽進到241m,而且上部還掉塊，已無法繼續鑽進，決定下管。

分析：①以上多次封堵，雖然在水泥漿量、替漿量、注漿工藝等方面都做了不同的嘗試，但套管內水泥面每次都定格在35m左右，說明鑽孔上部（包括地層）密封不嚴，有漏/涌層，雖能憋壓但保持不住，停泵後地層涌水把水泥漿往回頂，待水泥漿被頂到35m時，井內液柱壓力與地層壓力平衡，穩定在此處靜止、凝固；②涌水層爲地下河類，水流活躍，水泥漿不能在裂隙內凝固；③地層多處“漏氣”,接近地表有涌水層，致使泥漿雖已加重但液柱壓力很小，不能很好地將涌水壓制。涌水層越接近地面越難實現平衡鑽進。

2.3下管隔水

爲了把涌水壓住，便於調漿擴孔，再次從井口注水泥漿0.50m3,替漿1m3,候凝後探孔水泥柱面仍在35m.

由於繩索鑽具壁薄而且剛性強，脆性大，難以承受大扭矩，只能逐級擴大孔徑。

首先擴到133mm,鑽具組合：133PDC全面鑽頭+89石油鑽桿×38m+89繩索鑽桿+59立軸，分別在距鑽頭9m和18m的89石油鑽桿接頭上焊肋骨條作扶正器。

用重晶石粉、優質鈉土、纖維素、護壁劑等把鑽井液調到黏度70s,比重1.50.循環暢通後比重降到1.41.鑽進一天後涌水達到1.50m3/h,泥漿基本成清水。

擴到241m後，換152牙輪擴孔。到230m時，巖粉多加不上尺，換用114管撈砂到235m,撈不下去：底部有大塊。換152牙輪繼續擴孔到底後，用96鑽頭+89岩心管單管取心：鑽進1.80m,只拿出幾塊泥包礫和硬塊。經研究：泥包礫屬泥岩，是隔水層，可以下管。再次撈巖粉清孔後用20m長的133管試下順利。

第一根套管上焊6mm×250mm鋼筋4根呈螺旋狀以把套管扶正居中，然後每隔30m焊一組；套管平底不做馬蹄；套管絲扣纏生料帶密封；底部50m套管絲扣點焊，以防倒扣。

套管下深238m,距孔底3m遇阻，經活動無效。

隨後，注水泥漿3t（約3.2m3），替漿2.4m3,整個過程泥漿泵無壓力顯示。井口返水約0.20m3/h,憋壓10h開啟井口，微冒水，管外微量返水。

分析：水泥漿跑到了218m處的裂隙中和套管外上部的孔隙。

用PDC鑽頭掃水泥，掃到套管底腳時換95+2金剛石鑽頭繩索鑽進。出套管後仍然涌水但涌水量很小0.4m3/h,不影響繩索取心正常鑽進。

3 第二層涌水

下管後鑽進中又遇到了涌水：252m時，涌水達到1.6m3/h,鑽進中邊排水邊造漿；285m時，涌水達到3m3/h,地層爲完整泥岩，沉砂1m.

分析：①套管外水泥環被震鬆，上下地層裂隙竄通；②下部地層又涌水。289m時，從井口直接順套管注漿2.5噸，壓力2~4MPa,替漿2.2m3,最高壓力達到7MPa,後不斷補水憋壓一小時。然後，從井口往管外注水泥漿0.4m3,壓力達到3MPa.管外涌水徹底封堵住。

掃孔時從10多米就開始磕磕絆絆：套管內壁掛有水泥漿，230~310m段全是水泥柱，310m以下放空：①310m處有掉塊等架橋；②下部無涌水裂隙，泥漿托住水泥漿；③下部涌水壓力大，托住水泥漿不能下行。

後繩索取心正常鑽進時涌水0.5m3/h,打撈內管時1~1.5m3/h,井口靜壓力0.7MPa.

在336m處取出的岩心特別破碎，每回次只能鑽進0.5~1.5m就堵心，採取率只有20%,巖性爲米粒狀白色砂粒。起鑽後井口涌水3m3/h,1MPa.鑽進到358m時孔底沉砂15m,無法鑽進。調配鑽井液比重達到1.17,壓住涌水，用96刮刀清理孔底沉砂。

綜合分析：涌水裂隙主要集中在310~330m段，涌水造成坍塌、砂卡，已無法正常鑽進，決定注漿封堵：管柱組合：50鑽桿×100m+89繩索鑽桿×238m=338m.先用 比 重 爲1.19的` 泥 漿 壓 住 涌 水，下 鑽 到338m注水泥漿1.2m3,替漿0.7m3.後往井內注泥漿0.12m3才滿，密封井口後頂替0.2m3泥漿，泵壓2MPa,停泵壓力就歸0.用113mmPDC全面鑽頭掃水泥柱。用96複合片鑽進到482m.鑽井液比重1.15~1.19,黏度25s,鑽進中涌水1m3/h.鑽桿接頭磨損嚴重，第一個複合片鑽進60m,外徑磨損嚴重，新鑽頭掃孔50多米。每次換鑽頭都要掃孔幾十米，而且，下鑽過程必須分段循環，一次下多了泵壓高不能建立循環。

從476m時取心爲泥岩，進尺慢，1m/2h,泥漿比重1.18,黏度250泵排量小，鑽頭常泥包。鑽到582m時起鑽，換鑽頭。新鑽頭在部分孔段下不去，到500m開泵困難。下鑽時井口所返已全是清水，但鑽孔涌水層以下一定深度泥漿稠，鑽桿內也是上稀下稠，致使泵壓達到5MPa仍然不能建立循環，只得起出幾柱先開泵循環。鑽進到710m,已進泥岩134m,分析涌水層已過，且泥岩隔水性好，於是測井、擴孔、下管。擴孔鑽具組合：100×300mm導向+116金剛石擴孔鑽頭+89繩索鑽桿×9m+115扶正器+89繩索鑽桿×9m+115扶正器+89繩索鑽桿。擴到710m,接22m108套管試下順利，正式下管。

管串：木引鞋+套管（小馬蹄，防下部鑽進起鑽時鑽具掛套管腳），套管規格爲108×4.5mm,寶鋼DZ40,節 箍：108×5.5mm,內徑由97mm擴 大 到98mm,便於95+1金剛石鑽頭和擴孔器通行。

套管下到孔底後，管外返水，管內靜止。後在孔口憋壓5MPa,不能建立循環。下95+1繩索組合鑽具，掃除木引鞋，清除孔底沉砂，管外返水，管內返水極少，在孔口能建立循環。下鑽：50鑽桿×45m+89繩索鑽桿，到630m,密封井口，注水泥漿1m3,替漿3.1m3,水泥隨涌水返出井口。隨即起鑽，起鑽過程不斷往套管內注漿，鑽具起出後，管內仍少量返水，後密封管口。

分析：替漿後應憋壓4h再開啟井口，效果更好。

處理井口：把168井口管和108技術套管之間的返水引流出去（不進泥漿池），鑽井液在泥漿池、沉澱池、循環槽和108套管組合成的循環系統內循環，與涌水隔離，不被破壞。

4 施工效果

憋壓72小時後再次開啟井口，管內涌水很少，掃除固井水泥柱後，涌水量沒有增大。下部鑽進中全孔替換成飽和氯化鎂鑽井液體系，涌水沒有對鑽井液造成破壞，繩索取心可以正常鑽進。平均日進尺20m,半月後鑽進到1000m,順利終孔。

測井時發現套管外的水泥很少，零零散散。說明涌水返回井內時把水泥漿衝散。

5 幾點體會

5.1鑽孔涌水有兩種情況

一是溶洞承壓水，鑽開的是“湖水”,只順着鑽孔往上涌，在地下沒有徑向流動。

二是流動承壓水，鑽開的是地下河，不但順鑽孔上涌而且沿裂隙徑向流動。這種情況往往很難徹底封堵，即使用大比重泥漿壓住涌水，不開泵循環，地下河水的徑向流動也能把大比重泥漿置換、稀釋，井口很快又會上返清水。

5.2處理方法

溶洞承壓水：①首先要調整泥漿性能，用加重泥漿壓住涌水，甚至形成過平衡狀態把地層壓漏，在泥漿中加入堵漏類材料，循環幾個小時即可堵住；②密封井口直接灌注水泥漿，按水泥5%的量加鹽，儘可能多地往裂隙中灌注；③先用加重泥漿壓住涌水後，把鑽具下到涌水層上，注入前置液，然後灌注水泥漿，也能把涌水封堵。這種情況相對比較容易封堵。

流動承壓水：水泥漿封堵後，即使井口不返水，靠近底部的水泥柱也會被流水沖蝕成孔洞。鑽開水泥柱後，涌水量減小，但鑽進過程中，涌水通道很快又被開啟，涌水恢復。析：地下河水把進入裂隙的水泥漿稀釋、沖走，使其不能深入裂隙膠結、封堵，只能在裂隙口即孔壁把裂隙堵塞。這種情況，用套管隔離、導水、封堵最有效。

5.3實際操作

5.3.1注漿根據情況可選擇使用高標號水泥、添加劑等，無論使用什麼材料，都要在現場做配伍試驗，特別是下鑽具注漿，嚴防把鑽具固結；注漿方式可選擇從井口、下鑽具密封井口、用加重泥漿壓制涌水後從裂隙上部注漿等方法。水泥漿把涌水永久性封堵的可能性很小，但注漿後往往能減小涌水，可強行鑽進一段。

5.3.2下管下管往往也不能把涌水堵住，而是隔離、引流，使其不與鑽井液混合。

下管深度：雲南地層很複雜，分層不明顯，涌水層連續不斷，往往下管鑽進不久又涌，很難不斷地下管隔離。這就需要採取頂涌、造漿、水泥封堵等措施強行儘可能多地鑽進；管腳超過涌水層越深越好，至少100m以上，理論上涌水從管外上返的阻力要小於繞到管底再從管內上返的阻力，但實際上管內往往還會有少量返水。例如：ZK-2井最下部的涌水層在430m,孔徑爲116,108套管下到710m,管內還是有少量涌水。管徑：套管和孔壁環狀間隙越大越好，確保導水通道暢通、導水阻力最小。

5.3.3固井遇到流動的涌水，即使下管也不能保證把涌水封住。下管後一定要固井，水泥漿返到管外超過涌水層後即被稀釋並帶出地面，即使進入裂隙也被流水沖走，致使套管底腳也很難徹底密封。遇到這種情況千萬不可從井口往管外壓注水泥，以免把導水通道堵 塞，迫 使 涌 水 返 入 管 內。例 如：我 們 施 工ZK-1井時，涌水層在590~624m和656~657.50m兩處，井徑122mm,井深732m,114mm套管下深680m.由 於114mm套 管 加 裝 了 橡 膠 傘 與168mm井口管密封、配合，套管底腳沒有封固，致使涌水從管內返出，後採用多種方法多次封堵均無效，最終無奈棄孔。下管後封孔時，下鑽具密封井口或直接密封井口注漿。注漿後憋壓至水泥初凝後再開啟井口。以防涌水迴流把水泥稀釋衝散。

5.4其他

（1）加重鑽井液不適宜於繩索取心鑽進。繩索取心工藝鑽孔與鑽具的間隙只有2~3mm,內外管間隙只有1.5~2mm,卡簧座與鑽頭的內臺階間隙只有3~5mm;要求使用無固相或低固相鑽井液。鑽井液加重後，固相含量增多，鑽具內壁結垢影響過水，泵壓升高，甚至不能建立循環；鑽具內壁結垢後內管不能順利提拉、下放；上下鑽具和打撈內管時，鑽具相對於井筒、內管相對於鑽具如同活塞形成抽吸，裂隙水很快涌出稀釋鑽井液，破壞泥漿性能，導致孔壁坍塌、孔底沉沙增多等情況。

（2）涌水對井內鑽井液的影響。並非只有涌水層以上的泥漿被稀釋：理論上停泵後，涌水層以下的泥漿不會被稀釋，實際上涌水層以下相當長的一段距離泥漿還會被稀釋。

（3）平衡鑽進。涌水距離地表越近越難處理，因爲即使加重泥漿，由於液柱短，有效壓力低，很難實現平衡鑽進。

（4）加強對施工細節的認識和操控。在水泥的型號、添加劑的種類、灌注方式和候凝時間等方面都要合理安排，而且每次注漿都要在現場用實際材料做配伍試驗。

總之，鑽孔涌水情況很複雜，實際施工中要結合具體情況，採取相應的施工工藝，精心組織，認真執行，把鑽探這個 “粗活”做細，就能取得良好效果。

參考文獻：

[1] 吳棣華.關於深孔岩心鑽探若干情況和看法[J].地質與勘探，1980（2）:6-11.

[2] 孫丙倫，陳師遜，陶士先.複雜地層深孔鑽探泥漿護壁技術探討與實踐[J].探礦工程（岩土鑽掘工程），2008（5）：31-34.

[3] 王扶志，張志強，宋小軍.地質工程鑽探工藝與技術，長沙：中南大學出版社，2008.