千米级水平孔绳索取心钻进关键技术及应用

引言

随着国家能源战略升级转型，将西部地区作为水电工程建设依托载体[1]，然而大多工程位于构造发育、岩性复杂、地理环境恶劣的高山峡谷地区，传统的垂直钻孔获取地层资料较为局限，难以支撑西部地区工程建设规划需求。在目标区域布置水平孔，不仅可以直观获取深部岩体样本，明确地下水位，还可在深孔内开展相关原位测试工作，获取最准确最直观的地质参数信息。现阶段水平孔全孔取心技术主要为绳索取心，其具有纯钻时间利用率高、岩心完整性好、孔内事故易处理以及人工劳动强度低等优势。但西部地区具有地质构造以及岩性复杂、地层坚硬、地层倾角大等特点，会造成钻进效率低、钻进轨迹易偏移、施工周期长等难题，因此需要通过多维度、多角度协同优化千米级水平绳索取心关键技术，综合提速提效：（1）优选先进设备，提高施工质量和钻进速度。（2）制定高效、安全、环保的泥浆体系，优化钻进参数组合，辅助提高钻进效率。（3）研发精准控制钻进轨迹的仪器设备，发现钻井轨迹偏移较大时，及时纠偏纠斜。

综上所述，开展千米级千米级水平绳索取心设备器具、钻进工艺和防斜纠偏等关键技术研究与应用，对精细化勘查工区横向展布岩性特征、地质特征、断层分布等具有重要意义，还可为复杂地质区域勘探提开发提供科学依据，强有力支撑西部复杂地质区域工程建设。

1 水平钻探装备与器具

水平钻探钻进效率依赖于和施工区域相匹配的高效钻探装备和施工工艺，利用高效钻探设备可在极大程度上提高施工质量和钻进速度，而良好的施工工艺可在一定程度上降低孔内事故发生概率，辅助提速提效，缩短施工周期，降低经济成本。

1.1 钻机与泥浆泵优选

在千米级水平钻孔中，钻杆钻具由于重力影响会向钻孔底部偏移，随着钻进深度加大，外加重力作用影响，钻进中钻杆和孔壁之间的摩阻会逐渐增大，导致钻压大部分消耗在摩阻上，不能有效传递至钻头，无法达到高效破岩的目标。在钻遇断层、软硬夹层、破碎带时，如果钻机动力不足，可能会导致卡钻、孔壁垮塌等孔内事故。因此，根据千米级千米级水平孔安全高效施工要求，钻机必须具备足够的动力，动力头需提供足够的转速、扭矩等用以满足施工需要。现阶段国内使用的部分大功率定向钻机包括以下类型，型号与性能参数见表1，在现场施工时按需选择。

在千米级水平取心钻孔施工中，泥浆泵的作用在于泵送泥浆和输送钻具与打捞器至孔底，随着孔深增加，则要求泥浆泵具备足够的压力和排量，达到携岩排粉、平衡压力和输送工具的目的。现阶段地质钻探常用的大功率泥浆泵主要包括BW250/6、BW300/ 16 以及 BW320/12 型，其性能参数见表 2。基于千米级水平绳索取心钻进需求和特点，推荐选用 BW300/16 型泥浆泵，该泵具有压力高、泵量可调节等特点，适用于不同深度、多级口径的绳索取心钻进 [19]-[20]。该泵工作压力高，更适用于涌水孔段快速推送内管、泵送水泥浆或堵漏材料固井、压井等作业。

1.2 水平钻探器具

1.2.1 钻头与钻具优选

千米级水平绳索取心钻探过程中，提大钻换钻头不仅会增加人力资源成本还会增加钻探周期。为兼顾提速提效目标和钻头使用寿命，需选择与地层适配性强的钻头。孕镶金刚石钻头适用范围广，面对不同可钻性的地层，表现均较为优异。在软硬交错地层中钻进时，兼具钻速高、寿命长、抗压抗研磨性强、抗冲击性好等特点，在中硬－坚硬地层钻进时，其破岩效率也优于大多数普通钻头。现场施工时，可根据工区岩石研磨性、可钻性、抗压强度和岩石硬度等方面，优选钻头切削齿形状、水口、金刚石粒度浓度和胎体硬度，以岩石硬度5＼～7 级、层理发育和岩石研磨性较强的地层为例，推荐主要钻头选型，结果见表3。

为便于取心钻具顺利在钻杆内壁进出，在水平绳索取心钻进时，钻杆内壁需保持光滑，所以采用无接头的内平钻杆，钻杆采用双顶锥螺纹连接。此外，水平钻进时钻杆与孔壁之间摩阻较大，会加速钻杆磨损，所以要求钻杆具有较高的强度和耐磨性。因此钻杆在制造过程中采用整体热处理的方式，提高钻杆疲劳强度和密封性，高强度绳索取心钻杆如图 1 所示。

1.2.2 绳索取心内管总成及打捞器

由于钻具和打捞器靠水力输送到孔底，在钻具内管总成和打捞器上要安装密封压力环，让钻具内管总成和打捞器在水力的作用下能够顺利到达孔底，密封环见钻具总成中的10、打捞器中的 8。密封环的外径小于钻杆内径此外，要求打捞器重量要尽量轻，并且保证在输送过程中保持水平位置，不能由于前后偏重导致输送失败。水平孔用绳索取心钻具，水平绳索内管总成如图2 所示，打捞器结构如图3 所示。

1- 捞矛头；2- 卷制弹性销；3- 定位销；4- 定位弹簧；5- 矛头座；6- 弹性销；7-回收管；8- 螺栓；9- 垫片；10- 压缩弹簧；11- 连接板；12- 弹卡板；13- 弹性销；14-弹性销；15- 弹卡架；16- 球阀；17- 橡胶密封圈；18- 转接接头；19- 密封活塞；20- 密封座；21- 悬挂环；22- 悬挂接头；23- 调节螺母；24- 主轴；25- 阀片；26- 间隔垫；27- 轴承；28- 轴承座；29- 轴承；30- 主轴弹簧；31- 自锁螺母；32- 内接管头；33- 注油嘴；34- 钢球；35- 阀压盖

图2 绳索取心钻具总成

1- 小轴；2- 轴套；3- 轴承；4- 轴承套；5- 平垫圈；6- 自锁螺母；7- 绳接头；8-注油嘴；9- 螺栓；10- 螺母；11- 锁紧螺母；12- 转换接头；13- 活塞拉杆；14- 密封活塞；15- 活塞套；16-O 形圈；17- 弹性销；18- 钢球；19- 阀压盖；20- 连接套；21- 捞钩架；22- 捞钩弹簧；23- 打捞钩；24- 圆柱销；25- 导向套；26- 弹性销；27- 固定销；28- 固定钩

2 水平绳索取心钻进工艺

2.1 孔身结构与钻具组合设计

合理的钻孔结构可大幅度降低孔内事故发生概率，缩短施工周期，并且对后续孔内实验、测试等起到至关重要的作用。根据钻探区域地质构造、岩性特征、钻探目的和钻进工艺等方面，依据有利于安全、优质、高效钻进和取准、取全地质资料的原则进行井身结构设计。

对于千米级水平孔施工，推荐采用三开孔身结构，预留四开结构，各开次应优先向深部延伸，非必要不调整钻孔直径。一开使用 Φ 1 5 0 m m 钻具进行提钻取心，钻穿覆盖层后下入 Φ146mm 套管，配合内插式固井工艺完成水泥灌注，同步安装孔口管装置。二开采用 Φ 1 2 2 m m 绳索取心钻具，配套 Φ 1 1 4 m m 绳索钻杆取心钻进至 1 2 0 ～ 1 5 0 m ，下入 Φ114mm 套管对涌水层或破碎带进行隔离封堵。三开采用 Φ 9 6 m m 绳索取心钻进，绳索取心钻杆，力求实现取心钻进直至终孔深度。若三开阶段遭遇复杂，则采用Φ76mm 钻具实施四开作业，取心钻进至终孔。该分级钻进方案通过逐级套管护壁与孔径优化组合，既保障了施工安全性，又最大程度提高了钻进效率。相关孔身结构参数详见图4 所示剖面示意图。

绳索取心钻具的合理选配是保障成孔品质、提升岩心采收率及优化钻探经济性的重要环节。针对千米级水平孔工程特性，优先选用 S122、S96 系列绳索钻具，其组合为：动力头 + 专用接头 + 绳索母接手 + 绳索钻杆 + 绳索公接手 + 弹卡挡头 + 弹卡室 + 绳索外管 + 扩孔器 + 金刚石钻头 [25]。在应对高强度岩层时，若出现切削效率降低、进尺速率衰减等情况，可采用绳索取心与液动冲击复合钻进技术。通过加装液动冲击装置，将绳索取心和液动冲击回转钻进的优势相互结合，既能有效缓解岩心卡堵现象，又可增加单回次进尺深度，同步控制钻孔轨迹偏斜。该技术在坚硬致密的打滑地层中尤为适用，其冲击能量传递可显著提升机械钻速，较常规工艺可成倍提高钻进效率。

2.2 钻进参数设计

钻进参数的合理与否直接影响到钻进效率。通常情况下，在一定范围内钻速与钻压成正相关，但因孔底碎岩机理的不同会产生相反的效果。盲目增大钻压会加剧金刚石磨损速度，降低切削效率，导致钻速降低[26]-[27]。垂直钻进时，钻杆钻具自重直接作用于钻头，钻时施工时则需控压钻进，适当减小钻压，降低钻杆屈曲风险。水平钻进时，钻杆钻具受到重力影响，导致钻压不能有效传递至钻头，若盲目增加钻压造成钻杆压应力过载，不仅会导致钻杆发生正弦屈曲，还会影响钻进方向，造成钻孔孔斜。因此，为兼顾提高机械钻速和预防钻孔偏斜，在千米级水平钻进施工过程中可适当减小绳索取心钻头唇面面积，在保证正常钻进的条件下，采用较低的钻机给进力，一般在10＼～12 kN 之间，随着孔深增加，可根据钻进情况，适当提高给进力至。

此外，转速和流量也是影响钻速的关键因素。随着孔深增加，特别是超过 1 0 0 0 m 之后，一方面需要较高转速配合完成钻头破岩，另一方面孔深加深会增加钻柱自重，导致钻机负荷增大，钻杆过早发生应力疲劳。因此，转速需要控制在合理的范围内，现有研究结果表明：表镶金刚石钻头的线速度在 1 . 0 ～ 2 . 0 m / s 之间为宜，孕镶金刚石钻头的线速度在 1 . 5 ～ 3 . 0 m/ s 之间为宜。钻井液流量对携岩起着决定性作用，若流量过小，不仅会导致岩屑堆积在孔底，造成钻头重复破岩，加剧钻头磨损，还会导致由于岩屑床堆积造成钻孔偏斜。为此，提高机械钻速需要综合考虑钻压、转速和流量的影响，千米级水平绳索取心钻进推荐钻进技术参数如表4 所示。

2.3 泥浆体系设计

千米级水平钻进中，钻柱和孔壁之间会产生较大的摩阻，会对正常钻进造成三个不良影响：（1）消耗钻压，导致钻压不能有效传递至钻头；（2）随着孔深增加，摩阻扭矩随之增大，会增加钻机负荷；（3）加剧钻具磨损，降低钻具寿命。兼顾生态环保的影响，要求在施工中坚决杜绝泥浆处理剂使用有毒有害物质。钻孔覆盖层、基岩层、破碎层的泥浆体系设计如下。

覆盖层地层较破碎，岩性以块石土、碎石土为主，应适当提高泥浆粘切，加强体系的胶结防塌性能，建议泥浆漏斗粘度维持在 2 0 ～ 4 0 s，pH 值维持在。钻探过程中对泥浆处理剂的消耗量较大，要按时测量泥浆性能，及时对泥浆材料进行补充。推荐覆盖层泥浆配方：水 + 0 . 0 1 % - 0 . 0 3 % P H P+ 0 . 2 % - 0 . 5 % 植物胶 + 0 . 0 1 % - 0 . 0 2 % 烧碱。

基岩地层较为完整，为提高钻速，缩短周期，降低成本，一般采用无固相泥浆体系。泥浆漏斗粘度不大于 25 s，pH 值维持在 8 ～ 1 0 ，推荐配方：水 + 0 . 0 5 % - 0 . 1 % P H P+ 0 . 1 % - 0 . 5 % 特效润滑剂。

钻遇破碎带时，需提高泥浆的滤失造壁性和封堵性，通过高分子聚合物材料降低泥浆失水量，并在孔壁形成优质泥饼，封堵漏失地层，避免孔内发生垮塌掉块，造成孔内事故。破碎带推荐泥浆配方：清水 + 3 % 膨润土 + 5 % 纯碱（土重） + 0 . 3-0 . 5 % L V - C M C+ 1 % - 2 % S P N H+ 0 . 5 - 2 % J L X+ 1 % - 3 % K C L+ 1 % - 2 % 特效润滑剂。

3 防斜与轨迹控制技术

千米级水平绳索取心钻进由于受到重力作用、钻进方向与层理面有夹角等因素影响，易导致钻孔发生偏移，因此需要通过防斜技术手段进行纠斜处理。

3.1 防斜技术

针对钻孔防斜，有如下技术措施：（1）把好开孔关，从源头防斜。场地需硬化、平整，钻机调平、方位固定，确保钻机稳定，孔口采用锚杆与山体锚固，确保开孔不偏斜。（2）采用刚性满眼钻具组合，前期控制钻压，轻压慢钻，防斜打直。（3）坚硬地层采用高转速、低钻压钻进参数进行钻进，防止钻压过高增加顶角，改变钻孔轨迹。（4）取心钻进时选用高胎体、低胎体硬度的钻头，兼顾钻头导向性和金刚石出刃速度，有利于钻孔按设计轨迹钻进。

3.2 随钻轨迹控制技术

当水平绳索取心钻孔轨迹与原设计轨迹出现较大偏差时，需对轨迹进行纠斜纠偏，要求纠偏方位和设计方位一致，纠斜狗腿角不能过大影响后续钻进，纠斜须采用水平定向纠斜，钻杆采用绳索取心钻杆。为解决千米级水平绳索取心钻孔偏斜难题，自研水平绳索随钻定向输送机构，攻克了水平绳索随钻仪器的定向输送、定位锁定及安全回收技术[28]，同时集成小直径有缆定向仪器、无磁钻杆、仪器固定限位机构、定向接头、螺杆马达和定向钻头，创新形成一套水平绳索定向钻进器具（如图5 所示），构建水平绳索随钻定向钻进方法（如图6 所示）。

定向测量系统采用有缆随钻测斜仪（MWD），该装置通过铠装电缆与地面控制系统实现物理连接。施工时借助电缆绞车的牵引力将测量仪器沿水平方向精准导入无磁钻铤内部，完成定位锁定后建立孔底- 地表信号传输通道。系统配备双重密封结构的信号传输电缆，有效保障泥浆循环系统的密闭性能。针对井眼轨迹控制需求，选用选用1.0° ＼～1.25的螺杆马达，根据地层可钻性及造斜率要求进行参数匹配。井眼轨迹利用平均角法进行三维空间计算，采用定向钻进与复合钻进交替的方式，控制局部“狗腿”度在允许范围内，从而确保整体井眼轨迹的平滑过渡和精确导向。

4 现场应用

工区属于构造剥蚀高～中山峡谷地貌。岩石类型主要为石英岩，岩石硬度高、脆、研磨性弱制约钻进速度，并且裂隙较发育，岩石破碎，会遭遇钻孔涌水情况。

应用孔自开孔到完钻历时 91.03 天，四开终孔，其中一开孔径 Φ150mm，下Φ146mm 套管封隔孔口及上部封盖层，施工孔段 0＼～28.5m；二开孔径 Φ122mm，下Φ114mm 套管封隔破碎带及涌水段，施工孔段 28.5＼～133m；三开孔径 Φ96mm，下 Φ91mm套管隔水护壁，施工孔段 133＼～763.2m；四开孔径 Φ76mm，施工孔段 763.2＼～1281.68m，实际孔身结构剖面如图7 所示。

钻进周期 2184.6 h（折合 104.5 天，3.48 台月），其中纯钻时间 392.63 h，占总台时1 5 . 6 6 % 取岩心时间 1 1 1 2 . 0 7 h ，占总台时 4 4 . 3 4 % ; 起大钻时间278.5 h，占总台时 1 1 . 1 0 % ；测斜及特种作业时间 80.5，占总台时 3 . 2 1 % ；辅助时间 5 2 0 . 3 h ，占总台时 2 0 . 7 5 % ；故障时间 1 0 8 h ，占总台时。全孔累计进尺 1 2 7 6 . 6 8 m ，全孔平均机械钻速 3 . 2 5 m / h ，实际台月效率 3 6 6 . 8 6 m/ 台月。全孔时效分析如图 8 所示。

通过防斜纠斜措施有效预防了钻进过程中轨迹偏移问题，每钻进50m测量孔斜一次。完钻测试井底顶角，相较于设计值顶角变化，与设计值误差仅为钻孔方位角在设计方位角 °以内波动，完全满足施工设计要求，孔身质量综合评价优秀。设计孔身轨迹和实际轨迹如图 9 所示。覆盖层采取率为 9 2 . 0 1 % ，基岩采取率为 9 5 . 0 7 % ，全孔采取率为 9 4 . 9 2 % ，符合取心要求。