倫辛濤　王建偉（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)　秦皇島　066012）

茍家套復(fù)雜地層深孔鉆探?jīng)_洗液技術(shù)的應(yīng)用

倫辛濤王建偉
（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)秦皇島066012）

深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)歷來(lái)是鉆探施工中的一大難題，復(fù)雜地層深孔鉆探中沖洗液的運(yùn)用作為一種動(dòng)態(tài)技術(shù)，隨著地層的不同，對(duì)于新材料的運(yùn)用也有所不同。本文通過(guò)對(duì)沖洗液性能和作用以及不同地層沖洗液種類(lèi)選擇的研究與分析，并應(yīng)用于昌黎茍家套深孔鉆探項(xiàng)目的施工。沖洗液的性能達(dá)到了預(yù)想的效果，降低了濾失量，改善了泥皮質(zhì)量，并具有抑制水敏降低失水量的能力，有效地防止了孔內(nèi)事故的發(fā)生，同時(shí)也降低了成本，提高了效率，保證了鉆探工作的安全順利進(jìn)行。

復(fù)雜地層沖洗液分類(lèi)功用選擇

河北昌黎茍家套深孔鉆探項(xiàng)目是河北省國(guó)土資源廳地勘處組織實(shí)施的昌黎縣茍家套航磁異常查證項(xiàng)目，該項(xiàng)目共設(shè)計(jì)1個(gè)地質(zhì)鉆探孔，設(shè)計(jì)孔深1 500m，直孔，工期時(shí)間為一年。實(shí)施該深孔取心鉆探其目的是對(duì)該航磁異常區(qū)進(jìn)行深部驗(yàn)證，查明航磁異常是否由磁鐵礦體引起，若為磁鐵礦體引起，根據(jù)所取巖心，大致了解礦體的空間分布狀態(tài)，規(guī)模、產(chǎn)狀及礦石質(zhì)量等，為礦區(qū)普查提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1　昌黎茍家套查證區(qū)自然地理及區(qū)域地質(zhì)

1.1查證區(qū)自然地理概況

查證區(qū)位于河北省昌黎縣新集鎮(zhèn)茍家套村南，隸屬茍家套村管轄，屬平原區(qū)。查證區(qū)南起灤河，北至茍家套村，西起灤河，東至馬踏店村西約6.0km，南北寬4.16km，東西長(zhǎng)6.09km，面積25.37km2，海拔一般14～17m，最高海拔23m，地形比高6m，地形較為平坦，屬灤河沖積平原區(qū)。

本區(qū)屬半濕潤(rùn)大陸性氣候。無(wú)霜期平均是186天，最高平均氣溫是25.1℃，最低平均氣溫-5.2℃，年平均氣溫11℃，平均年降水量712.7mm，四季分明，日照充足，年均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 800 h。河凍期12月至次年3月，凍厚0.3～0.5m。凍土期12月下旬至次年3月，最大凍土深度0.6～0.8m。查證區(qū)北距京山線九龍山火車(chē)站和205國(guó)道約20km，有鄉(xiāng)級(jí)公路與之相通，交通十分方便。

1.2查證區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

查證區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ2）燕山臺(tái)褶帶（Ⅱ22）山海關(guān)臺(tái)拱（Ⅲ28）西與開(kāi)灤臺(tái)凹（Ⅳ228）相接處。區(qū)域范圍內(nèi)出露地層不齊全，礦區(qū)出露地層為新生界第四系，第四系下伏地層為第三系，其中第四系覆蓋全區(qū)，厚約800m，主要為河床、河漫灘沖洪積砂礫層、卵石層及粘土層，區(qū)內(nèi)第三系地層為沙河街組，厚度約700m，主要巖性為中細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、泥巖、杏仁狀玄武巖及鎂質(zhì)碳酸巖化凝灰?guī)r。

全區(qū)被第四系所覆蓋，根據(jù)以往資料推測(cè)正斷層1條，編號(hào)F1。F1斷層分布于查證區(qū)西北部，斷層方位北東向，為宋道口-大周莊推測(cè)正斷層在查證區(qū)延伸部分。

1.3鉆探施工技術(shù)難點(diǎn)

查證區(qū)第四系覆蓋層厚約800m，主要由砂礫層、卵石層及粘土層組成，相對(duì)較厚，鉆取此地層巖心難度較大，而且此地層中水系較為發(fā)育，容易引起孔壁坍塌、埋鉆等，不利于孔壁穩(wěn)定。

第四系以下地層巖石巖性中等-偏弱，可鉆性等級(jí)6～7級(jí)，推測(cè)受斷層構(gòu)造的影響，該地層較為破碎，且裂隙較發(fā)育，地層軟硬分布不均，容易引起鉆孔孔壁坍塌、埋鉆、鉆孔偏斜等。

查證區(qū)內(nèi)鉆探施工對(duì)沖洗液的選用要求較為嚴(yán)格，要根據(jù)鉆遇的不同地層，選用合適的沖洗液，以達(dá)到既能最大限度的排出巖粉，又能護(hù)壁堵漏，最大程度做好孔壁維護(hù)，因此，必須根據(jù)地層情況，選用合適的沖洗液。鉆遇破碎地層時(shí)，沖洗液護(hù)壁較難，施工難度較大。

2　鉆孔結(jié)構(gòu)及設(shè)備配備

2.1鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該查證區(qū)地層情況極為復(fù)雜，根據(jù)查證區(qū)地質(zhì)地層條件和地質(zhì)設(shè)計(jì)，為保證鉆孔順利完成，本鉆孔設(shè)計(jì)采用多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，其目的在于多級(jí)套管護(hù)壁和控制孔斜。

首先，采用Φ70硬質(zhì)合金鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)100m左右，下Φ168套管，該層段全部為砂土層，鉆孔成孔和取心相當(dāng)困難；然后采用Φ150金剛石鉆頭鉆進(jìn)至350m左右，下Φ146套管；之后采用Φ130金剛石鉆頭取心鉆進(jìn)至630m左右，下Φ127套管；之后采用Φ 110金剛石鉆頭鉆進(jìn)至720m，下Φr108套管；之后采用Φ95金剛石鉆頭鉆進(jìn)至830m左右，下Φ89套管，至此，鉆孔穿過(guò)第四系地層，采用多層套管目的在于防止鉆孔坍塌、維持孔壁穩(wěn)定、控制鉆孔偏斜。最后采用Φ75金剛石繩索取心鉆進(jìn)至1 500m終孔。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)

2.2鉆探設(shè)備配備

該鉆孔所在查證區(qū)位于河套內(nèi)，地表土地沙化嚴(yán)重，第四系中砂土層覆蓋較厚，且砂礫層、卵石層極不穩(wěn)定，故鉆孔設(shè)計(jì)采用多級(jí)套管結(jié)構(gòu)。該鉆孔開(kāi)孔口徑大，鉆井深度深，第四系砂層厚且?jiàn)A雜破碎地層，因此，在選用鉆機(jī)等設(shè)備時(shí)要充分考慮各個(gè)影響因素。表1為本鉆孔施工選用的主要鉆探設(shè)備。

表1　主要鉆探設(shè)備

3　鉆進(jìn)工藝

3.1鉆井方法

根據(jù)該查證區(qū)地質(zhì)地層情況及以往鉆探資料判斷，本鉆孔施工方法主要采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，由于第四系地層含砂層較厚，地層松軟、破碎，裂隙較為發(fā)育，因此利用多層套管結(jié)構(gòu)提高鉆孔穩(wěn)定性。這樣，可以保證較高的巖心采取率和減少鉆孔偏斜。

3.2鉆頭的選用

本鉆孔開(kāi)孔為Φ170mm大口徑開(kāi)孔，且地層較軟，選用硬質(zhì)合金鉆頭，鉆過(guò)100m之后，地層硬度為中硬-硬，選用孕鑲金剛石鉆頭，金剛石粒度40～70目，鉆頭胎體硬度HRC20～40。實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀測(cè)鉆頭磨損情況，并判斷地層情況，及時(shí)更換合適的鉆頭，以提高鉆進(jìn)效率和巖心采取率。

3.3鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)選用的鉆機(jī)鉆進(jìn)能力，以及地層情況、口徑、深度、鉆頭類(lèi)型等，合理選擇鉆進(jìn)參數(shù)。根據(jù)鉆進(jìn)地層的巖石特性，及時(shí)調(diào)節(jié)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，得到最優(yōu)鉆進(jìn)效率。

3.4礦區(qū)地層對(duì)沖洗液性能要求

（1）礦區(qū)地層含有砂土層，砂土層較松軟，鉆進(jìn)該地層時(shí)，孔內(nèi)砂土、砂礫產(chǎn)生量多，沖洗液應(yīng)具有較好的攜粉、屑能力；

（2）礦區(qū)地層夾雜高嶺石化、綠泥石化等泥巖地層，該地層造漿能力較強(qiáng)，沖洗液應(yīng)有較好的選擇絮凝能力；

（3）鉆遇水敏地層時(shí)，為防止水敏地層遇水膨脹，要求沖洗液失水量較低；

（4）礦區(qū)地層中破碎蝕變巖、砂礫巖厚度大，為保證每級(jí)套管下放位置準(zhǔn)確，沖洗液應(yīng)具有良好的膠結(jié)護(hù)壁和防塌能力；

（5）因鉆孔深且復(fù)雜地層交互多，鉆孔坍塌和漏失情況時(shí)有發(fā)生，要求沖洗液具有較好的可調(diào)節(jié)性。

（6）深孔鉆進(jìn)阻力較大，這要求沖洗液有一定的潤(rùn)滑減阻作用。

3.5沖洗液配方的選擇

根據(jù)不同地層巖性以及鉆進(jìn)工藝對(duì)沖洗液的要求，該孔沖洗液使用共分為三個(gè)階段。第一階段為790m以上的第四系未膠結(jié)或膠結(jié)很差的松散覆蓋層，該階段使用單管鉆進(jìn)，不需要巖心，采用優(yōu)質(zhì)泥漿作為沖洗液；第二階段為790～1 250m，該階段泥巖和砂巖層夾雜高嶺石化、綠泥石化等蝕變帶、斷層泥與角礫、粉碎狀等破碎帶、泥質(zhì)和碳質(zhì)頁(yè)巖層、吸水剝裂地層等，使用繩索取芯鉆進(jìn)，采用PAB無(wú)固相聚合物沖洗液；第三階段為1 250m以后，巖石相對(duì)完整，夾雜少量破碎帶，采用聚丙烯酰胺、植物膠、以及切削膏作為沖洗液材料。

3.5.1初始泥漿的選擇

由于第四系覆蓋層較厚，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在鉆進(jìn)不同地層時(shí)應(yīng)選用不同性能的泥漿。

（1）鉆進(jìn)砂、礫層時(shí)使用的泥漿。在砂層、礫石、卵石以及破碎帶地層中鉆進(jìn)，由于顆粒之間膠結(jié)程度低，鉆進(jìn)時(shí)孔壁很容易發(fā)生坍塌，加大施工難度。對(duì)于解決這類(lèi)地層中泥漿護(hù)壁困難等問(wèn)題，關(guān)鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力。粘性較大的泥漿適當(dāng)滲入孔壁中，可以明顯加強(qiáng)砂石、礫石之間的膠結(jié)力，以增強(qiáng)孔壁的穩(wěn)定性。泥漿配方見(jiàn)表2。

表2　鉆進(jìn)粘土、泥頁(yè)巖使用的泥漿配方表

泥漿性能：比重1.03～1.07kg/L，粘度30～35 s，失水量小于12mL/30min，pH值為9～9.5左右。

（2）鉆進(jìn)粘土、泥頁(yè)巖時(shí)使用的泥漿。在粘土、泥頁(yè)巖中鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常遇到的問(wèn)題是鉆孔孔壁的遇水膨脹、縮徑，甚至塌孔。其原因是粘土、泥頁(yè)巖中存在著大量的粘土礦物，尤其是蒙脫石粘土礦物的存在，使孔壁中的粘土在接觸到?jīng)_洗液中的水時(shí)，即發(fā)生吸水、膨脹、分散等情況。解決這類(lèi)問(wèn)題的方法，使用無(wú)機(jī)鹽KCl為離子交換型抑制劑，抑制粘土膨脹，泥漿中加入絮凝型聚合物，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水滲入孔壁而維持孔壁穩(wěn)定。泥漿配方見(jiàn)表3。

表3　鉆進(jìn)粘土、泥頁(yè)巖時(shí)使用的泥漿配方表

泥漿性能：比重1.02～1.03kg/L，粘度25～35 s，失水量10～12mL/30min，pH值8.5～9。

（3）泥漿的維護(hù)。在鉆進(jìn)砂土、粘土、泥頁(yè)巖地層時(shí)，泥漿的性能會(huì)隨著泥砂成分的浸入變化，泥漿中含砂量過(guò)高，不僅會(huì)造成水泵、鉆具和鉆頭的嚴(yán)重磨損，而且還會(huì)使泥皮厚而松，滲透性大，失水量大，甚至出現(xiàn)泥皮垮塌，造成卡、埋鉆事故。因此，在鉆進(jìn)工程中，必須做好泥漿的凈化工作，施工現(xiàn)場(chǎng)采用了旋流除砂器對(duì)泥漿進(jìn)行機(jī)械處理。在大段水敏性復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，即使機(jī)械可以清除大部分泥砂成分，也仍會(huì)有相當(dāng)多的泥砂質(zhì)成分混入泥漿，水化分散，成為泥漿的組成部分。因此，泥漿粘度、固相含量上升，泥皮增厚。應(yīng)及時(shí)使用稀釋劑、降失水劑、絮凝劑等進(jìn)行維護(hù)，使泥漿性能保持在規(guī)定范圍內(nèi)。泥漿通過(guò)水敏性復(fù)雜地層時(shí)，采用泥漿處理劑雖可控制粘度，固相含量和失水，也能延緩泥皮增厚速度，但泥皮增厚的趨勢(shì)卻無(wú)法阻止，因此，當(dāng)泥皮增加到一定程度后，只能全孔排放，更換新泥漿［4］。

3.5.2PAB無(wú)固相沖洗液使用

PAB為高分子聚合物鉆探護(hù)壁材料，由PA和PB兩種白色粉末狀材料組成，PA粉主要由聚乙烯醇和其他高分子材料組成，PB粉主要為化學(xué)材料構(gòu)成的交聯(lián)劑。聚乙烯醇是一種長(zhǎng)分子鏈的高分子材料，因其吸附速度快、強(qiáng)度大等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于涂料行業(yè)，在PAB沖洗液中，聚乙烯醇等高分子材料通過(guò)交聯(lián)劑鏈接后形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在孔壁上吸附成網(wǎng)、成膜速度快，膠結(jié)性強(qiáng)，具有很好的護(hù)壁性能。

高嶺石化、綠泥石化等蝕變帶巖石遇水分解（圖2），將取上的巖芯分別泡在水中、泥漿中、PAB沖洗液中，巖芯泡在水中以及泥漿中的巖芯5min后全部分解為細(xì)顆粒狀，而泡在PAB沖洗液中的巖石相對(duì)比較完整（圖3），由此可見(jiàn)PAB沖洗液在該地層具有良好的護(hù)壁效果。

圖2　

圖3　

PAB沖洗液的配制：1m3鉆井液中，加入5%的PA溶液160～240 L、1.5%的PB溶液100～130 L。

預(yù)溶5%的PA溶液：水960 L，加入PA粉50kg，撒面式加入，溶攪20～24 h。

預(yù)溶1.5%的PB溶液：水990 L，加入PB粉15kg，溶攪4～5 h。

PAB沖洗液性能：粘度21～24 s，失水量6.5～8.1mL/30min，pH值7.4，蝕變層巖樣浸泡不易松散。

3.5.3第三階段沖洗液使用

第三階段巖石相對(duì)完整，夾雜少量破碎帶，采用清水中加入聚丙烯酰胺作為沖洗液，但由于鉆孔深度的增加，孔內(nèi)鉆桿增長(zhǎng)，摩擦阻力增大，鉆桿磨損加快，鉆機(jī)負(fù)荷增大，而且難以提高轉(zhuǎn)速以適應(yīng)金剛石鉆進(jìn)的需要，還容易造成斷鉆桿等孔內(nèi)事故。因此沖洗液中加入切削膏作為潤(rùn)滑劑，能有效降低摩擦阻力，減小回轉(zhuǎn)阻力，同時(shí)也可以減少動(dòng)力和材料消耗，延長(zhǎng)鉆具壽命。

4　施工中遇到的困難及處理方法

4.1施工過(guò)程中遇到的困難

（1）在施工過(guò)程中，多個(gè)層段發(fā)生不同程度的涌水、漏井情況。

（2）鉆進(jìn)至617m處時(shí)，發(fā)生井壁縮徑、卡鉆、埋鉆事故。

（3）鉆遇破碎地層時(shí)，鉆孔漏失嚴(yán)重，且孔壁坍塌，巖心采取率不足。

4.2處理方法

（1）鉆遇涌水地層時(shí)，一般采用頂涌鉆進(jìn)方法，控制好泵壓、鉆壓及轉(zhuǎn)速，減少涌水對(duì)孔壁的沖刷破壞。鉆遇漏失地層時(shí)，在沖洗液中加入堵漏劑，并提高沖洗液粘度，堵漏效果較好。

（2）采用Φ110mm鉆具鉆進(jìn)至617m時(shí)，發(fā)生了縮徑、埋鉆事故。對(duì)于埋鉆，要及時(shí)采取措施處理，避免拖延。本次采用Φ130mm擴(kuò)孔鉆頭及時(shí)進(jìn)行擴(kuò)孔，將Φ110mm鉆具套出，并及時(shí)用泥漿進(jìn)行孔壁堵漏維護(hù)。

（3）查證區(qū)破碎帶中，膠結(jié)結(jié)構(gòu)多為高嶺石化、綠泥石化，遇水易分解，造成孔壁坍塌，因此，在施工時(shí)采用PAB沖洗液，有效防止高嶺石、綠泥石分解，孔壁維護(hù)較好，避免孔壁坍塌，并且有效提高了巖心采取率。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）沖洗液性能對(duì)深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)有重要影響。根據(jù)施工礦區(qū)的具體地層情況及時(shí)調(diào)節(jié)沖洗液的性能，這樣沖洗液能較長(zhǎng)時(shí)間的維持孔內(nèi)穩(wěn)定，提高深孔鉆進(jìn)效率。

（2）PAB沖洗液與泥漿混合產(chǎn)生反應(yīng)，使泥漿分解沉淀，因此在更換PAB沖洗液時(shí)，要先用清水將孔內(nèi)泥漿全部替出，再逐漸更換成PAB沖洗液。

（3）PAB無(wú)固相沖洗液初次使用，當(dāng)鉆至蝕變帶時(shí)因吸附速度快有效成分消耗快，適時(shí)對(duì)沖洗液進(jìn)行測(cè)定和調(diào)試，并及時(shí)補(bǔ)充新配制的PAB沖洗液，使其保持良好的性能，充分發(fā)揮其護(hù)壁的優(yōu)越性。

（4）對(duì)于茍家套深孔復(fù)雜地層鉆探，破碎帶較厚，且破碎情況嚴(yán)重，護(hù)壁困難，回轉(zhuǎn)阻力大、易卡鉆，鉆頭壽命短，這樣對(duì)沖洗液的性能提出了更高的要求。要勇于調(diào)試和嘗試使用不同調(diào)配比例、不同沖洗液材料的沖洗液，對(duì)復(fù)雜地層鉆進(jìn)具有重要意義。

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收稿：2016-04-15

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.05.001