绳索取心钻进中涌水的处理技术
钻孔涌水情况很复杂，实际施工中要结合具体情况，采取相应的施工工艺，下面是小编搜集整理的一篇探究绳索取心钻进中涌水处理技术的论文范文，欢迎阅读查看。
1工程概况
我公司在中国地质科学院组织的“云南江城地区油钾兼探钻探工程”招标活动中一举中标。该项目设计四个钻孔，编号分别为ZK-1、ZK-2、ZK-3和ZK-4,井型为垂直井，全孔取心，要求岩矿心直径不小于60mm,最小井径96mm;采取率要求为含盐段95%以上，非含盐段80%~90%.主要目标任务是：通过取心钻进，获取“中、新生代”含盐建造完整的地层序列，建立一个可供找钾参照的“标杆地层柱”;利用对全套岩心的综合配套测试分析，获取成盐成钾物质基础和来源等准确可靠的第一性地质、地球化学信息，提供海相-海陆交互相成盐盆地成钾的理论参数，提炼成盐聚钾的地质模型;通过获取盐下层可能的油气基础地质资料，为盐下层可能的油气勘探部署提供科学依据，做到“一孔多用，钾油兼探”;通过钻探所揭露地层，进一步分析验证构造模拟及物探测试结果。
ZK-2井位于云南省普洱市江城县宝藏乡西南约10公里，该孔设计孔深1000m,我们配备了HXY-5型钻机，BW250型泥浆泵。为有效保护盐层，选用饱和氯化镁钻井液体系;?168表层套管下到了33m.
2第一层涌水
使用“?95+1金刚石取心钻头+?89岩心管(带扩孔器)+?89绳索钻具”组合，钻井液比重为1.10,黏度为28s,钻进到98m时钻井液消耗严重，钻具静止时钻孔涌水，一小时后返出的全是清水，涌水量达1.70m3/h,井口压力为0.20MPa.分析：钻具旋转的同时带动钻井液旋转，离心力对井壁的侧压力较大，致钻井液压力大于地层压力，造成钻井液漏失。加大钻井液比重到1.50时，可平衡地层压力，但无法正常钻进：固相在内外管间堵塞，泵压太高;钻杆内壁结垢，内管上下通行困难。
钻进中由于地层水的侵扰，钻井液时多时少，我们就用钠土、纤维素、护壁剂等不断调浆，补充黏度和比重更大的新浆，致使钻井液性能不稳定，携粉能力差，孔底有沉沙，而且孔壁很不稳定，有掉块现象，每次打捞内管前都需要把钻具提起20m.
钻进到110m后涌水量不再增大，由此判定98~110m段有裂隙。
2.1水泥封固
(1)强行钻进到120m后，用P.042.5水泥封堵：从井口注水泥浆0.5m3,加3%工业盐，替浆0.30m3,替浆压力3MPa,停泵后压力瞬间恢复至零。候凝24小时后探水泥面在35m,扫到孔底后，涌水1.20m3/h,略有减小。取出的水泥石上部完整、致密，接近底部时有水槽样孔洞。分析：井口密封不严、替浆量小、钻杆和套管内余留的水泥浆多，挤进裂隙的有效水泥浆太少致下部水窜。
(2)总结上次注浆的经验，实施二次注浆作业：水泥浆1m3,加3%工业盐，替浆0.45m3,憋压2.5MPa,停泵后压力瞬间恢复至零。候凝24小时后探水泥面在35m,扫到孔底后，涌水量仍然是1.20m3/h.分析：泥浆泵能力小，排量小，注浆和替浆时混浆多。
(3)第三次注浆：先注隔离油塞子(25kg水泥加50kg柴油)，作为前置液，再注水泥浆1m3,比重由小到大，最后替水0.60m3,压力忽高忽低，管内余留20m水泥浆。候凝后，水泥面还在35m.扫到孔底后，涌水不减。
2.2顶涌钻进
注浆后涌水都稳定在1.20m3/h不再减小，可见下部水层的活动能力很强，很难彻底封堵，继续注浆已无意义。只有穿过含水层或不能继续顶涌钻进时，再下套管隔离涌水。
由于含水层太浅，我们把钻井液比重调至1.50,黏度160s,才能把涌水压制住，但这么高的参数根本无法绳索取心钻进。
只得把钻井液性能调整到正常参数，钻进中一边排浆一边补充新浆。钻进到220m时，涌水增大到3.60m3/h,井口静压0.80MPa.钻进到234m时，孔底岩粉太多，加不上尺，用捞砂筒捞砂强行钻进到241m,而且上部还掉块，已无法继续钻进，决定下管。
分析：①以上多次封堵，虽然在水泥浆量、替浆量、注浆工艺等方面都做了不同的尝试，但套管内水泥面每次都定格在35m左右，说明钻孔上部(包括地层)密封不严，有漏/涌层，虽能憋压但保持不住，停泵后地层涌水把水泥浆往回顶，待水泥浆被顶到35m时，井内液柱压力与地层压力平衡，稳定在此处静止、凝固;②涌水层为地下河类，水流活跃，水泥浆不能在裂隙内凝固;③地层多处“漏气”,接近地表有涌水层，致使泥浆虽已加重但液柱压力很小，不能很好地将涌水压制。涌水层越接近地面越难实现平衡钻进。
2.3下管隔水
为了把涌水压住，便于调浆扩孔，再次从井口注水泥浆0.50m3,替浆1m3,候凝后探孔水泥柱面仍在35m.
由于绳索钻具壁薄而且刚性强，脆性大，难以承受大扭矩，只能逐级扩大孔径。
首先扩到?133mm,钻具组合：133PDC全面钻头+?89石油钻杆×38m+?89绳索钻杆+?59立轴，分别在距钻头9m和18m的?89石油钻杆接头上焊肋骨条作扶正器。
用重晶石粉、优质钠土、纤维素、护壁剂等把钻井液调到黏度70s,比重1.50.循环畅通后比重降到1.41.钻进一天后涌水达到1.50m3/h,泥浆基本成清水。
扩到241m后，换?152牙轮扩孔。到230m时，岩粉多加不上尺，换用?114管捞砂到235m,捞不下去：底部有大块。换?152牙轮继续扩孔到底后，用?96钻头+?89岩心管单管取心：钻进1.80m,只拿出几块泥包砾和硬块。经研究：泥包砾属泥岩，是隔水层，可以下管。再次捞岩粉清孔后用20m长的?133管试下顺利。
第一根套管上焊?6mm×250mm钢筋4根呈螺旋状以把套管扶正居中，然后每隔30m焊一组;套管平底不做马蹄;套管丝扣缠生料带密封;底部50m套管丝扣点焊，以防倒扣。
套管下深238m,距孔底3m遇阻，经活动无效。
随后，注水泥浆3t(约3.2m3)，替浆2.4m3,整个过程泥浆泵无压力显示。井口返水约0.20m3/h,憋压10h打开井口，微冒水，管外微量返水。
分析：水泥浆跑到了218m处的裂隙中和套管外上部的孔隙。
用PDC钻头扫水泥，扫到套管底脚时换?95+2金刚石钻头绳索钻进。出套管后仍然涌水但涌水量很小0.4m3/h,不影响绳索取心正常钻进。
3第二层涌水
下管后钻进中又遇到了涌水：252m时，涌水达到1.6m3/h,钻进中边排水边造浆;285m时，涌水达到3m3/h,地层为完整泥岩，沉砂1m.
分析：①套管外水泥环被震松，上下地层裂隙窜通;②下部地层又涌水。289m时，从井口直接顺套管注浆2.5吨，压力2~4MPa,替浆2.2m3,最高压力达到7MPa,后不断补水憋压一小时。然后，从井口往管外注水泥浆0.4m3,压力达到3MPa.管外涌水彻底封堵住。
扫孔时从10多米就开始磕磕绊绊：套管内壁挂有水泥浆，230~310m段全是水泥柱，310m以下放空：①310m处有掉块等架桥;②下部无涌水裂隙，泥浆托住水泥浆;③下部涌水压力大，托住水泥浆不能下行。
后绳索取心正常钻进时涌水0.5m3/h,打捞内管时1~1.5m3/h,井口静压力0.7MPa.
在336m处取出的岩心特别破碎，每回次只能钻进0.5~1.5m就堵心，采取率只有20%,岩性为米粒状白色砂粒。起钻后井口涌水3m3/h,1MPa.钻进到358m时孔底沉砂15m,无法钻进。调配钻井液比重达到1.17,压住涌水，用?96刮刀清理孔底沉砂。
综合分析：涌水裂隙主要集中在310~330m段，涌水造成坍塌、砂卡，已无法正常钻进，决定注浆封堵：管柱组合：50钻杆×100m+?89绳索钻杆×238m=338m.先用比重为1.19的泥浆压住涌水，下钻到338m注水泥浆1.2m3,替浆0.7m3.后往井内注泥浆0.12m3才满，密封井口后顶替0.2m3泥浆，泵压2MPa,停泵压力就归0.用113mmPDC全面钻头扫水泥柱。用?96复合片钻进到482m.钻井液比重1.15~1.19,黏度25s,钻进中涌水1m3/h.钻杆接头磨损严重，第一个复合片钻进60m,外径磨损严重，新钻头扫孔50多米。每次换钻头都要扫孔几十米，而且，下钻过程必须分段循环，一次下多了泵压高不能建立循环。
从476m时取心为泥岩，进尺慢，1m/2h,泥浆比重1.18,黏度32s.BW250泵排量小，钻头常泥包。钻到582m时起钻，换钻头。新钻头在部分孔段下不去，到500m开泵困难。下钻时井口所返已全是清水，但钻孔涌水层以下一定深度泥浆稠，钻杆内也是上稀下稠，致使泵压达到5MPa仍然不能建立循环，只得起出几柱先开泵循环。钻进到710m,已进泥岩134m,分析涌水层已过，且泥岩隔水性好，于是测井、扩孔、下管。扩孔钻具组合：100×300mm导向+?116金刚石扩孔钻头+?89绳索钻杆×9m+?115扶正器+?89绳索钻杆×9m+?115扶正器+?89绳索钻杆。扩到710m,接22m?108套管试下顺利，正式下管。
管串：木引鞋+套管(小马蹄，防下部钻进起钻时钻具挂套管脚)，套管规格为?108×4.5mm,宝钢DZ40,节箍：108×5.5mm,内径由?97mm扩大到?98mm,便于?95+1金刚石钻头和扩孔器通行。
套管下到孔底后，管外返水，管内静止。后在孔口憋压5MPa,不能建立循环。下?95+1绳索组合钻具，扫除木引鞋，清除孔底沉砂，管外返水，管内返水极少，在孔口能建立循环。下钻：50钻杆×45m+?89绳索钻杆，到630m,密封井口，注水泥浆1m3,替浆3.1m3,水泥随涌水返出井口。随即起钻，起钻过程不断往套管内注浆，钻具起出后，管内仍少量返水，后密封管口。
分析：替浆后应憋压4h再打开井口，效果更好。
处理井口：把?168井口管和?108技术套管之间的`返水引流出去(不进泥浆池)，钻井液在泥浆池、沉淀池、循环槽和?108套管组合成的循环系统内循环，与涌水隔离，不被破坏。
4施工效果
憋压72小时后再次打开井口，管内涌水很少，扫除固井水泥柱后，涌水量没有增大。下部钻进中全孔替换成饱和氯化镁钻井液体系，涌水没有对钻井液造成破坏，绳索取心可以正常钻进。平均日进尺20m,半月后钻进到1000m,顺利终孔。
测井时发现套管外的水泥很少，零零散散。说明涌水返回井内时把水泥浆冲散。
5几点体会
5.1钻孔涌水有两种情况
一是溶洞承压水，钻开的是“湖水”,只顺着钻孔往上涌，在地下没有径向流动。
二是流动承压水，钻开的是地下河，不但顺钻孔上涌而且沿裂隙径向流动。这种情况往往很难彻底封堵，即使用大比重泥浆压住涌水，不开泵循环，地下河水的径向流动也能把大比重泥浆置换、稀释，井口很快又会上返清水。
5.2处理方法
溶洞承压水：①首先要调整泥浆性能，用加重泥浆压住涌水，甚至形成过平衡状态把地层压漏，在泥浆中加入堵漏类材料，循环几个小时即可堵住;②密封井口直接灌注水泥浆，按水泥5%的量加盐，尽可能多地往裂隙中灌注;③先用加重泥浆压住涌水后，把钻具下到涌水层上，注入前置液，然后灌注水泥浆，也能把涌水封堵。这种情况相对比较容易封堵。
流动承压水：水泥浆封堵后，即使井口不返水，靠近底部的水泥柱也会被流水冲蚀成孔洞。钻开水泥柱后，涌水量减小，但钻进过程中，涌水通道很快又被打开，涌水恢复。析：地下河水把进入裂隙的水泥浆稀释、冲走，使其不能深入裂隙胶结、封堵，只能在裂隙口即孔壁把裂隙堵塞。这种情况，用套管隔离、导水、封堵最有效。
5.3实际操作
5.3.1注浆根据情况可选择使用高标号水泥、添加剂等，无论使用什么材料，都要在现场做配伍试验，特别是下钻具注浆，严防把钻具固结;注浆方式可选择从井口、下钻具密封井口、用加重泥浆压制涌水后从裂隙上部注浆等方法。水泥浆把涌水永久性封堵的可能性很小，但注浆后往往能减小涌水，可强行钻进一段。
5.3.2下管下管往往也不能把涌水堵住，而是隔离、引流，使其不与钻井液混合。
下管深度：云南地层很复杂，分层不明显，涌水层连续不断，往往下管钻进不久又涌，很难不断地下管隔离。这就需要采取顶涌、造浆、水泥封堵等措施强行尽可能多地钻进;管脚超过涌水层越深越好，至少100m以上，理论上涌水从管外上返的阻力要小于绕到管底再从管内上返的阻力，但实际上管内往往还会有少量返水。例如：ZK-2井最下部的涌水层在430m,孔径为?116,?108套管下到710m,管内还是有少量涌水。管径：套管和孔壁环状间隙越大越好，确保导水通道畅通、导水阻力最小。
5.3.3固井遇到流动的涌水，即使下管也不能保证把涌水封住。下管后一定要固井，水泥浆返到管外超过涌水层后即被稀释并带出地面，即使进入裂隙也被流水冲走，致使套管底脚也很难彻底密封。遇到这种情况千万不可从井口往管外压注水泥，以免把导水通道堵塞，迫使涌水返入管内。例如：我们施工ZK-1井时，涌水层在590~624m和656~657.50m两处，井径?122mm,井深732m,?114mm套管下深680m.由于?114mm套管加装了橡胶伞与?168mm井口管密封、配合，套管底脚没有封固，致使涌水从管内返出，后采用多种方法多次封堵均无效，最终无奈弃孔。下管后封孔时，下钻具密封井口或直接密封井口注浆。注浆后憋压至水泥初凝后再打开井口。以防涌水回流把水泥稀释冲散。
5.4其他
(1)加重钻井液不适宜于绳索取心钻进。绳索取心工艺钻孔与钻具的间隙只有2~3mm,内外管间隙只有1.5~2mm,卡簧座与钻头的内台阶间隙只有3~5mm;要求使用无固相或低固相钻井液。钻井液加重后，固相含量增多，钻具内壁结垢影响过水，泵压升高，甚至不能建立循环;钻具内壁结垢后内管不能顺利提拉、下放;上下钻具和打捞内管时，钻具相对于井筒、内管相对于钻具如同活塞形成抽吸，裂隙水很快涌出稀释钻井液，破坏泥浆性能，导致孔壁坍塌、孔底沉沙增多等情况。
(2)涌水对井内钻井液的影响。并非只有涌水层以上的泥浆被稀释：理论上停泵后，涌水层以下的泥浆不会被稀释，实际上涌水层以下相当长的一段距离泥浆还会被稀释。
(3)平衡钻进。涌水距离地表越近越难处理，因为即使加重泥浆，由于液柱短，有效压力低，很难实现平衡钻进。
(4)加强对施工细节的认识和操控。在水泥的型号、添加剂的种类、灌注方式和候凝时间等方面都要合理安排，而且每次注浆都要在现场用实际材料做配伍试验。
总之，钻孔涌水情况很复杂，实际施工中要结合具体情况，采取相应的施工工艺，精心组织，认真执行，把钻探这个“粗活”做细，就能取得良好效果。
参考文献：
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