關(guān)鍵詞：井壁失穩(wěn)；繩索取芯；鉆井液；協(xié)同防塌理論

中圖分類號：Ｐ６３４．５ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２３

引用格式：謝飛，左蕓，李新，等．繩索取芯技術(shù)應(yīng)用中的井壁穩(wěn)定性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１３６－１３９，１４５．

０引言

繩索取芯鉆進是一種高效率、高采取率、輔助時間短且質(zhì)量可靠的鉆井方法。然而，隨著水利工程鉆探的發(fā)展，遇到復(fù)雜地質(zhì)條件的情況越來越普遍，對深孔和超深孔繩索取芯鉆進技術(shù)的優(yōu)化和完善變得尤為重要。在實際鉆進過程中，常常會遇到井壁不穩(wěn)定的問題，如孔內(nèi)掉塊、坍陷、縮頸和超頸等，對鉆井工程安全造成巨大的危害。此外，在鉆進過程中還會遇到鉆井液漏失、涌水等問題，這些都對繩索取芯的效率和質(zhì)量產(chǎn)生了不利影響。目前，針對該技術(shù)施工事故，許多學(xué)者提出了處理方法，例如：李順強等［１］ 在繩索取芯過程中發(fā)現(xiàn)易塌層出現(xiàn)鉆孔偏心現(xiàn)象，通過制作偏芯鍥實現(xiàn)了繞障作業(yè)；張英傳等［２］ 在水敏性復(fù)雜地層鉆進施工過程中發(fā)現(xiàn)了鉆桿斷裂，通過加工可退式撈矛完成了鉆桿打撈；裴森龍等［３］ 在破碎、漏失地層鉆進施工過程中發(fā)現(xiàn)了嚴重跑鉆事故，在導(dǎo)向擴孔鉆進技術(shù)的輔助下完成了鉆探任務(wù)?？梢?，上述繩索取芯施工大多需要其他技術(shù)輔助，不具有實用性，無法廣泛應(yīng)用。

為避免復(fù)雜地層中各類井下事故的發(fā)生，還需要改進鉆探技術(shù)的一般工藝［４］ 。合適的鉆井液體系可以有效應(yīng)對繩索取芯技術(shù)在復(fù)雜地層鉆探施工過程中發(fā)生的上塌下漏等問題。寸猛等［５］ 將低摩阻的黏彈性表面活性劑鉆井液體系應(yīng)用到水利工程鉆探，解決了常規(guī)鉆井液體系配方復(fù)雜、難降解、引起內(nèi)管壁結(jié)泥皮等問題；代萬慶等［６］ 采用配制的密度低、流變性和抑制性強的鉆井液成功鉆穿水敏地層；李寧［７］ 研制的新型成膜助劑，使鉆井液體系具備較好的抗塌性能。目前，常見的鉆井液體系往往對某種地層具有一定的可行性，但鉆遇地層往往是多種復(fù)雜地層的集合體，單一屬性的地層少之又少，頻繁換漿增加了鉆進成本，因此需要研制一種綜合性鉆井液，以滿足淺部或深部復(fù)雜地層鉆探取芯要求。

筆者從多角度對井壁不穩(wěn)定因素進行分析，結(jié)合實際研制出一種針對復(fù)雜地層的防塌鉆井液體系，以期促進繩索取芯鉆進技術(shù)在水工鉆探施工中順利、高質(zhì)量地成孔，更好地服務(wù)于水利水電工程建設(shè)。

１繩索取芯過程中井壁不穩(wěn)定因素

井壁不穩(wěn)定是由多個因素共同作用引起的，涉及井筒液柱壓力、地層的巖石力學(xué)特性以及鉆井液性能等［８－９］ ，在深井和超深井的鉆進中，還與井口周圍溫度變化引起的額外溫度應(yīng)力有關(guān)?？偟膩碚f，引起井壁不穩(wěn)定的因素十分復(fù)雜，其本質(zhì)在于井筒的力學(xué)不穩(wěn)定性，即井壁在受到內(nèi)外力作用時無法保持穩(wěn)定，可以把不穩(wěn)定因素分為地質(zhì)因素和工程因素兩大類。

１．１地質(zhì)因素

１）巖石本身性質(zhì)。在鉆進過程中泥頁巖地層容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，泥頁巖中的黏土礦物含量為２０％ ～３０％。當泥頁巖中黏土礦物和伊蒙混層較多時，部分黏土礦物的水化能力較強，容易導(dǎo)致泥頁巖非均勻膨脹，從而弱化泥頁巖的結(jié)構(gòu)強度。此外，泥頁巖成巖過程中，層理面和紋理發(fā)育比較明顯，即使在較小的構(gòu)造力作用下，也容易發(fā)生斷裂并釋放能量，形成許多微細裂紋，即毛細管通道。這些微細裂紋常常成為鉆井液濾液進入井壁的通道，從而導(dǎo)致井壁垮塌。

２）地應(yīng)力。不同深度的地層存在不同的構(gòu)造應(yīng)力且處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，當井眼形成時，原有的平衡狀態(tài)被破壞，井眼周圍的應(yīng)力將重新分配，此時井眼周圍受到來自上覆巖層的壓力（σ_１）、巖石孔隙流體的壓力（Ｐ_Ｐ ）、水平地應(yīng)力（σ_２、σ_３）、鉆井液液柱壓力（Ｐ_ｈ），其中σ_１、σ_２、σ_３統(tǒng)稱地應(yīng)力，井眼周圍地層巖石受力示意見圖１。當井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力不足以支撐地層的橫向力時，一些不穩(wěn)定的巖層將發(fā)生剪切破壞和坍塌。當井壁巖石的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之間的差異較大時，也會導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。在應(yīng)力作用下，孔壁不穩(wěn)定情況可分為３ 種：孔眼縮小、孔眼擴大、孔壁發(fā)生漏失［１０］ ，見圖２。

３）地層強度。地層強度涵蓋地層內(nèi)摩擦角、抗拉強度、抗壓強度、泊松比、凝聚力等。以凝聚力為例，凝聚力越大巖層的膠結(jié)程度越好、抗剪切能力越強，不需要太高的液柱壓力維持井壁穩(wěn)定［１１－１２］ 。地層強度較高時坍塌壓力較小，破裂壓力及鉆井液密度的“安全窗口高”時，井壁穩(wěn)定性強。值得注意的是，地層強度對淺井井壁穩(wěn)定性影響較大，通常需要改變鉆井液密度來維持井壁穩(wěn)定性，尤其要從提高黏度、減少濾失量等角度考慮。

１．２工程因素

１）鉆井液。鉆井液的密度對于井筒的穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過維持適當?shù)你@井液密度，可以提供足夠的支撐力來彌補地層強度的不足。如果鉆井液密度過低，則會導(dǎo)致井筒周圍的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力之間的差異增大［１３］ ，當這種差異超過巖石的剪切強度時，井筒容易發(fā)生剪切破壞；相反，當井筒周圍的應(yīng)力差異減小到一定程度時，井筒會發(fā)生拉伸破壞。此外，鉆井液液柱壓力和地層孔隙壓力之間的壓力差也是影響井筒穩(wěn)定性的因素，如果該壓力差太大，則會導(dǎo)致鉆井液中的游離水滲入地層，改變井筒周圍巖體的有效應(yīng)力，進而影響井筒的穩(wěn)定性。

鉆井液滲透作用對井壁的穩(wěn)定性也有較大影響。巖體在成巖過程中存在層理面和紋理，當鉆井液的電解質(zhì)濃度低于巖石體的電解質(zhì)濃度時，鉆井液中的水分子會滲透到具有滲透性的地層中，導(dǎo)致巖石和土壤軟化、泥化、膨脹等不良效應(yīng)，逐漸惡化巖石和土壤的性質(zhì)，這種惡化過程可能進一步發(fā)展為井筒的變形、不穩(wěn)定和破壞。尤其是當鉆井液質(zhì)量不佳且無法有效抑制水分損失時，情況將變得更加嚴重。

根據(jù)繩索取芯鉆進過程中的實踐經(jīng)驗，薄而密的泥皮和較小的失水量能減少鉆井液中水分流失，從而保證井壁穩(wěn)定，同時薄而密的泥皮能減小鉆進阻力，在使用低固相鉆井液配方時，添加表面活性劑或油珠可以顯著增強鉆井液外皮的黏性和潤滑性，形成具有較好潤滑性能的泥皮。

鉆井液的黏度和黏結(jié)性也會對井壁穩(wěn)定產(chǎn)生一定影響，通常鉆井液為非牛頓流體，其滲流公式如下：

式中：Ｖ 為滲流速度，Ｋ 為滲透率，Ｐ 為鉆井液壓力，μ為鉆井液表觀黏度，Ｈ 為滲流地層的高度，τ_ｄ為鉆井液動切力，φ 為地層孔隙度，ｋ 為滲透率系數(shù)。

從式（１）中可以看出，滲流的發(fā)生與鉆井液的壓力、黏度、動切力等因素有關(guān)［９］ 。以動切力為例，當動切力較大時，鉆井液在井眼周圍形成較強的屏障，能有效防止?jié)B流發(fā)生；然而，如果動切力過大，鉆井液會過度攜帶巖屑，加劇對井筒的磨損，從而會使得不穩(wěn)定井壁上膠結(jié)程度低的巖體發(fā)生脫落，引起井筒擴大等問題。因此，在繩索取芯鉆進過程中，需要保持適當?shù)臐B流速度，通過調(diào)節(jié)鉆井液的黏度，控制滲入鉆孔周圍巖層的液體的黏附能力。較高的黏附能力意味著鉆井液能更好地與孔壁結(jié)合，提供更強的支撐力和更好的穩(wěn)定性。

２）鉆進工藝。繩索取芯鉆進技術(shù)的工藝特點決定了鉆具與孔壁的間隙相對較?。郏保矗?。當鉆井液排量較大時，鉆井環(huán)空流體通常處于紊流狀態(tài)，這會導(dǎo)致鉆井井壁面臨較嚴重的沖刷問題；相反，當環(huán)空流體排量較小時，流體處于層流狀態(tài)，這可能導(dǎo)致不穩(wěn)定地層發(fā)生縮頸現(xiàn)象。

在實際的繩索取芯操作中，常會面臨壓力激增的風(fēng)險［１５－１６］ 。如果泵啟動過于強勁、鉆進速度過快，就有可能導(dǎo)致井內(nèi)壓力瞬間超過地層破裂壓力；而如果出鉆速度過快，就容易產(chǎn)生負壓，使井內(nèi)壓力瞬間降低至地層的崩塌壓力以下。此外，在鉆具穿越不穩(wěn)定地層過程中，鉆具的干擾容易誘發(fā)井眼不穩(wěn)定。鉆井液補充不及時或發(fā)生井漏等，容易使環(huán)空的液柱壓力下降，使某些巖層失去支撐從而發(fā)生坍塌。井斜和方位也會對井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，當井眼偏離最小水平主應(yīng)力方向或者偏離最大水平主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的中分線時，井眼容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

總之，在繩索取芯鉆進過程中，地層井壁穩(wěn)定性受多種因素的影響，這些因素之間的相互作用相當復(fù)雜。本文結(jié)合某重大供水工程中的鉆孔ＤＺＫ４ 鉆進過程，對其井壁穩(wěn)定性進行初步分析。

２ ＤＺＫ４ 孔的施工工藝

２．１鉆孔概況

ＤＺＫ４ 孔所在地層以砂巖、粉砂巖為主，斷裂、褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，可鉆等級為４～５ 級，地層性質(zhì)見表１?？變?nèi)坍塌、掉塊、漏失嚴重，施工難度較大。

針對工程區(qū)覆蓋層淺且含有礫石層的特點，為了快速穿越淺層破碎帶，減少上下鉆次數(shù)，降低抽吸作用引起的井壁激動壓力，采用了復(fù)合片鉆進技術(shù)。該孔采用常規(guī)的三級套管四級變徑的成孔方式： 一開Φ１５０ ｍｍ口徑鉆穿覆蓋層，下入Φ１４６ ｍｍ 套管；二開Φ１２２ ｍｍ 口徑鉆穿破碎層；三開Φ９８ ｍｍ 口徑鉆穿漏失不穩(wěn)定地層，并下入Φ８９ｍｍ 套管；四開Φ７５ ｍｍ 口徑至終孔。井深結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖３。

２．２孔內(nèi)井壁失穩(wěn)處理及防塌機理分析

２．２．１地層對鉆井液泥漿需求

由表１ 可知，該井所處地層大部分為粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等不穩(wěn)定地層。取該井巖樣進行巖礦鑒定，結(jié)果見表２，該井地層成分以高嶺石、伊利石、蒙脫石為主。

當?shù)貙訛槲暂^強的高嶺石和伊利石時，會產(chǎn)生以下影響：

１）減小井壁穩(wěn)定性。當大量高嶺石和伊利石進入鉆井液時，會增加鉆井液的黏稠度，使得鉆井液固相體積增大，從而增大井壁的孔隙壓力，增加井壁崩塌和塌陷的風(fēng)險。

２）增大鉆井摩阻力。高嶺石和伊利石顆粒具有一定的硬度和尖銳度，它們進入鉆井液后可能與鉆頭或井壁摩擦，增大鉆井的摩阻力，導(dǎo)致鉆頭磨損加劇，降低鉆進效率，甚至導(dǎo)致鉆頭卡失或卡鉆。

３）降低井壁質(zhì)量。高嶺石和伊利石顆粒進入鉆井液后，會與鉆井液中的添加劑和化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，影響井壁的強度和完整性，導(dǎo)致井壁質(zhì)量降低，增加井壁漏失和井下環(huán)境污染的風(fēng)險。

基于該地層特點，對鉆井液性能要求如下：１）低濾失量，減緩井壁的吸水速度；２）低密度，防止液柱壓力過高、增加黏土水化膨脹的風(fēng)險；３）流動性好，降低循環(huán)泵壓，提高鉆井效率；４） 抑制性強，防止過分吸水、井壁坍塌掉塊。

２．２．２鉆井液的設(shè)計思路及確定

該井地層包括常見的水敏地層、巖屑地層等，具有多種不利于井壁穩(wěn)定的因素，結(jié)合巖體成分、水化機理、井深結(jié)構(gòu)設(shè)計以及泥漿性能需求，選擇具有有效提高鉆井液黏度和稠度的ＳＨ 植物膠以及膨潤土為主劑；選擇合適的高分子處理劑種類，增強產(chǎn)品的懸浮能力、抑制黏土水化膨脹；選擇具有高黏彈性的表面活性劑，為其提供較好的潤濕性能和潤滑性能；持續(xù)浸泡時間過長會導(dǎo)致孔壁剝落和坍塌，為確保井壁的完整性，需要再加入護壁劑。

為了長期解決此類復(fù)雜地層的井壁穩(wěn)定問題，提出了“陽離子－高黏結(jié)－潤濕反轉(zhuǎn)－化學(xué)抑制－密度合理支撐”的協(xié)同防塌機理（見圖４），結(jié)合該機理提出的鉆井液配方（配方比例為各材料占整個鉆井液質(zhì)量之比）見表３。

表３ 中膨潤土是一種具有正電性陽離子的黏土礦物，通過吸附在孔壁表面形成薄膜，增強孔壁的支撐能力，防止孔壁剝落和坍塌。ＳＨ 植物膠具有高黏結(jié)性能，在鉆井液中能形成黏稠的膠體，增強液相與孔壁的黏附性，從而增強孔壁穩(wěn)定性。聚丙烯酰胺中的酰胺基團形成的共價鍵可以提高液相的黏度和稠度，增強液相與孔壁的黏附力，有化學(xué)抑制作用。光譜護壁劑也具有化學(xué)抑制作用，能夠和鉆井液中的化學(xué)成分及地層中的離子發(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的薄膜覆蓋在孔壁上，降低孔壁剝落和坍塌的可能性。纖維素具有較強的吸附和黏結(jié)能力，能夠與鉆井液中的其他成分形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膠體，從而增大液相的黏度，提高孔壁的支撐能力。十六烷基三甲基溴化銨能夠降低鉆井液與地層水之間的界面張力，改善潤濕性能，使得鉆井液更好地與地層接觸，提高孔壁的穩(wěn)定性。

按照上述配方配制的鉆井液的功能主要是：提高孔壁支撐力和穩(wěn)定性、提高液相黏度和黏附力、降低孔壁剝落和坍塌的可能性、增強鉆井液與地層的接觸性能，進而維持鉆井作業(yè)安全高效地進行。

在ＤＺＫ４孔鉆進過程中，采用上述配方有效解決孔壁失穩(wěn)、單動雙管取芯管壁結(jié)垢等問題，取得了良好使用效果，有效提高了鉆進效率和鉆探工程質(zhì)量，同時明顯減少孔內(nèi)事故發(fā)生，大幅提高成孔質(zhì)量?，F(xiàn)場鉆井液監(jiān)測結(jié)果見表４，從現(xiàn)場使用情況看，除鉆井液在部分孔段和造漿地層存在少量滲漿外，其他參數(shù)都達到鉆井液的控制標準，可見鉆井液性能較為穩(wěn)定。

３結(jié)束語

當前復(fù)雜深孔繩索取芯鉆進技術(shù)存在護壁難度大、回轉(zhuǎn)阻力較大、鉆頭磨損等諸多問題。本文以鉆井液作為切入點，對于大多數(shù)易坍塌地層、水敏地層，提出“陽離子－高黏結(jié)－潤濕反轉(zhuǎn)－化學(xué)抑制－密度合理支撐”的協(xié)同防塌機理，結(jié)合實際情況進行鉆井液配制，提高了鉆探過程中井壁的穩(wěn)定性和安全性，確保復(fù)雜地層鉆井技術(shù)持續(xù)發(fā)展。