强造斜地层钻孔的防斜与纠斜

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　　江苏省第六地质大队摘要：变质岩特别是深变质岩中的片麻岩是强造斜地层，强造斜地层，一方面难以达到每百米2°的质量要求，另一方面在钻探方式中由于钻孔弯曲度较大，钻具磨损相当严重，更重要的是由于钻孔弯曲度大，钻具易折断，给事故处理带来相当大的困难。本文介绍CCSDⅡ预先导孔施工中防斜纠斜的过程。
　　关键词：造斜、钻探、防斜、纠斜
　　
　　前言
　　为实现上天、入地、下海洋人类的三大梦想之一的入地工程，世界地科文组织及中国地质科学院地决定进行中国大陆科学钻探（CCSD），并决定在我队所处江苏北部东海县进行5000米超深钻。为进一步了解本地区的地层、地质构造特别是钻探方法等资料，在超深孔主孔施工前我队配合了中国大陆科钻中心进行了预先导孔的钻探施工工作。
　　该地区为古老的变质岩地层，岩性大多为片麻岩、榴辉岩，该地层的特点为地层产状一般为30-45°，岩石坚硬，岩石可钻性大部分在Ⅶ级以上，少数可达Ⅹ级，属强造斜地层，给钻孔施工带来极大困难，一方面难以达到每百米2°的质量要求，另一方面在钻探方式中由于钻孔弯曲度较大，钻具磨损相当严重，更重要的是由于钻孔弯曲度大，钻具易折断，给事故处理带来相当大的困难，虽然我们采取不少措施，如果用小口径钻具上部加扶正器，严把钻探设备、安装质量关等，但钻孔弯曲度很难达到每百米2°地质要求。
　　在多年的施工中特别是在施工中国大陆科学钻探预先导一II号孔时，我们认真研究措施，采取一系列方法，使该孔的钻孔弯曲度达到有效控制在每百米2°的范围之内，达到了地质目的。
　　一、设备安装
　　从设备的安装基础开始，严把质量关，我们首先制造一个厚一米，长、宽各七米的正方形混凝土浇铸平台，以保设备基础平稳、牢固，并严格做到“三点一线”保证设备安装质量，保证钻机水平、立轴垂直。
　　二、选择合理的钻孔结构
　　为了减少钻杆的弯曲必须减少钻具与孔壁间隙，在钻孔结构方面做到尽量简化，在保证终孔口径不小于75毫米地质要求前提下，除第四纪和风化基岩部分用较大口径，下好孔口管后，我们采用S75绳索取芯一径到底。
　　三、钻进方法的选择
　　在上部孔段0~90米，除第四纪及风化基岩孔段，我们除采用合金钻进外，90米以下全部用S75毫米金刚石绳索取芯钻进，保证了钻具的稳定性，对钻孔防斜起到很好作用。
　　四、控制钻压及转速
　　对钻压及转速的控制也是钻探过程中对孔斜影响较大的关键因素之一。钻进的转速控制在400-600转/分钟。压力控制在40-60MPa。
　　钻进的转速是比较好控制的，但转进的压力控制起来就比较困难，因为要考虑钻杆的重量和水的浮压力。S75钻头的壁厚为8mm,其面积为17cm2, 要控制钻头处的压力在40-60MPa(4-6kg/cm2)之间,就必须控制传递到钻头的净压力在680-1020kg之间。
　　P＝W－P水+P油
　　P――传递到钻头的压力 (P=680-1020kg)
　　W――钻杆重量，W＝7kg/m*钻杆长度 (kg)
　　P水――水泵产生的浮压力，P水＝水泵压力表读数(MPa)/10*钻头面积S1(cm2)(kg)
　　P油――油缸加压压力，P油＝油缸压力表读数p（MPa）/10*面积S2(cm2)(kg)
　　由上述条件联解方程得出不同深度时的油压表读数见下表：
　　p=(P-W+ P水)*10/S2
　　
　　不同深度的钻进压力一览表
　　深度(m) 钻杆重量(kg) 水泵压力(MPa) 浮压力(kg) 油缸加压(kg) 油缸读数(MPa)
　　 下限 上限 下限 上限
　　1 7 10 27 700 1040 31 46
　　50 350 25 68 398 738 18 33
　　100 700 40 109 89 429 4 19
　　150 1050 55 150 -220 120 -10 5
　　200 1400 70 191 -529 -189 -23 -8
　　250 1750 85 232 -838 -498 -37 -22
　　300 2100 100 273 -1147 -807 -51 -36
　　350 2450 115 314 -1456 -1116 -64 -49
　　400 2800 130 355 -1765 -1425 -78 -63
　　450 3150 145 396 -2074 -1734 -92 -77
　　500 3500 160 437 -2383 -2043 -105 -90
　　550 3850 175 478 -2692 -2352 -119 -104
　　600 4200 190 519 -3001 -2661 -133 -118
　　650 4550 205 560 -3310 -2970 -146 -131
　　700 4900 220 601 -3619 -3279 -160 -145
　　750 5250 235 642 -3928 -3588 -174 -159
　　800 5600 250 683 -4237 -3897 -187 -172
　　850 5950 265 725 -4545 -4205 -201 -186
　　900 6300 280 766 -4854 -4514 -215 -200
　　950 6650 295 807 -5163 -4823 -228 -213
　　1000 7000 310 848 -5472 -5132 -242 -227
　　1050 7350 325 889 -5781 -5441 -256 -241
　　1100 7700 340 930 -6090 -5750 -269 -254
　　注：1、钻头内面积 S1= 27.34
　　2、油缸面积 S2= 226.19
　　从上表可以看出，在100米以上加压钻进，100-150米无压钻进、150米以下减压钻进（保证传递到钻头处的压力在680kg-1020kg之间）。钻进时根据上述参数表的油缸读数进行控制。
　　五、及时纠斜
　　由于地质条件的复杂性，在钻进过程中，不免还会发生孔斜现象，施工过程中我们按规程及时用玻璃管及浮球法测斜，对部分钻孔弯曲度超限孔段，我们及时纠斜。在孔深600~700米孔段，孔斜超限，我们及时请勘探技术研究所同志，用“猫头鹰”测斜仪准确测斜，螺杆钻进方法纠斜(螺杆钻进方法是一种容积式井底马达，利用高压钻井液由钻杆进入螺杆钻具后，液体的压力迫使转子旋转，从而把扭矩传递到钻头上，达到钻井的目的)，取得较好效果。
　　由于我们采取以上有效防斜纠斜措施，所以在终孔深1028米时钻孔弯曲度仅为14.7°，折合每百米1.43°，完全符合钻孔设计要求。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
　　
　　
　　

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