鉆探施工技術(shù)在復(fù)雜地層中的應(yīng)用

徐 勇

（核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長沙 410000）

復(fù)雜地層主要指巖心鉆探過程中鉆孔漏水或涌水、孔壁不穩(wěn)定（包括孔內(nèi)坍塌、掉塊、遇水膨脹、遇水分解破碎等）及各種蝕變構(gòu)造帶的地層。鉆進復(fù)雜地層時容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、斷鉆、燒鉆、巖心采取率低、鉆孔跑斜、水路不通導(dǎo)致憋泵、鉆具磨損嚴(yán)重、鉆頭壽命低等問題，從而導(dǎo)致施工成本高、鉆進時效低、鉆孔質(zhì)量難以滿足地質(zhì)設(shè)計要求等問題。

隨著我單位鈾礦找礦工作的逐漸深入，遇到的復(fù)雜地層較多，已成為影響我單位鉆探施工效率的主要因素，急需有效的解決辦法。我單位鉆探施工工作區(qū)主要地層為花崗巖，在鉆進過程均遇到上述復(fù)雜地層，反映在施工方面主要有3個問題：一是孔壁不穩(wěn)定造成的孔內(nèi)坍塌、掉塊及遇水分解造成的鉆孔超徑導(dǎo)致孔內(nèi)事故，造成施工無法進行；二是在鉆遇蝕變構(gòu)造帶過程中，孔內(nèi)裂隙較發(fā)育，沖洗液損耗大；三是巖心采取率低、鉆孔跑斜不能滿足地質(zhì)設(shè)計要求。以下就影響復(fù)雜地層正常鉆進的各種因素進行分析。

1 各類復(fù)雜地層形成的原因

復(fù)雜地層通常是由于巖層本身發(fā)生地質(zhì)構(gòu)造運動且與外界相互作用而導(dǎo)致的，具體主要分為以下幾種情況。

（1）巖性本身引起的復(fù)雜地層。構(gòu)造、蝕變較發(fā)育的地層在被沖洗液沖刷和鉆具撞擊作用下，極易發(fā)生破碎及掉塊等問題，導(dǎo)致孔壁極不穩(wěn)定，在鉆進過程中，往往導(dǎo)致鉆孔超徑或縮徑，未能及時處理或處理不當(dāng)，易發(fā)生掉鉆、卡鉆甚至燒鉆、埋鉆等事故。

（2）溶蝕引起的復(fù)雜地層。地下水主要通過溶蝕作用來破壞巖石結(jié)構(gòu)。當(dāng)堅硬的花崗巖被溶蝕以后，原地層結(jié)構(gòu)存在的溶于水的礦物質(zhì)被流水帶走，最終留下的是不能被水溶解的高嶺土與石英顆粒的混合物，在巖心鉆探過程中，該類地層發(fā)生機械破碎，導(dǎo)致巖心采取率低[1]。

（3）地質(zhì)運動而引起的復(fù)雜地層。地質(zhì)構(gòu)造運動時將會產(chǎn)生壓力、扭力、劇烈震動等，這些力相互作用就會形成扭性、張扭性等多種斷層。如果鉆具進入這類地層的破碎區(qū)域，通常會出現(xiàn)孔壁大面積坍塌和沖洗液漏失現(xiàn)象。

（4）流水引起的復(fù)雜地層。流水會對巖石地層起到?jīng)_擊或者沉壓的作用。比如流沙層以及泥質(zhì)地層等都是因為沉積所導(dǎo)致的，流失將會造成巖石穩(wěn)定性降低，牢固性降低，極易引發(fā)縮徑或坍塌等問題。

（5）風(fēng)化作用形成的復(fù)雜地層。巖石風(fēng)化將會破壞巖石中顆粒之間的連接力，漸漸使得巖石出現(xiàn)裂隙、松散、斷裂等情況，經(jīng)過長時間的風(fēng)化與其它作用力的影響極易造成巖石坍塌、掉塊等問題。

（6）地層中的礦物巖石引起的復(fù)雜地層。一些地層在進行鉆進工作時將會使得原有的礦物巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化進而形成復(fù)雜地層。加之在后期鉆探過程中被反復(fù)沖蝕撞擊，其穩(wěn)定性將會嚴(yán)重下降，進而出現(xiàn)破碎等情況，進而產(chǎn)生縮徑，嚴(yán)重時會發(fā)生孔內(nèi)事故。

2 復(fù)雜地層鉆進的主要影響因素

一般而言復(fù)雜地層鉆進的影響因素主要有鉆機設(shè)備、地層條件、鉆探施工工藝、沖洗液的合理運用等，在巖心鉆探過程中，應(yīng)針對不同地層進行分析，協(xié)調(diào)配合好各方面影響因素，性能先進的設(shè)備配合合理的工藝技術(shù)及性能良好的沖洗液，往往能取得事半功倍的效果，高效優(yōu)質(zhì)的完成鉆孔施工任務(wù)。

（1）鉆探設(shè)備。鉆機及其它配套設(shè)備選型與質(zhì)量的高低直接關(guān)系到復(fù)雜地層鉆探工作的質(zhì)量。假如選用的鉆機功率較低，額定鉆進深度小，在面臨復(fù)雜地層時就很難調(diào)整其轉(zhuǎn)速以及鉆壓等鉆進參數(shù)，從而對鉆進效率與鉆孔質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。

（2）地質(zhì)條件。復(fù)雜地層包含各種蝕變、構(gòu)造、斷裂以及含有砂礫、流沙的地層，這種地層的巖石在強度、硬度以及水化性、彈塑性都存在復(fù)雜多變的特點，片理、層理發(fā)育，地層（構(gòu)造）產(chǎn)狀變化大，嚴(yán)重阻礙地質(zhì)鉆探施工的順利進行，比如在巖層傾向較陡，巖石硬度較大時，鉆進過程中鉆具順層行進，造成鉆孔偏斜。

（3）鉆探施工工藝。復(fù)雜地層鉆探施工質(zhì)量和效率在很大程度上取決于鉆探施工工藝，比如鉆進的鉆速太快，將會增大回轉(zhuǎn)離心力，進而使得橫向振動變大，從而對增大了鉆孔直徑；如果鉆機進入到軟弱層，承受壓力過大，很容易導(dǎo)致鉆桿彎曲，繼而造成鉆孔彎曲。

3 復(fù)雜地層中鉆探施工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 鉆進方法的選擇

鉆進方法的確定直接關(guān)系著鉆探施工的質(zhì)量與效率，在《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》當(dāng)中，按照地層硬度等級的不同將地層劃分成軟、中硬、硬、堅硬四種類型；根據(jù)巖層的完整程度可將其劃分成完整、較完整、破碎三種。通常在施工期間，主要按照巖石的可鉆性與研磨性來初步判定鉆頭的選型，其方法主要是：對于軟、中硬及研磨性弱的巖層,可鉆性高,選擇硬質(zhì)合金或者胎體硬度大的金剛石鉆頭進行鉆進，主要施工地層為地表浮土或風(fēng)化層。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇

鉆孔結(jié)構(gòu)也是影響鉆探質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其對施工成本與工作效率等起著重要的影響作用。所以在確定鉆孔結(jié)構(gòu)時，應(yīng)綜合考慮鉆孔深度與終孔直徑等對鉆孔施工質(zhì)量帶來的影響，通過科學(xué)判斷換徑深度與開孔直徑，為有效提高施工效率提供保障。

3.3 注重改進施工方法

在實際的鉆探施工過程中，需在原有鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷改進生產(chǎn)技術(shù)，以為更好的鉆探施工提供有力保障。其改進方法主要包含以下兩點。

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)的改進。比如我所在汝城項目某孔的鉆探施工當(dāng)中進行了鉆孔結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化，將以往的“三級套管、四級口徑”經(jīng)過改進成為了“四級套管、五級口徑”的鉆孔結(jié)構(gòu)。其具體的操作方法為；首先使用直徑150mm口徑鉆孔，在完成第四系土層鉆進工作以后，設(shè)置直徑146mm的套管，其管深控制在16mm～20mm范圍內(nèi)；其次再以130mm口徑穿過淺部風(fēng)化軟弱地層，并在此設(shè)置127mm的套管，以便完全隔離風(fēng)化軟弱層。

（2）改進沖洗液。常用的護壁沖洗液有泥漿和無固相沖洗液，泥漿的護壁機理是在鉆進過程中在孔壁表面形成泥皮護壁，泥皮是依靠鉆具內(nèi)液柱壓力與地層側(cè)壓力之間的壓差壓濾作用形成；無固相沖洗液的護壁機理主要靠高分子聚合物吸附膠結(jié)護壁，聚合物能夠在巖層表面及深入到巖層空隙中吸附產(chǎn)生膠結(jié)。二者護壁機理不同，應(yīng)根據(jù)不同地層性質(zhì)選用。

①選材：200目膨潤土；高效S系列植物膠；工業(yè)火堿；優(yōu)質(zhì)皂化油。②配制比例：水：膨潤土：植物膠：皂化油=100kg：（4-6）kg：（5-8kg）:1.5kg。③配制要求：配置前，先加火堿將水的ph值調(diào)整為10～11，其次分別加入膨潤土及植物膠粉攪拌充分后，最后加入皂化油，控制配制好的沖洗液漏斗黏度27s～32s。④優(yōu)點：根據(jù)實際使用情況，這種植物膠泥漿具有泥漿和無固相沖洗液的雙重優(yōu)點，既能形成泥皮護壁，又對巖石有膠結(jié)作用。⑤缺點：由于該沖洗液性能參數(shù)約為密度1.03g/cm3～1.05g/cm3,黏度27s～32s，失水量≤12ml/30min，固相含量≤0.4%，潤滑系數(shù)0.20～0.23，導(dǎo)致阻力大，泵壓高，所以在使用這種沖洗液時，要選用外徑大的鉆頭和擴孔器，經(jīng)過實際使用經(jīng)驗，一般直徑大于外管3mm左右。

此外對于堵漏技術(shù)的處理，應(yīng)根據(jù)地層的漏失情況合理進行優(yōu)化改進，可以通過添加磺化瀝青等惰性材料來減少沖洗液的流失量。

3.4 鉆探施工技術(shù)在幾種復(fù)雜地層當(dāng)中的具體應(yīng)用

（1）鉆探施工技術(shù)在流水、風(fēng)化以及礦物巖石引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。由于這種類型的復(fù)雜地層本身就屬于弱膠結(jié)的地層，巖石中顆粒間的膠結(jié)程度比較低，在對這種類型地層進行鉆探施工時，對鉆具下鉆的位置與速度一定要掌控好，防止由于壓力激增而引起孔壁掉塊或斷裂。選用的沖洗液也應(yīng)具有較高的黏度，這樣在孔壁破碎的巖石就可以很好的膠結(jié)在一起，提高了巖石的粘結(jié)力度。在鉆進破碎程度較大的地層時，需要提前向地層中注入具有堵塞、膠結(jié)作用的物質(zhì)，以便將松散、破碎的巖石粘結(jié)在一起，以提高鉆孔表面巖石的穩(wěn)定度，在巖石的強度達到一定標(biāo)準(zhǔn)以后便能重新進行鉆探。

（2）鉆探技術(shù)在地質(zhì)運動引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。在地質(zhì)運動引起的復(fù)雜地層中鉆探的難點在于斷泥層或者構(gòu)造碎裂巖的出現(xiàn)。鉆進這種地層時主要面臨三個問題：首先由于斷泥層或構(gòu)造碎裂巖地段的巖層長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，在鉆具通過以后，巖層內(nèi)以往的平衡狀態(tài)就會被打破，在應(yīng)力和沖洗液沖蝕的作用下，將會產(chǎn)生塑性流動，進而出現(xiàn)掉鉆、卡鉆或者縮徑等問題；其次由于斷泥層當(dāng)中通常存有黏土礦物，極易吸水膨脹，也會導(dǎo)致卡鉆、縮徑。

（3）鉆探技術(shù)在溶蝕引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。對于這種復(fù)雜地層鉆進施工時經(jīng)常會面臨泥漿流失量大，無法反漿。這是因為地層中存有裂隙，沖洗液沿著裂隙滲入地層。

4 結(jié)語

復(fù)雜地層的鉆進施工條件惡劣，對施工工藝和操作人員水平要求均較高，目前沒有一種萬能的辦法解決所有類型的復(fù)雜地層，但有幾項措施對任何情況下的鉆探施工均是有利的：一是盡可能選用性能優(yōu)越的鉆探設(shè)備；二是配套設(shè)備的優(yōu)選及鉆頭的合理選型，應(yīng)選用高強度鉆桿，盡量避免斷鉆帶來的問題，合理根據(jù)不同地層對鉆頭進行選型，提高鉆探時效，減少提鉆次數(shù)。以上是筆者對巖心鉆探復(fù)雜地層治理技術(shù)的一些認(rèn)識和經(jīng)驗，希望對解決復(fù)雜地層鉆進問題有所幫助。