鹿傳磊 張朋偉 劉占寧

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

鉆探施工是從普查階段到勘探階段最重要的過(guò)程之一。巨厚砂礫層在各類地質(zhì)施工中面臨諸多問(wèn)題[1-2]，巨厚砂礫層裸孔鉆進(jìn)施工會(huì)出現(xiàn)塌孔、取芯困難等問(wèn)題[3-4]。該研究針對(duì)西緣巨厚砂礫層鉆探施工時(shí)存在的問(wèn)題展開(kāi)分析，提出解決方案。

1 概述

研究區(qū)位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處，區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造位于興蒙造山帶東段，橫跨興安地塊與松嫩地塊，是古亞洲構(gòu)造域的重要組成部分。工作區(qū)屬于大興安嶺北段東坡向松嫩盆地過(guò)渡地帶，地勢(shì)西北高東南低，西北最高海拔429 m，東南最低海拔170 m。所施工地層為新生界第四系，是現(xiàn)代河床、高低河漫灘積層、心灘堆積而成，主要物質(zhì)組成為砂礫石、粉細(xì)砂、砂質(zhì)粘土、淤泥，如圖1、圖2。

圖1 第四紀(jì)砂礫石巖心

圖2 第四紀(jì)剖面河流相堆積物特征

2 鉆探施工中的問(wèn)題及其原因分析

鉆探施工過(guò)程中出現(xiàn)了鉆頭與鉆具連接處斷裂、需要反復(fù)掃孔、泵壓增高、轉(zhuǎn)阻力變大等現(xiàn)象，推測(cè)鉆進(jìn)中出現(xiàn)了坍塌、掉塊、縮徑問(wèn)題。

2.1 鉆頭脫落問(wèn)題及原因

施工ZK12 號(hào)孔過(guò)程中，當(dāng)鉆進(jìn)至12 m 時(shí)，鉆頭與鉆具連接處斷裂，鉆頭掉進(jìn)孔內(nèi)。出現(xiàn)鉆頭脫落的主要原因是鉆頭水口小，大顆粒砂礫石不能及時(shí)從孔底排除，在鉆頭與鉆具連接處狹小空間越積越多，造成快速磨損。當(dāng)此處砂礫石累積到一定程度，出現(xiàn)鉆具旋轉(zhuǎn)阻力加大，磨損加快，鉆頭與鉆機(jī)接觸面被逐漸磨薄，最終導(dǎo)致鉆頭與鉆具完全分離，鉆頭掉入孔底。

2.2 鉆孔坍塌、掉塊、縮徑問(wèn)題及原因

鉆進(jìn)ZK18 鉆孔時(shí)，在20～45 m 處上鉆后再下鉆下不去，需要反復(fù)掃孔，同時(shí)出現(xiàn)泵壓增高、回轉(zhuǎn)阻力變大。以上情況在該孔段反復(fù)出現(xiàn)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)判斷在此孔段出現(xiàn)坍塌、掉塊、縮徑，分析認(rèn)為出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因有以下4 點(diǎn)：

（1）沖洗液性能指標(biāo)調(diào)配不合理。施工地層為砂礫石層，覆蓋厚度大于40 m，顆粒粒徑大小不均，有的甚至大于20 cm，調(diào)配的膨潤(rùn)土泥漿的性能指標(biāo)沒(méi)有完全達(dá)到將所有砂礫石完全排除到孔外的效果，導(dǎo)致巖粉在孔內(nèi)越積越多，在有限孔壁環(huán)狀間隙產(chǎn)生“滯澀”，阻礙泥漿正常循環(huán)，泵壓升高，造成憋泵。大量水分被壓入孔壁，破壞孔壁穩(wěn)定，孔內(nèi)壓力失去平衡，結(jié)構(gòu)松散、無(wú)膠結(jié)、大小不均的砂礫石失去平衡從孔壁脫落形成坍塌、掉塊等。

（2）操作不當(dāng)。人員操作不當(dāng)，上下鉆速度過(guò)快，抽吸壓力過(guò)大，在孔壁狹小環(huán)狀間隙內(nèi)形成負(fù)壓，超常的激動(dòng)壓力破壞了孔壁的壓力平衡，造成鉆孔縮徑、坍塌。

（3）地下動(dòng)水壓力大。該區(qū)含水層淺，地下裂隙、暗河發(fā)育，動(dòng)水壓力對(duì)孔壁穩(wěn)定造成不利影響。地下水動(dòng)水壓力及孔隙水壓力大于孔內(nèi)沖洗液自重壓力時(shí)，引起孔壁失穩(wěn)鉆孔坍塌。

（4）泥漿泵的性能參數(shù)與地層不匹配。所使用的泥漿泵為BW-200 型，鉆進(jìn)地層的顆粒粒徑較大，現(xiàn)有水泵的泵壓和泵量不能滿足將孔內(nèi)所有巖屑完全排出的條件，造成排不出的巖粉在孔內(nèi)大量堆積，從而影響正常鉆進(jìn)造成埋鉆事故。

3 施工工藝參數(shù)改進(jìn)方案

3.1 調(diào)整鉆頭類型

研究調(diào)整鉆頭類型，購(gòu)進(jìn)了湖北長(zhǎng)鉆公司生產(chǎn)的六齒復(fù)合片肋骨鉆頭，規(guī)格為Φ110 mm/133 mm，形狀為六齒階梯肋骨球片，適用于破碎泥巖、砂礫石層、細(xì)分砂層、土層及較軟的巖層。該鉆頭特點(diǎn)是：（1）保徑好、耐磨（主要是加工過(guò)程中加入了加強(qiáng)石油片）、抗沖擊。（2）鉆頭階梯式設(shè)計(jì)，采用錯(cuò)位焊接工藝，能提高鉆進(jìn)效率。（3）大水口、高胎體設(shè)計(jì)，擴(kuò)大了砂礫石的流通通道，提升了沖洗液攜帶碎屑的能力。

圖3 為改進(jìn)后六齒復(fù)合片肋骨鉆頭，圖4 為改進(jìn)前普通金剛石鉆頭。

圖3 復(fù)合片肋骨鉆頭

圖4 金剛石鉆頭

3.2 泥漿護(hù)壁技術(shù)

在第四系松散深厚砂礫石層施工，優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁起到關(guān)鍵作用[5]，該層對(duì)泥漿的性能要求為高固相、高粘度30～40 s、比重1.2 左右、低失水量9～13 mL/min、膠體率97%、含砂量小于5%、pH 值為7～8。

泥 漿 配 方：1 0%～1 5% 膨 潤(rùn) 土+1%～3%CMC+0.3%～0.5% 火堿（膨潤(rùn)土要選擇造漿效果好、含沙量低的，CMC 選擇分子量大于2300 萬(wàn)速溶型）。

配置方法：準(zhǔn)備好一個(gè)1000 L 和100 L 的攪拌桶，分別用來(lái)配置基漿和CMC。

（1）配置基漿。配方為水:膨潤(rùn)土（鈉基）:火堿=780:120:4（重量比）。

（2）配置CMC。配方為水: CMC=90:10（重量比）。

（3）將配置好的CMC 溶液倒入基漿攪拌均勻即可使用。

（4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定性能參數(shù)。將基漿和CMC 通過(guò)充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙?，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定其性能參數(shù)為：失水量10 mL/30 min，粘度35 s，pH 值為10，含沙量1%。用該性能泥漿施工的4 個(gè)鉆孔，砂礫層厚度均大于40 m，終孔深度最深182 m，采取裸眼鉆進(jìn)，都安全順利終孔，達(dá)到了預(yù)期地質(zhì)效果。

3.3 泥漿參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與孔口泥漿回灌

鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)孔口返出的泥漿變稀，應(yīng)對(duì)泥漿指標(biāo)及時(shí)測(cè)定，性能下降必須停鉆對(duì)泥漿重新配置，使泥漿的各項(xiàng)性能參數(shù)滿足要求后方可鉆進(jìn)。在上鉆后和下鉆前，從孔口向孔內(nèi)回灌泥漿，保持孔內(nèi)壓力平衡，防止動(dòng)水流沖垮孔壁，造成鉆孔坍塌。

3.4 匹配大功率泥漿泵

將BW-200 型單作用泥漿泵換成450 型三缸雙作用泥漿泵，更換后新泵的泵壓和泵量同時(shí)增大，能將孔內(nèi)大顆粒的砂礫石完全排出，保持孔內(nèi)干凈，避免埋鉆事故發(fā)生。

4 結(jié)論

分析鉆頭斷裂脫落的主要原因是大顆粒砂礫石在鉆頭與鉆具連接處集聚，鉆具旋轉(zhuǎn)阻力增大，磨損加劇，最終導(dǎo)致鉆頭斷裂脫落。造成鉆進(jìn)中出現(xiàn)坍塌、掉塊、縮徑的主要原因是沖洗液性能指標(biāo)調(diào)配不合理，地下動(dòng)水壓力大，泥漿泵的性能參數(shù)與地層不匹配。研究采用了有保徑、大水口、錯(cuò)位焊接的高胎體復(fù)合片肋骨鉆頭解決鉆頭斷裂脫落問(wèn)題，通過(guò)改性泥漿材料性質(zhì)增強(qiáng)泥漿護(hù)壁效果；通過(guò)調(diào)整泥漿參數(shù)配合泥漿回灌保持孔內(nèi)壓力平衡，防止水流沖垮孔壁；通過(guò)更換高效泥漿泵充分排出大顆粒砂礫石，最終解決了鉆頭斷裂脫落、鉆孔崩塌、縮徑等施工問(wèn)題。研究使得鉆進(jìn)施工效率不斷提高，保證了鉆進(jìn)施工安全經(jīng)濟(jì)高效。

研究顯示，施工工藝改變前每班進(jìn)尺7～8 m，改變施工工藝后每班進(jìn)尺12～15 m。改變工藝前，Zk15 號(hào)孔設(shè)計(jì)孔深110 m，終孔深度113.80 m，施工用時(shí)13 d，平均每天進(jìn)尺8.75 m；改變施工工藝后，施工ZK16 號(hào)鉆孔，設(shè)計(jì)孔深100 m，終孔孔深105.30 m，用時(shí)7 d，平均每天進(jìn)尺18.04 m。改進(jìn)后日施工效率提升106.2%，施工效率得到了極大提高，解決了鉆進(jìn)施工緩慢的現(xiàn)狀。施工成本由原來(lái)350 元/ m，降低到260 元/ m。