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工技术要点。
关键词:流砂地层;旋挖钻成桩;施工技术
中图分类号:U455文献标识码: A 文章编号:
前 言
骡驻河特大桥DK898+065.725~DK911+873.505段桥梁工程,其基础桩基穿越砂层,从设计资料及现场核查情况来看,砂层组成有粉砂层、细砂层、中砂层、粗砂层及砾砂层,原始堆积状态从稍密至中密再至密实均有分布。砂层层厚一般为2~10m,大致呈水平状与其他围岩分层布置,个别呈透镜状夹层。在钻孔桩长度范围内分部具有一定规律性,在地表下20~26m范围内常见中密或稍密的细砂层和中砂层,随深度增加,含砂层砂石粒径逐渐增大,出现由细砂向砾砂的逐渐转变。局部地段砂层埋深较浅,约5~10m,个别可见于地表。
该段桥梁桩基长度大部分为40~45m,桩长范围内均为软弱地层,为加快施工进度,提高施工效率,主要选用旋挖钻机进行施工。
1流砂层成孔主要影响因素及对策分析
流砂地层旋挖钻成桩主要困难集中在流砂层成孔困难,为此,首先分析流砂层中成孔的主要影响因素。主要从两个方面进行考虑,一是从力学方面分析影响流砂层稳定的各要素,制定应对措施;二是将旋挖钻成孔与其他成孔工艺比较,如冲击钻、循环钻,分析旋挖钻工艺的特殊点,以便针对性采取措施。
1.1 钻孔状态下流砂层稳定性力学分析
钻孔到达流砂层时,影响流砂层稳定的各外力主要有以下几个:地层压力F、流砂层自身重力G、孔内液体水头压力N和孔内液体冲刷力f。具体受力图见图1:流砂层稳定性受力分析示意图。
通过分析可知,图中地层压力F为通过上层地层传递,在地质条件确定的情况下,仅与层上附加荷载量有关,即地表附加荷载越大越容易造成失稳。
流砂层自身重力产生的分力Gf与流砂层致密度、颗粒大小、自然堆积角等相关,该因素受工艺影响作用小。
水头压力N为孔内护壁泥浆产生的压力,从外力方向来看,该力对维持流砂层压力具有重要作用。由液体压强公式可以看出,该压力N与泥浆比重和所处深度有关,即泥浆比重越小,水头高度越低越容易造成失稳。孔内液体冲刷力f,指因机械扰动等原因造成孔内泥浆对流砂层形成的冲击力。与扰动能量有关,及外界对孔内泥浆扰动越大,越容易造成失稳。综上所述,可将施工过程中对流砂层稳定起关键作用的几种力的影响总结如下表:
表1 流砂层受力因素影响表
表2 成孔方式对流砂层稳定性影响分析
1.2 旋挖钻穿越流砂层关键控制内容及应对措施
通过表1、表2进行综合分析,可以得出旋挖钻在穿越流砂层施工中存在如下特点:
1)、施工中产生的外加荷载较大,如机械本身重量、渣土堆载重量等;
2)、 钻孔过程因挂碰、旋转等对孔壁形成较大扰动,流砂层中容易造成失稳;
3)、 钻孔过程中泥浆对孔壁冲刷力相对较小;
4)、 成孔效率高,有利于流砂层稳定;
针对以上特点,制定以下几项应对措施:
(1)、合理布置施工场地,根据流砂层埋深对护筒强度及长度进行适当加强,及时清运钻渣;
(2)、加强技术交底工作,向操作司机说明地质情况及其特殊性,要求操作手严格控制钻杆位置、垂直度,穿越流砂层后注意机械动作幅度,避免过激操作;
(3)、改善泥浆性能,通过实践确定泥浆各项参数,及时补充泥浆,保证孔内水头压力;
(4)、选用适合流砂底层的钻头,进一步提高工作效率;
(5)、加强过程控制,及时发现问题;
(6)、制定钻孔事故应急预案。
2 施工实践效果
2.1 浅埋流砂层
部分距地表较浅的流砂层,施工中采用了常规的埋设护筒的方式进行防护,可对护筒进行加长,保证护筒长度穿越流砂层。同时,注意施工过程中的孔顶载荷控制,如大型机具必须近距离停放时尽量加大距孔口位置,挖出渣土及时清运等措施。通过护筒加长和孔顶荷载控制,对流砂层产生较好的防护作用,可保证正常钻进。
2.2 深埋流砂层
大部分流砂层埋深较大,常见埋深20~26米。对于此类流砂层,主要采取了一下几项措施:
2.2.1 合理选用作业、配套机具
采用旋挖钻施工工艺,选用SR150型旋挖钻,采用摩擦式钻杆,砂土层和砂层的胶结性能都比较差,选用双底板捞砂钻斗进行钻进。为减少清孔时间,缩短孔壁暴露时间,现场配备空气吸泥机一台,用于孔底沉渣清除。利用导管水下灌注混凝土。其他机具,如泥浆泵、出渣车、吊车、装载机、挖掘机等设备可视具体情况进行选用。
2.2.2 改善泥浆性能
采用优质膨润土制备泥浆,制备泥浆时应充分搅拌,并适量添加火碱调节PH值,使粘土颗粒有效分解,增大泥浆中细颗粒含量,减少粗颗粒含量,可以有效减小泥浆失水率,且形成的泥皮薄而致密,有利于流沙层稳定。泥浆制备时加入适量羧甲基纤维素钠(CMC),CMC溶于水能显著增加溶液粘度,具有增稠、分散、乳化、悬浮、保护胶体等作用,能使孔壁形成薄而坚、渗透性低的滤层,使失水量降低。
在钻进过冲中应严格及时进行泥浆指标测定,及时调整,泥浆的指标要求:泥浆比重1.1~1.25 g/cm3,清孔泥浆比重为≤1.1 g/cm3。黏度控制在18~25s,含砂率≤4%,胶体率≥98%,PH值7~9。因旋挖钻施工时泥浆不需要进行循环,为维持流沙层稳定,适当增大了泥浆比重,施工中应进行重点控制。同时,因旋挖钻提钻出渣后会带出部分泥浆,应予以及时补充,保持水头压力。提钻出渣时,在孔口处应稍微静停几秒钟,待钻斗内大部分泥浆流出后在放开底板出渣,以减少泥浆损失,并降低渣土含水量,便于堆放及运输。钻进过程中,还应重点监测泥浆含砂率,泥浆中含砂率过大,在泥浆受扰动时,泥浆中的砂粒会对孔壁泥皮产生切削作用,不利于孔壁稳定,应加强检测频率,发现含砂率过大应及时补浆或静停一段时间。
2.2.3 及时对钻孔效果进行检验,及时发现问题
主要检测和观测内容有:孔底标高、钻孔倾斜度、孔径、泥浆性能指标、孔内水头高度、出渣量与进尺量对比等。通过这些监控内容,可及时发现钻进中是否出现了塌孔、缩径、钻孔偏斜等情况,以便及时采取有效措施。
2.2.4 制定详细的应急预案,出现问题及时处理
针对流砂层易出现塌孔、埋钻等事故的情况,制定专项的应急预案,并集中配备应急处理物资和设备,确保及时处理事故。
3技术研究总结及效益分析
通过对各控制要素采取针对性的应对和改进措施,经过不断的试验和总结,技术研究工作最终取得良好效果,克服了流砂层地质条件下的成桩困难,并具有以下几方面的优势:
3.1成桩速度快:与同类地质条件下的循环钻和冲击钻施工相比,旋挖钻成桩速度具有明显优势,可有效缩短施工周期。
3.2施工质量高:旋挖钻机自动化程度高、工艺先进,对桩位控制、成孔质量、孔底沉渣控制等均具有明显优势。
3.3清洁环保:由于旋挖钻钻进中护壁泥浆不需要进行循环,孔底沉渣较少,配合使用空气吸泥机,可有效减少甚至避免二次清孔,减少了泥浆使用量,减少环境污染。因成孔效率较高,现场投入钻机和配套设备少,便于管理,有利于现场文明施工。
3.4施工成本低:因为旋挖钻施工设备及人员投入少、大临投入小、施工周期短、扩孔系数小、施工质量控制简单、环水保及文明施工配套投入少等因素,综合经济效益明显,可有效控制施工成本。
参考文献
[1] 公路桥涵施工技术规范:JTG/T F50-2011. 中华人民共和国交通运输部.人民交通出版社,2011.7
关键词:水泥搅拌桩;现场施工;管理控制
随着国内高速公路不断的建设,高速公路工程管理的不断完善,对于工程施工质量的检验标准也不断的提高,水泥搅拌桩工程普遍用于高速公路、机场、高层建筑的地基处理加固工程。虽然施工工艺已相对成熟和完善,但随着管理者对水泥搅拌桩不断深入的认识,使得其施工质量越来越令人担心,让人总觉得其施工质量十分难于控制。虽然施工单位、监理单位及业主单位在水泥搅拌桩的施工工程中已经下了非常大的监管力度,但最终大多数收效甚微,本文通过多年的软基施工管理经验,总结出了一些结论,希望能与大家共同探讨。
一、施工前准备工作
1、施工机械的和电脑记录仪的选配
目前用于水泥搅拌桩施工的机械主要有两种:
一种是武汉产的PH-5、PH-7粉浆两用型桩机,此桩机最大施工深度一般为18米以下,其施工转速与下钻的速度成正比例关系,由于其施工底盘高度的限制,当用于水泥搅拌桩施工时最多只能配置4个搅拌刀片,其行走部分采用液压腿,十分灵活,工作效率相对较高,适用于施工桩长较短,土质为砂性土、亚粘土、淤泥质亚粘土的段落,当土质为纯淤泥时,建议不采用。
一种是上海和宜兴产的STB-1型专用水泥搅拌桩桩机,其行走部分采用轴管,移动起来比较困难,每次移动都需要枕木铺垫调平桩机,垂直度控制起来也较麻烦。其下钻速度主要靠卷扬机的转速来控制,当遇到局部硬层时只能靠加大动力头重量和增加竖向破土刀片来穿透它。为增加水泥搅拌桩的均匀程度,当遇到土质较差的段落时可视情况将钻杆上的刀片增加至6~8个。适用于所有土层水泥搅拌桩的施工。
1、2 电脑记录仪的选配
从施工资料的规范化角度考虑,电脑让每一根桩的施工资料清晰完整,给人一种安全的寄托。但从现场施工控制的角度上来考虑,电脑只不过是一个摆设罢了,它让领导安心,实际上目前市场上的水泥搅拌桩部分电脑产品它除了能增加操作人员的施工难度以外,其他根本是一无是处。但如果真要让电脑起到一部分的控制作用,那就要注意选配电脑了。①首先要求电脑内的时间必须为北京时间,由厂家统一设定,不允许有自行调整的功能;②电脑必须取消存储功能,施工过程中采用实时打印,当下一根开始时上一根的资料自动消失;③深度计经检查准确无误;④电脑经检查符合要求后由项目部统一贴封条,不可私动。此目的主要是控制单桩施工时间、假资料的出现和施工桩长的弄虚作假。
2、施工场地及其他准备
2、1 施工场地一定要平整,且在一侧要开挖排水边沟,保证雨季场地不积水,给桩机组创造一个好的施工环境。
2、2 对于沟塘回填的路段,回填土每层填厚不得大于50cm,压实度不得小于70%,且不大于85%,以保证水泥搅拌桩的成桩效果。
2、3 建好水泥库,水泥库净面积不得小于42平方米,同时最大库存量不得小于80吨,确保水泥的检验周期及防止雨季由于水泥进场困难而导致停工的情况。
2、4 在桩机的井架上准确画出每米的深度标示线,在钻头落地的情况下准确标示出“零”起点的位置。
2、5 将桩机钻头上的横向搅拌刀片增加至6个,并在井架的正面和侧面挂上垂球,用红油漆标示出垂球的中心位置。
2、6 召集所有现场施工负责人员及桩机组机长召开施工前技术交底会议,主要落实施工工艺、施工过程中的管理制度、资料的统一、检测要求及付款方式等,将项目部的管理方式及指导思想落实到每一个施工人员,有效提高他们的认识和警惕程度。为进一步保证工程的施工质量奠定良好的基础。
【关键词】水平井 钻井难点 技术措施
1 春光油田水平井基本情况介绍
春光区块位于新疆维吾尔自治区克拉玛依市车排子镇境内,河南油田矿权面积1023.245km2。是具有多层系、多圈闭类型(潜山、断块、地层、岩性油气藏)和多油品(稠油、中质油、轻质油、天然气)的复式油气聚集区,具有良好的增储潜力。随着对春光油田的不断认识、和开发的深入,河南油田分公司加大了对沙湾组地层的开发力度,目前春10区块和铁架子区块水平井是主要开发方向之一。
2012年春光油田水平井累计完成水平井41口,累计进尺59654米,其中春10区块完成30口,春10区块水平井进尺39177米,圆满完成了勘探开发任务。
2 春光油田水平井钻井难点
(1)一开井段地层胶结松散,可钻性好,成岩性差,易造浆和坍塌,一开井身质量差易造成起下钻不顺、下套管不到位等复杂情况。
(2)春光油田春10区块水平井油藏埋深浅,地层胶结疏松,井间间距小,部分井靶前位移小,常规直井钻机钻浅层稠油水平井要求造斜率高,其中春10区块每口水平井最大造斜率普遍达到42°/100m,而在疏松地层9 5/8″井眼钻具造斜率难以保证,造斜段岩性差异大,造斜规律复杂,施工难度大。
(3)二开上部钻遇地层以泥岩为主,夹粒状砂岩与粉砂岩,钻进时砂岩渗透性强,易形成厚泥饼,造成缩径阻卡,塔西河底部的砂砾岩易出现垮塌,地层中含有石膏,易钙侵。钻遇塔西河组时有可能钻遇水层,应予以高度重视,避免发生溢流。
(4)井眼稳定、携岩能力、防卡、固相控制、流变性控制和油层保护是水平井泥浆的重点,其中防塌、防涌和防卡也是技术难点。根据水平井的特点,泥浆体系必须适应地层的物理化学性能,保证泥浆具有较强的抑制性,同时对储层进行有效的保护和及时发现油气层。定向稳斜段,泥浆的携砂性能非常关键,泥浆要保证性能稳定,强化防塌措施,降低滤失量,形成优质泥饼,控制好流变性。
(5)测井遇阻主要在三个井段,一是刚出表套,二是水层位置,三是塔西河组。主要原因:一是操作不当造成大肚子井眼,二是设计泥浆比重偏低、起钻抽吸、未及时灌浆造成水侵等,三是地层钙污染泥饼增厚、缩径造成测核磁遇阻。
3 春光油田水平井主要技术措施
3.1 一开
春光油田水平井目前铁架子区块表层深度为200m,春10区块目前表层深度都为300m,在今年41口水平井施工的初期,许多井队在用塔式钻具组合打完表层后,即使中途进行短程起下钻和打封闭浆,也会出现下表层套管不顺的情况,有时候甚至刚下到100多米就出现严重遇阻现象,在最后30m也多次出现了套管粘卡现象,为能确保将表层套管顺利下到底,选用了江钻17 1/2″的SKG124钻头,优化了钻具组合,选用加17 1/2″扶正器的小钟摆钻具组合,即:Φ444.5mm钻头+Φ177.8mm钻铤+Φ444.5mm扶正器+Φ165.1mm钻铤+Φ127mm加重钻杆+Φ127mm斜坡钻杆。并且优化了钻进参数,上部地层严格控制井斜,使用小钻压高转速钻进,中途加强测斜,并根据测斜情况及时调整参数,在中途加强小起下钻,确保了井眼通畅。自从优化了钻具组合和钻进措施后,春光油田水平井表层套管都顺利下到底。
3.2 二开直井段
春光区块地层倾角较小,二开直井段一般选用塔式钻具组合就能保证井身质量,该井段地层岩性以泥质粉砂岩为主,优选江钻的钢尺HAT127钻头,提高了机械钻速,一般钻具为: HAT127钻头(其中铁架子区块为Φ244.5mm,春10区块为215.9mm)+Φ177.8mm钻铤(无磁)+Φ165.1mm钻铤+Φ127mm加重钻杆+Φ127mm斜坡钻杆。该井段基本钻遇独山子组、塔西组,在550m以后地层开始变化,所以在这边总结出了:选用1*12+2*13的喷嘴组合,泵压基本在11-12MPa,300-550m钻压选用4-6t,转速150-200rpm;550m至造斜点钻压选用6-8t,转速150-200rpm,铁架子区块在1000m至造斜点钻压选用10t,转速120 rpm,平均机械达到了23.69m/h。在钻进的过程中及时测斜来了解井身情况,及时的做好钻井参数的调整,大钻压和小钻压交替使用,既保证了井身质量,又防止钻具长时间的应力集中而造成疲劳破坏。
3.3 二开定向井段
在定向段施工技术措施方面主要有以下要点:
(1)控制调整井眼轨迹是定向段施工的重中之重。由于春光油田地层存在一定的倾角,同时导向钻具对钻压的大小和加压的方式十分敏感,在施工的过程中,根据轨迹的需要,合理确定钻压,尽量采用转转盘的方式控制井眼轨迹,避免或者少用滑动钻进的方式,以提高施工的安全和效率。在每口井施工之前,根据区块地层特点以及所钻邻井方位飘移规律和井斜变化规律,预留方位角和井斜角。斜井段滑动钻进时可根据邻井资料小范围调整滑动位置,尽量选择砂岩段滑动增斜。由于钻具自重竖直向下,井斜较大时,降斜较容易,增斜较困难,可以根据设计轨迹走上限,为轨迹调整留有调控余地,确保顺利中靶。
(2)钻头类型的优选。目前春光油田铁架子区块水平井平均完钻井深1990.77m,春10区块平均完钻井深为1305.9m。钻头使用方面,铁架子区块水平井平均使用钻头3只,表层使用17 1/2″的SKG124钻头一只,二开直井段使用8 1/2″的HAT127钻头一只,二开定向段使用8 1/2″的MD437钻头一只,通过优选钻头类型,实际平均钻井周期为12.89d,相比平均设计钻井周期14.12d结余周期1.1d;春10区块水平井平均使用钻头3只,表层使用17 1/2″的SKG124钻头一只,二开直井段使用9 5/8″的HAT127钻头一只,二开定向段使用9 5/8″的MD437或HJ437G钻头一只,通过优选钻头类型,实际平均钻井周期为9.21d,相比平均设计钻井周期13.98d结余周期4.77d。
(3)施工注意事项。井斜大于40°后,每打完单根划眼两次正常后再接单根;井斜超过50-60°时,会造成加压困难,要采取倒装钻具(把加重钻杆放到斜坡钻杆的上面),保证钻压的正常;水平段易发生粘卡,水平段滑动时必须注意工具面的变化情况,若钻时变慢或无进尺,工具面不变化,及时活动钻具,预防粘卡;为预防钻头泥包,下钻到大斜度段进行分段循环,滑动钻进时,适当增加排量保证携砂性,滑动2-3米活动一次钻具;在施工过程中药尽可能降低过大的全角变化率,优化井下管柱结构设计,使管柱受力分布合理尽量避免螺旋屈曲,精确控制井眼轨迹,保证井眼光滑,减少管柱弯曲阻力。
参考文献
关键词:钻孔桩;病害;现象;解决措施
中图分类号: U443.15+4 文献标识码: A 文章编号:
钻孔灌注桩具有适用范围广、承载力大、施工简单、噪声小、承载力高、桩径大、适应各种地质条件等优点,因而广泛用于铁路公路桥梁工程、高层建筑、厂房等各种建筑物的建设中,是目前国内使用最多的基础工程之一。在施工过程中由于地质条件和水文条件的复杂性以及人员操作不规范等方面的原因,经常会发生各类病害,造成不必要的损失,本文结合工作实际,分析和总结了钻孔桩施工过程中各类病害特征,给出了解决措施,供类似工程参考,进而达到避免损失的目的。
1.钻孔灌注桩施工流程
钻孔灌注桩是采用旋挖钻机等钻孔设备在土中形成一定直径的钻孔,达到设计标高后, 将钢筋骨架吊入钻孔中,检验合格后,连续灌注混凝土最后成桩。成孔后的混凝土灌注施工是保证桩质量的关键环节, 必须把可能出现的问题考虑周全, 预防可能发生的质量通病。
钻孔灌注桩的一般施工流程为:平整场地—桩位放样—制作护筒、制作泥浆—埋设护筒—钻机就位—钻进并注入泥浆—成孔--测量钻孔深度、斜度、直径—清孔—吊装钢筋笼—安装导管--验孔—合格—灌注水下砼—测量砼面高度—养生—拔除护筒等内容。其施工中的病害主要有坍孔、断桩、卡钻、护筒变形等病害,下面简述其现象及解决措施,供类似工程参考。
2.钻孔桩病害及处理方法
2.1坍孔
2.1.1现象
其主要表现为孔内水位突然下降;孔口水面冒细密的水泡;出渣量显著增加,没有进尺或进尺量很小;孔口突然变浅,钻头达不到原来的孔深;钻机负荷显著增加等。
2.1.2处理方法:
发生坍孔后,应立即查明坍孔位置,分析地质情况,然后采取如下措施:
1)坍孔发生在护筒底脚处,根据实际情况,可以立即拆除护筒,回填钻孔,重新埋设护筒后,再钻进;采用加长护筒,使护筒通过震动锤继续下沉,直至埋于坍孔位置以下,用黏土或装有黏土的草袋回填夯实,重钻时,控制好泥浆稠度和水头高度。
2)若坍孔位置较深,则可以由测深锤和实际的地质情况分析实际的坍孔程度,若不严重,则可以加大泥浆比重,继续钻进;若坍孔较为严重时,则应立即用砂或小砾石加黏土回填至坍孔以上位置,甚至将整个钻孔全部回填,暂停一段时间,使回填土沉积密实,水位稳定后,重新钻进,时刻注意不良现象的发生。
2.2斜孔和弯孔
2.2.1现象
现场钻成的桩孔,垂直桩不垂直,或发生弯曲等不符合要求。
2.2.2应急处理方法
应及时调整进钻速度,泥浆稠度;并应上下扫孔使钻机逐渐正位。弯孔较严重时,如用旋转钻机,可提吊起钻机在弯孔处上下反复扫孔,使钻孔垂直。特别严重时,应回填砂黏土,冲击钻孔应回填砂黏土夹砂卵石或小片石至弯孔以上0.5m,待沉积或用低冲程冲击密实后,再钻进;不得用冲击钻直接修孔,以免卡钻。
2.3护筒变形(失效)
2.3.1现象
由于护筒下孔内大面积坍孔,指使地层发生变化,从而使钢护筒下沉并倾斜,失去护筒作用;由于地下障碍物或护筒内外压力差过大,使护筒局部变形、开裂、漏水,失去护筒作用。
2.3.2应急处理方法
1)对于第一种情况,应将护筒拔除,然后回填重新埋设;
2)对于第二种情况,可根据护筒的长短、破坏的位置、破坏的程度不同,采取如下措施:
(1)变形部位在钢护筒的底部,且长度不大,钢护筒不漏水,则可以让潜水员下水,用水下氧割的办法把已变形的部位割掉提出;
(3)变形部位在钢护筒的上部,且距表土的深度在1m以内,钢护筒不漏水,则可以在钢护筒内打米字撑,抽水至变形部位,用千斤顶调整已变形的钢护筒;
(3)变形部位在钢护筒的中部且漏水,则用千斤顶或卷扬机等其它提升设备,将整个钢护筒提出,查出原因,找到解决办法;
2.4断桩
2.4.1现象
引起断桩的原因主要有如下几方面。
1)首批封底混凝土数量不足,导管底口距孔底间距过大,下落混凝土不能有效淹埋导管口,使泥水从底口进入导管形成断桩;
2)混凝土中导管提升过猛或测深不准使导管底口脱离混凝土而引起断桩;
3)由于导管埋入混凝土太深或导管埋设不正被钢筋笼卡住,不能提升而终止混凝土灌注,形成断桩;
4)混凝土灌注中发生严重的塌孔事故而形成断桩;
5)机械设备差,因故障修理又无备用设备和手段,导致混凝土初凝,不能继续灌注而断桩;
6)突然停电,又无发电设备而导致灌桩工作停止;
7)严重缺陷桩也可作为断桩处理。
2.4.2应急处理方法
1)在灌注混凝土开始不久出现的问题,应迅速拔出导管和钢筋骨架,将可吸出的混凝土尽量吸出,如全部吸出,问题处理后重新灌注混凝土,如部分吸出,将剩余已硬化的混凝土凿除,再进行灌注混凝土;
2)如灌注中发现导管进水或其他故障,如有充足的时间,在灌注混凝土不初凝的情况下,可将导管拔出,修理后采用管底堵塞的隔水方法,重新插入导管,去掉底塞恢复灌注或直接将导管插入已灌注的混凝土中,并不小于2m,将导管内的水和表层稀松的混凝土吸出后重新灌注;
2.5护筒下沉
2.5.1现象
在钻孔过程中,护筒突然下沉,造成孔内泥浆水头下降,低于施工工艺要求,钻孔无法正常进行。
2.5.2应急处理方法
1)加快施工进度,缩短施工的周期,减少或者避免由于冲刷造成的影响。
2)如果护筒的下沉量较少,可以通过提高泥浆比重和粘度的方法,改善泥浆指标后,继续钻孔。
2.6卡钻
2.6.1现象
发生卡钻时的现象主要有如下几方面。
1)用冲击钻施工时,出现梅花孔,冲击钻头被狭窄部位卡住;
2)坍孔、落石或工具掉进孔内,卡住钻头;
3)长护筒倾斜,下端为钻头冲击变形,同钻头卡在一起;
4)未及时焊补钻头,钻孔直径逐渐减小,而焊补超限,又用高冲程猛击,发生卡钻;
5)伸入孔内不大的探头石未被打碎,卡住冲击锥顶或锥脚;
6)下钻太猛,大绳松放太多,钻头碰撞在孔内倾倒,顶住孔壁。
2.6.2应急处理方法
事故发生后,应明确卡钻位置,查明该处的地质情况,同时应继续搅拌泥浆,以防沉淀埋钻。再根据实际不同情况,采取不同的措施。
2.7掉钻及埋钻
2.7.1现象
掉钻也是钻孔桩施工中经常出现的事故,而且主要发生在钻岩阶段。发生掉钻的主要原因是:钻杆使用过久,连接处有损伤或接头磨损过多;钻进中选用的转速不当使钻杆扭转或弯曲折断;地质坚硬,进尺太快,超负荷引起钻具断裂;卡钻(埋钻)时强扭、操作不当使钢丝绳或钻杆(钻头)疲劳断裂;钻具之间连接螺拴松动,被剪断,引起掉钻。
2.7.2应急处理方法
掉钻后应及时澄清情况,制定切实可行的打捞方案。如果钻具被沉淀物或塌孔土石埋住,应首先清孔,使掉入孔中的钻具露出来,以便用打捞工具打捞,或者潜水员下去打捞。
1)为了避免发生掉钻后打捞困难,可以在容易发生断裂的部位预留一根打捞绳绳头,或者在钻头的加劲肋上预先焊上打捞钩板。一旦发生掉钻,可以很容易地用相应的打捞钓或者绳套等工具进行打捞。
2)对于一般的掉钻,可以用打捞工具进行打捞。常见的打捞工具有:打捞钩、打捞绳等。具体采用配套工具,要根据钻具的情况、断裂的部位等相关因素来确定。
3)如若卡钻后不及时发生埋钻时可采用“换浆法”、 “辅助爆破法”和“射水稀释法”解决。
3 结论
总之,在钻孔灌注桩施工过程中,由于地质条件、水文条件、施工人员技术水平、认真程度等方面,都可能导致出现各种病害。出现病害后应该分析产生原因、确定合理的解决方案,方能避免造成更大的经济损失,保证工程质量。
参考文献:
[关键词]复杂地层 技术措施 冲洗液 综合治理
[中图分类号] F416.1 [文献码] [文章编号] 1000-405X(2013)-7-153-2
金厂金矿区是黑龙江省东南部的特大型金矿床,我部自1994年进驻该区开展岩金普查工作以来,截止2012年,累计投入钻探工作量81604.84m,累计探获(333)以上金资源量78.843t。近年来,随着我部对该区勘探力度进一步加大,钻孔布设范围和设计深度分别向着更广、更深的方向发展,结果导致钻探工程钻遇地层越来越复杂,施工难度越来越大,矿区内岩层破碎,掉块,泥化层遇水坍塌等现象十分严重,钻进受阻、钻孔事故频发,钻探效率低下,严重影响了地质勘探工作的正常进行,针对这些问题,我们进行了认真总结分析,结合实际制定了一套比较系统的施工技术方案,并在实践取得了较好效果。
1概况
1.1矿区地质条件
矿区位于太平岭隆起与老黑山断陷交接部位,受角砾岩筒构造和环状、放射状断裂控制明显,断裂构造发育,碎裂岩化是造成矿区地层复杂的主要因素。施工中,钻孔所见主要岩层有变粒岩、斜长花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、闪长岩、闪长玢岩等,可钻性7-10级,并且刑家沟17号矿体地层多以断层泥、绿泥石化等蚀变为主,钻遇此类地层常发生钻孔超径、下钻遇阻、回转阻力大等问题。
1.2钻探技术要求
终孔孔径不小于75mm。采取全孔取心,岩矿心采取率均不小于80%,连续3个回次采取率小于80%必须采取措施或者特采,确保岩、矿心达到规范要求。
因本区层间裂隙水较丰富,为避免地下含水层之间贯通而造成采矿时期的巷道涌水,对采矿工作带来威胁,要求所有钻孔必须用325标号以上水泥进行全孔水泥封孔。
1.3施工设备及工艺
矿区投入机台2台套。钻机采用XY-44型立轴式钻机,泥浆泵采用BW-250型泥浆泵,供电采用柴油机发电。配备2套SGX-13钻塔和1套AG13-20钻塔,根据地形条件交替使用。钻杆使用接手直径为Φ73mm重索型绳索取心钻杆。
该地区上部第四纪覆盖层相对较薄,一般为3~6m,采取Φ110mm×Φ91mm×Φ75mm三级钻孔结构即可满足施工要求,同时为达到全孔取心目的,开孔采用Φ110mm金刚石复合片钻头干钻通过第四纪腐殖土层,下Φ108mm孔口管后,换用Φ91mm金刚石复合片钻头干钻至完整基岩后,下Φ89mm套管,最后换用Φ75mm钻头至终孔。
2以往钻探施工遇到的主要问题
通过对矿区以往钻探施工总结,可以发现矿区复杂地层对钻探施工的影响主要体现在以下方面:(1)地层破碎,孔内掉块、探头石多,起下钻受阻,扫孔频繁;(2)破碎地层钻进时,大颗粒岩粉增多,因矿区使用的重索钻杆接手直径较大,造成冲洗液上返环状间隙过小,大颗粒岩屑不易排出,易产生“悬桥”卡钻甚至钻杆折断事故;(3)绿泥石化蚀变带钻进时,孔壁遇水坍塌严重,如果维护不当造成孔壁失稳或孔底岩屑聚积,极易造成卡钻、埋钻等事故。
以2012年在金厂刑家沟17号矿体施工的ZK0102孔为例,该孔终孔孔深为690.92m,全孔岩心破碎,并且在285~342m区段内存在较严重的绿泥石化蚀变带。施工过程中,Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入4.8m和30.5m。换用绳索取心钻具钻进后,为保持孔内孔壁稳定,现场依据岩心变化使用了3种类型的冲洗液,第一种是用于蚀变带上部碎裂岩层的无固相冲洗液,由0.3%PAM+0.5%CMC组成;第二种是用于绿泥石化蚀变带的细分散泥浆,由20%粘土+火碱组成;第三种是用于蚀变带下部碎裂地层的低固相冲洗液,由1%PAM+8%粘土+火碱组成。理论上看3种冲洗液体系比较贴合地层实际,能够满足钻进需要,但是从实际钻进效果来看,其作用发挥与预期存在较大差距,主要体现在:一是使用细分散泥浆钻进时,存在转速较低,泵压较高,钻进阻力较大等问题;二是使用低固相冲洗液时,冲洗液携带岩屑上返能力不强,孔内岩屑沉积较多,致使施工中经常出现憋车、卡钻,内管与钻具间空隙被岩屑填充卡死,无法正常提拉,被迫提钻处理等问题;三是每次下钻至290~310m上下区间内均存在不同程度的下钻受阻问题,扫孔时间过长。通过总结分析,我们认为这些问题的出现主要与以下三方面有关:一是与现场使用粘土质量不高,配制出的泥浆维护孔壁性能不好有关;二是与孔内钻杆接手处环空间隙过小(仅2mm),大颗粒岩屑不易排出,易聚集形成“悬桥”有关;三是与使用的钻头寿命过短(平均每50m,最多80m更换一次),起下钻过频引起孔壁失稳有关。
3复杂地层施工技术与效果
3.1挑选使用符合矿区实际的钻头
针对施工中出现的钻杆接手处环状间隙过小,上返岩屑易聚集以及平底式钻头磨损快、寿命短,因更换钻头造成的起下钻过频问题,我们经过认真分析研究,决定在现有重索钻杆不更换的前提下,将矿区原有的Φ75mm平底式钻头更换为Φ77mm、硬度在20~35多范围内的锯齿状唇面加大钻头。
3.2正确选用膨润土,配制使用有效抑制复杂地层的冲洗液
由于在矿区以往钻探实践中,施工的大部分钻孔孔深较浅(一般为200m~450m),地层稳定,对泥浆性能要求相对较低,致使机台对膨润土使用重视程度不够,使用的膨润土存在含沙量高,消耗多但造浆率低,形成泥饼厚且粗糙等缺点,护壁性能不佳。
为应对矿区复杂地层,尤其是绿泥石化蚀变带,必须使用性能较高的膨润土配制冲洗液,为此我们为矿区重新选定了膨润土,并且针对地层实际,开展室内试验,对冲洗液配比做了进一步优化,最终制定出了3套较适合矿区使用的冲洗液方案:①细分散泥浆,腐殖酸钾泥浆。配方:8%膨润土+4%KHm+7%Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.12,漏斗粘度22s,失水量9ml/30min,pH值9。优点:该冲洗液在使用过程中,能够有效排孔内大颗粒坍塌物,且护壁效果较好。缺点:但在绳索取心钻进过程中,投放内管速度缓慢,钻杆内易结泥皮,常存在打捞内管失败的问题,不宜高转速钻进使用。适用范围:较适用于浅孔钻进及排出孔内因坍塌造成的大颗粒岩屑。②不分散低固相冲洗液,JC-1冲洗液。配方:3%膨润土+0.4%PAM+4%KHm+6%Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.02,漏斗粘度18.6s,pH值8.5。该冲洗液的主要处理剂为部分水解PAM起护壁和絮凝作用,腐殖酸钾期抑制孔壁分数和降失水作用。优点:粘度低,流动性好,沉砂能力强,防塌护壁效果好等优点。适用范围:可用于水敏剥落地层。JC-2冲洗液。配方:4%膨润土+1.5%植物胶+0.3%PAM+0.15%CMC +2%KHm+6% Na2CO3(占土量),性能指标:比重1.03,漏斗粘度34s,pH值8.2。③无固相冲洗液,JC-3冲洗液。配方:1%植物胶+0.1%PAM+0.15%CMC+0.08%NaOH,性能指标:比重1.01,漏斗粘度28s,pH值8.3。优点:植物胶是非离子型高分子化合物,具有增粘、护壁、减阻等特点,并且钻杆转速越高,减振的效果越明显,振动越小越平稳,在同等条件下,它比其它冲洗液钻进时钻机转速可高开1-2档。适用范围:由于植物胶胶体的吸附成膜作用,失水量较低,对软、酥、脆地层和砂卵石地层护壁效果较好,与膨润土使用配制成的低固相冲洗液体系,适合穿过绿泥石化破碎带。
3.3采取综合治理措施
①上下钻时慢上慢下,同时回灌冲洗液,保持孔内液柱压力平衡,防止孔壁坍塌;②冲洗液循环过程中,定期测定入口和出口的冲洗液性能,定期补充新冲洗液和处理剂,确保冲洗液性能稳定;③定期检查水泵工作情况,定期清除循环系统中的沉淀岩屑,保持冲洗液的含沙量和固相含量合乎要求;④在预钻进复杂地层前,首先更换新钻头,力求一个钻头穿过复杂地层,减少因起下钻具造成对孔壁的破坏;⑤对孔内容易坍塌段应及时捞排岩粉,保持孔底干净,防止埋钻;⑥钻杆使用前认真检查钻杆丝扣使用情况,避免不符合要求的钻杆下入孔内,防止因疏忽造成的钻杆折断事故。
通过采取上述措施后,矿区以往复杂地层钻进出现的问题基本得以解决,钻进效率显著提升。以2013年在矿区刑家沟17号矿体施工的另一钻孔ZK0101孔为例,该孔与上述ZK0102孔孔位相距20m,终孔孔深为729.00m,岩心全孔破碎,绿泥石化蚀变带位于290m~328m左右。施工过程中,Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入3.5m和25.3m。绳索取心钻具钻进后,同样以绿泥石化蚀变带为界,分层使用了3种冲洗液方案,依次为:JC-3—JC-2—JC-3-1(加入了2%~3%的膨润土),从施工效果来看,当使用JC-2通过绿泥石化破碎带时,钻进泵压有所提升但增幅不大,转速正常,没有出现明显憋车现象,冲洗液排粉性能良好,尤其是大颗粒岩屑上返顺畅,遏制了孔内“悬桥”的产生,有效预防了卡钻事故。穿过绿泥蚀变带后,换用JC-3-1直至钻进终孔,期间机台每班坚持冲洗液维护,及时添加新浆,孔内排粉效果明显,孔底干净,施工中没有再发生过ZK0102孔出现的内管卡死问题。在钻头使用上,全孔累计使用Φ77mm锯齿状唇面钻头6个,平均每个钻头钻进121.5m,较以前Φ75mm平底式钻头平均使用寿命增加近72m。钻头使用寿命的提高一方面直接降低了因起下钻产生的辅助时间,提高了机械钻速;另一方面有效避免了因起下造成的孔壁破坏,确保了孔壁的稳定性。该孔从开孔施工至终孔结束累计耗用34天,真正达到了优质、高效。表1为钻孔ZK0101、ZK0102各项经济指标对比情况。
4小结
通过对金厂矿区复杂地层钻进技术的研究与实践,我们取得了较为明显的效果,从中我们深切的体会到:
(1)冲洗液的使用与维护是应对复杂地层的关键因素,腐殖酸钾泥浆、低固相冲洗液以及无固相冲洗液都有其各自的适用特点。施工时,应根据实验室测试、实践总结等方法进行分层钻进灵活使用。其中加有植物胶的低固相冲洗液护壁、效果好,携带大颗粒岩屑能力强,适合在通过泥化破碎带时使用。
(2)复杂地层岩石结构比较松散,钻具的震动、敲击、孔内液柱高低的变化,上下钻的抽吸和压力激增都有可能破坏冲洗液对井壁的保护,故在复杂地层钻进中要特别强调综合治理。
(3)对于个别地层特别破碎,而且破碎层厚度大的孔段,护壁性能再好的冲洗液也不能保证绝对不出现孔壁坍塌现象,如果坍塌孔段较浅,最好的处理方法是扩孔下套管,对于较深孔段的硬、碎坍塌,则采用灌注水泥浆封堵。
参考文献
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前言:在油藏设计、钻井设计、完井设计、压裂设计等单项设计优化中,单项措施的优化同时考虑其它设计因素,并根据其它设计目标进行调整,使各设计相互适应、协调统一,实现地质、工程 “一体化”优化设计。
1、油藏设计优化
(1)平面位置优化
CN64井水平段设计目的层为沙三中二砂组1号砂体。为了确保水平井具较高产能,该井部署在油层有效厚度大于10米区域,平面位置优选在CN64斜6井以东,采取分段压裂的方式投产。根据邻块实测压裂裂缝方位在NE60-80°,水平井走向垂直于人工压裂裂缝方向,设计水平井井身轨迹呈南东-北西走向。该井为平面三靶点水平井,A靶点位于CN64井井口方位332°,距离231m;K靶点位于纯深1井井口方位97.8°,距离930m;B靶点位于纯深1井井口方位75.7°,距离808m。
(2)垂向位置优化
CN64块纵向上发育两个小层,根据完钻井油层分析,1号层为该区主力小层,平面分布稳定。因此,CN64井水平段设计目的层为沙三中2砂组1号层。由于目的层油层上部渗透性较好,采取压裂方式投产,因此该井垂向位置优选在油层中上部,设计A靶点垂深2675m, K靶点垂深2711m,B靶点垂深2711m。其中设计A靶点距离油层顶3.0m,距离油层底9.0m;K靶点距离油层顶3.0m,距离油层底12.0m;B靶点距离油层顶3.0m,距离油层底12.0m。
(3)水平段长度优化
根据CN64块油藏条件,该井设计水平段长度为1200米。
2、钻完井一体化设计优化
针对低渗水平井多级分段压裂完井技术的特殊性,改变常规水平井单纯依据“靶盒”考核井眼轨迹控制精度的做法,强调地质目标实现、井身井眼质量控制、压裂完井管柱下入、优快等方面的协调统一,实现地质、工程一体化优化设计。
在井身结构优化方面,依据完井管柱要求,采用了三开井身结构,技术套管下至A靶点,二开采用Φ241.3mm井眼,三开水平段为Φ152.4mm井眼。技术套管下至A靶点目的是封隔产层以上不稳定泥岩地层,有利于后期1200m水平段安全顺利施工,同时降低斜井段摩阻扭矩,有利于完井压裂管柱的顺利下入。
3、压裂设计优化
一是从油藏出发优化施工规模。为了有效控制缝高下延,避免压穿下部2号砂体,利用CN64-7井的测井资料计算了垂向应力剖面,开展了压裂参数的优化。最终优化后,最大加砂规模:34.7m;最大施工排量:4.9m3/min;最佳支撑缝高:36.57m;平均砂比25.9%。
二是针对裸眼压裂开展了小型压裂测试,分析储层滤失特征。为了获取更多的信息,在CN64平1井主压裂前,实施小型压裂测试,以获取储层的破裂、滤失等特征。
小型压裂共泵注Viking D压裂液130m3,泵注排量0.5-3.8m3/min,停泵测压降106min。 压力降分析结果表明该储层存在多组裂缝闭合特征。第一组裂缝系统闭合压力16.55MPa,第二组裂缝系统闭合压力为16.3MPa,闭合时间为55min。计算压裂液效率为23.8%。压裂液效率偏低,反映裸眼储层滤失大,应增加前置液比例至60%以上,加砂设计中前置液比例由46%提高至60%。
三是根据完井工具优化各段泵注排量。由于裸眼完井分段压裂完井管柱的各级球座直径差异大(2.9-6.1cm),为了保证工具性能,进行各段施工排量优化,优化结果如下表:
通过压裂裂缝尺寸计算、小型压裂测试及井下工具性能要求三个方面的综合优化,最终优化出各段施工排量3.8-4.9m3/min,加砂规模9.4-34.7m3,砂比6.5-38.7%,施工压裂液2770.8m3,Carbolite 30/50 支撑剂240.3m3。
通过该井在运行管理、方案优化等方面的实施情况分析,我们将做法总结概括为以下经验:“项目组、要健全,例会制、利运转,全过程、自主监,测工期、准备前,油钻完、优化先,一体化、保生产”。
(三)认真剖析、总结固化,消化吸收国际先进技术
1、油藏设计经验及建议
(1)在油藏设计方面取得的经验
在构造研究方面,我们认为搞准油层顶面的构造深度是油藏地质设计的基础。针对CN64井区井控程度较低的实际情况,首次引进了“变速成图”这一新技术落实微构造形态,并结合钻井、测井等资料,通过井震结合,作出井区间隔为2米的微构造图。从实钻效果看,CN64井A靶实钻深度与设计深度只有1米的误差。
在储层研究方面,首先利用井区老井资料初步描述出井区的砂体等厚图,随后进行地震相研究,进一步明确地震波阻抗反射轴与砂体厚度的对应关系,再结合波形分析、地震属性提取等技术进一步验证成图。CN64井的各个靶点都选在了有效厚度大于10米的范围内,保证了投产后具备较高的单井产能。
在轨迹优化方面,基于以上工作,我们在满足地质要求的基础上,考虑井深轨迹的平滑,尽量的简化靶点的数量,不断优化钻井轨迹。CN64井长达1230米的水平段上虽然只设计了A、K、B三个靶点,最终的全井储层钻遇率达到了100%。
(2)对油藏设计的下步建议
一是在井控程度很低的情况下,建议先实施导眼,以进一步明确构造及储层情况,保证钻井中靶率;
二是油藏地质设计完成后,与钻井院结合,选取合理的钻井靶前距,以降低钻井风险;
三是由于多采用裸眼分段压裂的方式投产,对井身轨迹的平滑程度提出了较高要求,因此在满足地质要求的前提下,钻进时不能轻易调整轨迹。
(3)油藏设计小结:
1)可以固化的工序、内容:
一是进行构造和储层研究时,要在常规手段初步描述的基础上,再利用变速成图、波形分析等物探新技术进一步验证后成图。
二是进行轨迹优化时,要在满足地质要求的基础上,考尽量的简化靶点的数量。
2)需完善的内容:
一是根据水平段的长度选取合理的钻井靶前距,以降低钻井风险。
二是A靶附近井控程度很低时,可考虑先实施导眼。
3)需开展试验的内容:
密切注意当井身轨迹穿越地震反射轴附近的变化点时,岩性及电性的变化,来判断变化点是否是小断层所引起。
通过对油藏设计的实施和分析,我们将油藏设计经验总结概括为:“变成图、微构造、少控点、忌多变”
2、施工经验及建议
CN64井2011年1月30日开钻,4月28日安装井口完井,历时87天。完钻井深4066m,水平段进尺1221m,储层钻遇率100%,油层钻遇率84.8%。平均全角变化率小于10 °/100m,平均井眼扩大率4.62%,达到了完井管柱封隔器卡封要求。
在钻井工艺技术优化方面,我们通过钻井施工分析取得以下经验及建议:
一是遇阻情况预防及处理。本井第一次下入定向钻具,在1005m处遇阻。根据本井经验,使用公锥刮刀通井划眼可解除阻卡现象。
二是优化靶前距。CN64井A靶实钻位移288.38m,靶前距相对较短,定向钻进时间长,增加了钻井施工难度,建议适当增大靶前位移(大于300m),同时技术套管下深必须覆盖A靶点,确保后期施工安全。
三是优化水平段井身轨迹控制点、全角变化率标准。在满足后期压裂施工的前提下,建议尽量减少轨迹控制点,降低全角变化率标准,有利于井身轨迹平滑。坚持“靶为准、缓找平、保平滑”的原则,尽可能不大幅度调整井斜、方位,既确保在油层中上部钻进,同时有利于后期完井管柱顺利下井。
关键词:旋挖钻中膨胀泥岩应用
Abstract: rotary drilling technology in pile foundation construction has been widely used, but it is different in different geologic effects, auger drilling construction technology and technical measures of adjustment and constantly updated. According to Yun Gui railway Baise area of expansive mudstone geological, combined with rotary drilling construction technology, summed up in accordance with local special geology of rotary drilling technology in.
Key words: rotary drilling of expansive mudstone application
1.工程概况
新建云(昆明)桂(南宁)铁路(广西段)站前工程YGZQ-3标段,正线起止里程DK138+000~DK174+800,长36.35km,位于广西百色田东县境内。本标段共有桥梁14座,桩基1304根,桩径主要为125cm,桩基深度平均为16m,桩基主要为嵌岩桩。
2.地质特点
施工项目所属区域地处广西百色盆地,属华南褶皱系,测段上覆第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)之软土、粉质黏土、膨胀土、粉细砂、细圆砾土、粗圆砾土,坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土、膨胀土;下伏基岩为下第三系古~始新统(E1-2)泥岩。泥岩呈紫红色~棕红色,泥质结构,厚层构造~块状构造,暴露后很快风化碎裂,具有中等膨胀性,饱和吸水率=18~47%,自由膨胀率=23~42%,膨胀力=184~506KPa,强度400~500 KPa,遇水易软化、崩解,局部夹石膏薄层。
3.桩基施工工艺比选
本标段桥梁分布较为分散,电力供应紧张,毗邻的右江为当地主要引用水源,环保要求严格。常规的冲击钻施工,施工周期长,泥浆排放量大,不利于当地环保要求。而回旋钻对于嵌岩桩,入岩工效不足,效率低下。采用旋挖钻施工,成本低,污染少,效率高,工地适用性强。但对于百色地区的中膨胀泥岩基础,旋挖钻必须克服膨胀岩遇水崩解塌孔,泥岩地质导致的钻头打滑,岩层斜理发育导致的钻孔倾斜等问题。
4.旋挖钻桩基施工技术
通过综合比选,根据旋挖钻功率大小和适用性,本工地采用宝峨BG25C型旋挖钻,本机型同比具有功率大,稳定性强,入岩工效优异等特点,对于中膨胀泥岩较为适用。在选择好机型后,在施工工艺上根据膨胀泥岩特性也要不断调整。通常旋挖钻施工工序为:测量放线·埋设护筒·钻机就位准备·泥浆的制备及处理·钻孔·成孔检查·清孔·下钢筋笼·清孔·混凝土灌注。
4.1测量放线·埋设护筒
首先进行测量放样,准确测设桩位。桩位确定后,复核相邻桩位尺寸,并在中心桩位周围埋设护桩。护筒采用10mm厚的钢板,内径1.5m,长度6m。护筒埋设高出施工地面0.3m。钢护筒的安装利用旋挖钻机边钻孔边将护筒往下压,直至达到要求深度。下压过程中会有少量泥土进入护筒内,造成平台下降,因此应及时补填、夯实作业平台。
4.2钻机就位准备
桩位复核正确,施工作业平台平整后,钻机才能就位。
钻机就位后进行准确稳固定位,保证钻杆中心线、回转轴中心线与桩位中心线在同一直线上。
4.3泥浆的制备及处理
在钻孔过程中,中膨胀泥岩孔壁遇水稳定性差,容易崩解、塌孔,因此泥浆配置质量直接影响护壁效果。选择造浆能力强、粘度大的膨润土进行造浆,以提高泥浆稠度,确保钻进过程中不塌孔、不缩孔。
根据中膨胀泥岩地质和钻机形式,确定泥浆配合比,见表1。
表1泥浆配合比
地质情况 配合比(%)
膨润土 纯碱 CMC 聚丙烯酰胺 水
中膨胀泥岩 6~8 0.3~0.5 0.05~0.1 0~0.05 100
注:CMC为中粘度羧甲基纤维素。
根据上述配比,泥浆应达到的性能指标见表2。
表2泥浆性能指标
地质情况 泥浆性能指标
相对密度 粘度/s 含砂率/% 胶体率/% 失水率
/(ml/30min) PH值
中膨胀泥岩 1.35~1.45 19~28 ≤4 ≥95 ≤15 8~10
混凝土浇筑时,将排出的泥浆引入泥浆池,待下一个桩位开孔后再引入孔内或用泥浆泵抽吸到孔内循环使用,并将沉淀池的废浆或沉砂清理干净。
4.4钻孔
钻机工作过程中的压力和扭矩的输出效率则取决与钻杆和钻头,钻斗的关键参数是斗齿
刃前角(钻齿与水平面的夹角)。对于相同的地层使用同一钻进扭矩,不同的斗齿刃前角度,钻进效率不同。因此,只有选择合适的刃前角,在合适的压力作用下,才能提高钻进效
率。根据中膨胀泥岩遇水易软化、崩解的特性,选择楔形齿、小切削角、小刃角、齿宽稍大的斗齿钻斗。
1)钻进前,先调整钻机的水平、垂直仪,气泡居中,然后伸缩钻塔,使钻头底部导向尖对准孔位中心,钻头自然放松,再根据护桩到钻头外壁的距离进行对位校核,严格控制孔位偏差在允许误差范围内。
2)在钻进过程中,要注意检查桩孔的垂直度,以便及时发现因中膨胀泥岩中局部夹层的软硬差异导致的斜孔现象。施工中可采用嵌岩筒钻配合捞砂钻斗的方法来解决这类问题。
3)在进入膨胀泥岩后,放慢钻孔进尺和速度,能够减少对孔壁的扰动,避免塌孔。施工中要严格根据设计配置合格的泥浆,避免自由水对桩孔的影响;钻头每次进入液面时,速度要缓慢,等钻头完全进入泥浆后再匀速下降至孔底,每次提钻、下钻速度控制在0.5m/s以内,钻进速度控制在每斗进尺0.3m左右,以减小对孔壁的扰动。
4)钻齿角度(钻齿的切入角与水平面的夹角)跟钻进速度有很大关系。若钻齿角度偏小,很难切入岩层,发生空钻,不进尺,且若加压过大,容易损害钻齿;若钻齿角度偏大,旋挖钻机功率达不到,而且对钻具的扭矩要求很大,易造成钻杆扭曲变形,诱发机械事故,损坏机器设备。因此,在膨胀泥岩钻孔过程中,当钻头打滑进尺缓慢时,检查并调整泥浆指标在设计范围内,选用钻齿角度大于45度的钻斗,随着孔深的增加逐步加大加压力度。
5)随着孔深的增加,钻机所传出的扭矩会随地层逐层耗减,当钻机本身扭矩较小或者局部岩层较坚硬时,若扭矩不足会导致打滑钻进困难,此时可更换加压钻杆,增加钻杆压力;或先用加重钻斗钻进然后用嵌岩筒钻扩孔至设计孔径,最后用捞砂钻斗捞取松散钻渣。
6)在钻孔接近设计标高后,旋挖钻应减少钻进速度和压力,避免破坏桩底基岩的完整性和承载力。
4.5成孔检查·清孔
成孔达到设计深度后,对孔深、孔径、垂直度等进行检查。成孔检查合格后进行清孔。
清孔采用二次清孔工艺。第一次清空在成孔检查合格后进行,一次清孔重点控制泥浆相对密度及含砂率两个指标 :相对密度 1.15~1.3,含砂率≤4%。第二次清空在钢筋笼调放完毕混凝土浇筑之前进行。二次清孔泥浆指标控制如下:相对密度 1.03~l.l0、粘度l7~20s、含砂率≤2%、胶体率≥96%。清孔采用换浆法清孔,用沉渣处理钻斗排除沉渣,同时注入净浆进行泥浆置换。
4.6下钢筋笼·混凝土灌注
钢筋笼采用钢筋厂统一加工制作,吊车现场吊装的方式施工。钢筋制安过程中,注意检查钢筋笼直径、主筋间距、钢筋笼顺直度、焊接质量。
混凝土灌注前对导管进行水密、承压和接头抗拉试验,合格后吊放入孔内。灌注时,随时用测绳检查混凝土面高度和导管埋置深度,严格控制导管埋深在1~3m,防止导管提漏或埋管过深拔不出而出现断桩。
5.关键工艺控制要点
1) 膨胀泥岩桩基在成桩工序上衔接紧凑,工序间隔时间不能太长,尤其是在混凝土灌注时间上,一般控制在钢筋笼安装完成4小时内灌注完成。
2)旋挖钻在钻孔完毕后,应及时开启泥浆泵循环泥浆,避免泥浆静置时间过长造成孔壁坍塌。另外,泥浆在降比重时,要循序渐进,防止泥水分离。
3)旋挖钻在钻孔过程中,必须及时、定时检测钻孔垂直度,发现钻杆倾斜应及时调整钻杆或更换钻头。
4)由于膨胀性泥岩地质斜理发育,岩层经常夹杂砾石,需要经常更换钻头。因此钻机平台应夯实,避免因钻机经常移位扰动地表层。
5)旋挖钻在钻孔过程中,遇到破碎膨胀性泥岩层时,除了按照工艺要求仔细操作外,还应定时量测孔深,检测孔内是否塌孔,防止孔壁大面积坍塌导致埋钻。
6)在灌桩完成后,利用旋挖钻钻杆提升上拔钢护筒时,必须保证桩头质量,合理把握上拔护筒时间,防止塌孔或混凝土超灌不足影响整桩质量。
6.结束语
[关键词]井漏 地层压力 相对密度 堵漏 措施
中图分类号:TG602 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)20-0052-01
1 引言
井漏是钻井施工过程中经常发生的情况,轻微的井漏会导致钻井作业中断,严重的井漏处理会浪费大量的人力、物力和财力。在胜坨油田坨8区块施工的井,几乎全部发生井漏。如:坨123-斜32井钻至2208.00m沙三下地层,发生井漏,此时钻井液相对密度1.15,粘度56s,钻井液进多出少,工程停钻循环钻井液,漏失不停,钻至2260.00m沙三下地层发生井漏,此时钻井液相对密度1.18,粘度52s,钻至2327.00m沙三下地层再次发生井漏, 此时钻井液相对密度1.18,粘度47s,钻井液只进不出,共漏失钻井液70.0m3,平均漏速40.8m3/h。坨123-斜43井钻至井深2214.00m因地层原因发生井漏,钻井液进多出少,坨123-斜44井钻至井深2144.00m,层位位于沙三下,因地层原因发生井漏,钻井液进多出少,钻进过程中钻井液相对密度1.16,粘度43s。
2 原因分析
发生井漏的根本原因是钻井液液柱压力大于地层压力,具体原因细分为地层本身存在裂缝或溶洞等流动通道、地层破裂压力小于钻井施工的钻井液当量液柱压力等情况,胜坨油田坨8区块施工的井在实际施工中井漏由于地层漏失和钻井液密度控制不当等因素引起。对于一口具体的井,如何解决在同一裸眼段钻井液密度高则漏、低则掉块坍塌或井涌、井喷的矛盾是一个技术难题,胜利油田内部钻井工程工作者从提高低压层的承压能力或降低地层坍塌压力两方面着手解决。
3 井漏防范措施及处理方法
如果井漏处理不当或者不及时,还会诱发井塌、井喷和卡钻等事故,甚至导致部分井眼或全部井段报废。因此,及时有效地处理井漏是钻井施工中的一项非常重要的工作。
井漏的处理,首先应以预防为主,尽可能避免人为的失误。要做到:(1)尽量降低钻井液密度,认真搞好钻井液固控工作,防止钻井液密度自然增长。穿过高渗透地层时,应提高钻井液的粘度和切力,降低滤失量,加强造壁作用,减少漏失的可能。(2)在易漏地层中钻进,选择合适的排量、泵压、钻速,下钻、接单根时控制下放速度,防止产生激动压力,压漏地层。发现有微小漏失时应减小排量。(3)在钻井液结构性较强的情况下,下钻时应分段循环,避开易漏地层开泵,防止憋漏地层。(4)在钻穿易漏地层前,在钻井液中加人堵漏剂如云母片、石棉粉、超细碳酸钙、暂堵剂等,封堵细小裂缝和孔洞。(5)一旦发现井漏,要根据井漏的不同情况,采取不同的办法进行处理。
3.1 小漏(渗透性漏失)的处理方法
停止钻进,上提钻头至一定高度,最好是进入技术套管,让下部钻井液静止几个小时,待井口液面不再下降时,再下钻恢复钻进。因为钻井液具有触变性,漏失到地层的钻井液,随着静切力的增加,起到了封堵裂缝的作用。而且地层中的粘土遇水膨胀也可起封堵作用。 如漏失量不大,可继续钻进,穿过漏层,利用钻屑堵漏。调整钻井液性能,降低密度,提高粘度和切力,以减少或停止漏失。在钻井液中加小颗粒及纤维质物质如云母片、石棉灰、石灰粉、暂堵剂等堵漏材料,在漏失的过程中进行堵漏。
3.2 大漏的处理方法
大漏时钻井液只进不出,遇到这种情况,如果裸眼井段很长,很可能会发生井塌,或在局部井段形成砂桥,在没有井喷危险的情况下,首先应考虑的是钻具的安全,此时应立即停钻停泵,上提钻具至套管内,如没有套管,应一直起完,中间不可停顿,更不可试图开泵循环。在上起的同时,要不问断地从环空灌人钻井液(在没有钻井液的情况下也可以灌人清水),以维持必要的液柱压力,防止井壁过早的坍塌。常用的堵漏方法有:(1)静止堵漏:有些漏失,虽然只迸不出,但并非大的裂缝、溶洞造成的,是由于压差较大造成。当钻井液漏人微细裂缝和孔隙之后,由于地层中粘土和钻井液中固体颗粒的沉淀及漏失钻井液静切力的增加也会堵住漏层。(2)水泥浆堵漏:主要有自然平衡法和加压挤入自然平衡法就是注入水泥浆后,井筒的液柱压力大于漏层压力,使水泥浆进入漏层,随后井筒的液柱压力与漏层达到平衡,在此平衡状态下候凝以实现堵漏的目的(1)。
4 总结
钻井过程中经常发生井漏, 发生井漏不要慌张,要及时汇报采取措施,将井漏控制在最小范围内,要避免由于人为原因发生的井漏,如:在加重钻井液时,控制不好,使密度过高,下钻或接单根时,下放速度过快,造成过高的激动压力等,在易漏地层中钻进,排量要适当,泵压要适当,钻速要适当,起下钻、接单根时下放速度要适当。
参考文献
[1] 《井漏的原圆和堵漏技术及材料现状分析》,石油工业油田化学剂质量监督检验,张亚丽,胡震宇.
[关键词]坨770井 上海中曼PDC钻头 优化钻具组合 聚磺防塌钻井液
中图分类号:TE242 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2015)21-0051-02
1、概述
1.1 地质概况
坨770井是口三开评价井,井型:直井,设计井深4090m。位于济阳坳陷东营凹陷坨-胜-永断裂带,胜北大断层下降盘坨770砂体。本井区南部紧邻油气资源丰富的董集洼陷,东为民丰洼陷,油源条件较好。北为陈家庄凸起,本井区来自凸起之上的碎屑物源充足。由陈家庄古高地风化剥蚀的大量碎屑物质,沿大断层下降盘堆积形成了各种扇体,这些砂砾岩体夹持在厚层的生油岩中,非常有利于油气的聚集。胜北断层下降盘在沙三段沉积时期以深湖-半深湖相的暗色泥岩为主,油源条件较好。北为陈家庄凸起,由陈家庄古高地风化剥蚀的陆源碎屑不断注入形成多套滑塌浊积岩,这些浊积岩埋藏于有机质丰富的暗色泥岩之中,靠岩性的封闭能够形成自生自储的岩性油藏。本井区沙三段、沙四段发育了多套分布范围广的深水滑塌扇三角洲砂砾岩体,易形成岩性圈闭;这些岩体夹在巨厚的生油岩中,有利于油气聚集成藏。本井钻遇地层从上到下依次为新生界第四系平原组,新近系明化镇组和馆陶组,古近系的东营组、沙河街组(沙一段、沙二段、沙三段、沙四段)。
1.2 难点分析
(1)坨770地区沙河街地层石英含量高,硬度大,研磨性强,蹩跳钻现象严重,普通PDC钻铤钻头受到制约;使用牙轮钻头,为减轻钻进中蹩、跳钻现象,只能轻压钻进,使得机械钻速大大降低,难以实现提高经济效益的目的。
(2)由于地层结构的杂乱无规律、软硬互夹层多、换层频繁以及破碎层硬、脆、碎的特性,使得在钻探施工过程中钻头寿命低下,频繁起下钻易导致井壁坍塌、掉块等事故经常发生,钻进时效难以提高。而在复杂地层条件下钻进,钻井液体系选择不正确,不能有效保护油气层,容易造成井下复杂情况。
2、坨770井各开技术总结
2.1 一开技术总结
为了确保直井防斜打直,除优选使用合理的钻具结构以外,还注意表层开空时,用气动小绞车平衡水龙带的重量,方补芯入转盘吊打开空,确保表层打直,为以后施工打下良好的基础。一开采用小循环方式钻进,下入6根8寸钻铤和3根7寸钻铤,保证下部钢度,防止井斜,小钻压吊打完钻铤后挂双泵钻进,保证井眼开放,利于套管下入。打完进尺加入一定增粘药品提高泥浆粘度,防止泥浆粘切低沉沙快,导致套管下不到底。
2.2 二开技术总结
二开396-1635m井段采用φ311.1mm3A(ST127)+φ228.6mm钻铤*26.73m+φ308mm扶正器*1.89m+φ203.2mm钻铤*52.47m+φ177.8mm钻铤*25.65m+φ158.8mm无磁*9.10m +Ф127mm钻杆的钻具结构, 二开时采取轻压吊打的方式打出表层120米后,在恢复正常钻压进行全面钻进,扶正器起到修井壁和吊打纠斜的作用,有力的保证了二开井段的井身轨迹,同时下入无磁钻铤,便于测斜监控井身轨迹,做好直井的防斜工作。使用三个20mm的水眼,双泵快速钻进,便于更好的携带出砂子。
1635-3059m井段采用φ311.1mmPDC*0.35m+φ228.6mm钻铤*26.73m+φ203.2mm钻铤*25.65m+φ308mm扶正器*1.89m+φ203.2mm钻铤*26.89m+φ177.8mm钻铤*25.65m+φ158.8mm无磁*9.10m+φ127mm钻杆的塔式钻具结构,钻压控制在6t以内,同时及时测斜监控井身轨迹,该钻具组合保证该井段井斜不超过1度,直井防斜取得了较好的效果,很好的保证了直井井身轨迹,为三开钻进技术套管防磨起到了较好的作用。
经过调研坨庄地区已钻井井史资料,对坨770井的邻井,在沙河街地层不同钻头的平均机械钻速,和纯钻进时间,进行分析比较,最后优选上海中曼的PDC钻铤钻头(M5566HJ),水眼:φ20*5+φ22*2,进尺:1424m,创造该区块单只钻头进尺记录,纯钻进时间163.5小时,平均机械钻速8.71m/h,机械钻速提高50%以上,大幅度提高了机械钻速,缩短钻井周期,节约钻井成本。
2.3 三开技术总结
三开井段第一趟钻使用φ215.9mm3A*0.25m+φ177.8mm钻铤*25.63m+φ213mm扶正器*1.86m+φ165mm钻铤*112.29m+φ158.8mm无磁*9.1m+配合接头*0.5m+φ127mm加重钻杆*193.91m+φ127mm钻杆的钻具组合,使用H517G牙轮钻头,因技术套管磁性较大,跳钻现象严重,机械钻速仅2.39m/h,钻进120m后起钻换PDC钻铤钻头,进尺未见明显变快,钻进至3396m,起钻下入φ215.9mm3A*0.25m+φ172mm直螺杆*7.63m+φ165mm钻铤*112.29m+φ158.8mm无磁*9.10m+φ127mm加重钻杆*193.91m+φ127mm钻杆的钻具组合,使用江汉钻头厂生产的MD517X牙轮钻头,钻速提高1倍,但因动力转速较高,对牙轮钻头提前损坏,导致后期施工机械钻速较低。后期施工一只使用江汉钻头厂生产的HJT517GK牙轮钻头。
三开井段泥岩段较多含少量砾岩,钻时较慢,在3674.43m至井底,由于地层倾角较大,出技术套管后,井斜开始增长,井斜较大,最大达到6.33度,采用了双偏双母接头,钻具结构:φ215.9mm3A*0.25m+双偏双母接头*0.61m+φ177.8mm钻铤*16.95m+φ213mm扶正器*1.86m+φ165mm钻铤*84.23m+φ158.8mm无磁*9.1m+配合接头*0.5m+φ127mm加重钻杆*193.91m+φ127mm钻杆,起到了较好的降斜效果,井斜在井深3550米6.33度,到井深3775m井斜降至3.27度,下部井段稳斜,保证了井身质量。
2.4 取芯井段(3669.03-3674.43m)技术措施
钻进至3669.03m,按照设计要求进行取芯,钻具组合:φ215.9mm取心钻头+φ194mm取心筒*9.07m+φ165mm钻铤*56.18m+φ127mm加重钻杆*193.91m+φ127mm钻杆。钻进参数:钻压:60KN,转速:70r/min,泵压:14MPa,排量:25L/min。
2.4.1 钻进前准备
(1)循环和处理钻井液达到设计要求。
(2)检查好地面设备、刹车系统、传动系统、指重表、泵压表等。
(3)待一切正常后开始钻进。
2.4.2 造心
钻压(20~30)kN,做到轻启动,慢加压,送钻均匀,造心进尺(0.2~0.3)m后,让顶部岩心形成“和尚头”,便于顺利进筒,方可正常钻进。
(1)送钻要均匀,取心钻进中途不得停泵,停转,不上起钻具。
(2)钻进过程中,时刻注意钻压、泵压变化,判断工具及钻头工作情况,注意气温变化对指重表读数的影响。
(3)转盘负荷变轻,悬重只降不回升,钻时猛增,发生此情况,可能堵心,应采取措施果断停钻割心。
2.4.3 割心
(1)割心层位选择
一般选岩心不太硬,成柱性好的地层割心。
(2)割心操作
钻进完后,刹住刹把原钻压磨心(10~12)min,将岩心根部磨细,然后缓慢上起钻具。利用卡箍岩心爪与岩心的摩擦力以及岩心缩径套的锥面,使爪抱住岩心而拔断。拔心时要注意观察指重表变化。
2.4.4 起钻和出心
起钻操作要平稳,禁止转盘绷扣,防止岩心掉入井里。出筒时,顶岩心要谨慎,不要把岩心弄乱。
3、分段钻井液维护处理措施
3.1 一开井段
一开井段地层胶结松散,可钻性好,成岩性差,易坍塌,钻井液必须有适当的粘度,有较高的动塑比,减小对井壁的冲刷,保证井下安全。
(1)开钻前准备足量预水化膨润土浆((5~6)%膨润土+(0.2~0.3)%纯碱+(0.05~0.1)%HV-CMC)。
(2)开钻前仔细检查钻井液循环系统、加重系统、固控系统、钻井液储备系统,必须满足钻井施工需要。
(3)一开井段所钻遇地层胶结松散,可钻性好,钻井液主要以携带岩屑、稳定井壁,确保安全钻进为目的。
(4)钻进时采用稀胶液进行维护。
(5)钻完表层进尺后,充分循环,并配置高粘切封井浆封闭井眼。
3.2 二开井段
(1)该井段主要钻遇地层为明化镇组、馆陶组、东营组、沙一、二、三上中。二开上部地层胶结松散,可钻性高,钻井过程中应注意砂岩厚泥饼的阻卡。钻井液主要以携带岩屑、稳定井壁,确保安全钻进为目的。
(2)将一开钻井液用清水和胶液冲稀至膨润土含量40g/L左右二开。开钻将钻水泥塞污染的钻井液放掉或加入纯碱清除钙离子,其余钻井液地面净化处理后,作正常钻进使用。
(3)调整钻井液性能达到设计要求,正常维护及处理钻井液的处理剂尽可能按比例配成胶液加入,切勿将处理剂干粉直接加入循环钻井液中,以防在处理剂完全生效前就被固控设备除去。钻进中及时补充PAM胶液,细水长流维护钻井液,尽量不单独加清水,增强钻井液的抑制性。
(4)钻进中调整好钻井液,使维护钻井液性能稳定。随着井深的增加,不断补充钻井液增粘剂,以达到携岩要求。利用PAM调节流变性,抑制页岩、岩屑分散,用聚合物降滤失剂、KFT等控制滤失。
(5)井深2800m左右将钻井液转化聚磺钻井液,提高钻井液的抗温防塌能力。
(6)使用好固控设备,严格控制钻井液中的劣质固相含量和低密度固相。防止钻屑重复研磨,确保低固相含量,同时适当控制钻井液的失水,防止井壁形成虚、厚泥饼,造成阻卡。
(7)为了有效预防缩径阻卡,工程与钻井液应密切配合,执行勤短起下的措施。在开泵和起下钻过程中,要平稳操作,防止引起井漏、井壁坍塌、卡钻等复杂情况。
3.3 三开井段
(1)本段钻遇地层为沙三下、纯上亚段、纯下亚段。储层注意防油气侵;钻井液的主要任务为防塌、防卡、防喷、防漏、保护油气层。实际钻进中根据现场压力及时调整钻井液密度,确保钻井施工安全。在进入本段前必须强化防塌措施。一是使用胺基聚醇提高钻井液滤液的抑制性,防止泥页岩吸水膨胀;二是使用低荧光磺化沥青,提高地层的防塌能力;四是根据实际情况,选择适当的钻井液密度,以提供正压差,防止井壁的物理坍塌;五是尽可能减少起下钻及开泵压力激动,减小对井壁的伤害。
(2)要提高钻井液的高温稳定性能力,控制高温高压失水在12ml以内。起钻不能拔活塞,以免抽喷;制定好各项措施,防喷。
(3)良好的固控设备和高的运转率是保证钻井液质量的前提,因此,必须使振动筛、除砂器、除泥器、离心机等与钻井泵同步运转,严格控制钻井液中的劣质固相含量。
(4)现场注意油气显示情况和压力监测情况,及时调整钻井液密度,防止井喷事故的发生。加重要均匀,每个循环周不能超过0.03 g/cm3,防止压漏地层和压差卡钻事故。
(5)在开泵和起下钻中,要平稳操作。起钻灌好钻井液,防止井喷或井下其它复杂情况发生。
(6)每次性能调整前必须做小型试验。
4、认识与建议
(1)通过本文,我们得出在坨770地区东营组、沙一段、沙二段和沙三上等井段钻进中使用上海中曼PDC钻头可获得较高的机械钻速,破解了坨庄沙河街地层机械钻速偏低的技术难题。