鉆探泥漿護壁技術在長昆客運專線勘察水敏性地層的應用

林景新

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 長昆客運專線紅毛嶺隧道概況

滬昆客運專線東起上海，西至昆明，全長2 066 km，是我國《中長期鐵路網規劃》中“四縱四橫”快速客運通道之一，全線設計時速350 km。滬昆客運專線以長沙為中點分為東西兩段，東段由上海至長沙，由滬杭甬客運專線，杭長客運專線組成;西段由長沙經貴陽至昆明，為長昆客運專線。

1.1 紅毛嶺隧道概況

長昆客運專線紅毛嶺隧道入口位于漣源市白溪鎮巖美村，出口在新邵縣坪上鎮蘆山村，下穿坑義沖、陸家墳山、老虎沖、紅毛嶺、殺牛門、黃家坪、鎮山嶺、栗山嶺八村。隧道里程范圍為:DK167+555～DK171+905，全長4350m，共布鉆孔6個(見表1)。

表1 紅毛嶺隧道鉆孔布置參數

1.2 紅毛嶺隧道地層巖性及構造

根據區域地質資料，隧道區上覆第四系更新統殘坡積層(Q3dl+el)，下伏基巖有泥盆系上統佘田橋組泥質灰巖、泥灰巖夾薄層頁巖，泥質砂巖、鈣質泥巖夾薄層狀石灰巖及泥盆系中統棋梓橋組泥質灰巖與泥灰巖、鈣質頁巖互層。

紅毛嶺隧道地層中的泥巖、頁巖屬水敏性地層，遇水易膨脹、崩解。

紅毛嶺隧道地質構造復雜，位于蘆家邊—楊家沖向斜西翼，據區域地質資料:線路里程DK168+790和DK169+730附近發育2條斷層，與線路夾角分別為76°和46°，斷層破碎帶寬度分別約為65m和105m。斷層破碎帶結構松散，其間多為泥質充填，遇水更易膨脹、崩解。

2 水敏性地層鉆探存在的主要問題

在鉆進過程中，水敏性地層主要存在鉆孔易發生膨脹，縮徑，泥漿增稠，鉆頭泥包，孔壁表面剝落、崩解、垮塌、超徑等孔壁失穩及護壁困難問題。

另外，隨著鉆屑和孔壁中的泥質顆粒不斷進入泥漿并參與鉆井循環，泥漿的粘度不斷升高，切力不斷增大，泥漿流動越來越慢，泵壓越來越高，鉆具回轉阻力越來越大。

(1)因為泥漿粘度增加，起下鉆時鉆具對孔壁的抽吸與壓力越來越強烈，極易發生泥漿漏失、孔壁坍塌、卡鉆、糊鉆等孔內事故。

(2)因為鉆具回轉困難，泵壓升高，鉆頭刻(磨)削巖石的阻力必然增大，效率降低，使得工期延長，生產成本升高。

09－ZD－10330、09－ZD－10332兩個孔施工時，由于對紅毛嶺隧道區域資料分析不足，對水敏性地層重視不夠，所以把泥漿類型設計為簡單的粗分散體系。其配方為:膨潤土(8～10)%+純堿(2～3)‰+中粘CMC(3～6)‰+HPAM(0.1～0.5)‰。泥漿參數為:粘度24 s、密度1.06 kg/L、失水量15 mL。

在鉆進過程中，機組對泥漿的檢測和維護沒有及時跟上和調整，任由泥漿粘度、密度、切力不斷增加。發現泥漿流動困難時，又采用簡單的加水降粘法，最后導致泥漿的失水量急劇增大，09－ZD－10330、09－ZD－10332兩孔分別鉆進至97.3m和132.6m時，發生了因地層吸水膨脹而崩解垮塌現象，并引發了卡鉆、糊鉆事故，使得兩孔鉆進分別中斷了7 d和12 d。

以下是09－ZD－10330、09－ZD－10332兩孔的鉆進基本數據(表2)。

表2 前兩個鉆孔的鉆進數據

3 水敏性地層鉆進對泥漿的要求

欲解決水敏性地層鉆進的不良影響，泥漿的配制和維護是至關重要的因素。

目前巖芯鉆探大都是采用金剛石單(雙)管或金剛石繩索取芯鉆進工藝，對鉆進泥漿的要求越來越高，特別是鉆進水敏性地層時，泥漿性能和參數的測定、控制更顯得尤為重要。

水敏性地層對泥漿性能的要求主要是:具有良好的護壁性能，具有良好的潤滑性能;防止繩索取芯鉆桿內壁結垢的性能;具有良好的攜帶巖粉、冷卻鉆頭能力。

水敏性地層對泥漿的參數檢測主要項目有:粘度、密度、失水量，有條件的還可以測試切力等。

4 水敏性抑制泥漿的配制維護和使用效果

水敏性地層鉆進泥漿的配制原則是:低粘、低切力、低慮失、低固相、高抑制性。

在后來的09－ZD －10331、09－ZD －10333、09－ZD－10334孔的鉆進施工中，吸取了前面兩孔的教訓，依據上述原則調整了泥漿配方，并且從一開始就監測和控制泥漿性能參數，使泥漿性能符合鉆進水敏性地層的要求，確保鉆孔井壁穩定。

調整后的泥漿配方為:膨潤土3%+純堿2‰+中粘CMC(3～5)‰ +腐殖酸鉀(KHm)(1～5)%+HPAM(0.1～0.5)‰+1.5%隨鉆堵漏劑。泥漿性能每班檢測兩次，遇斷層破碎帶或泥頁巖時加密檢測次數，確保泥漿性能隨時滿足鉆進要求。

09－ZD－10331、09－ZD －10333、09－ZD －10334三孔具體泥漿參數和鉆進數據見表3。

表3 后三個鉆孔的鉆進數據

從表3中可以看出，09－ZD－10331、09－ZD－10333、09－ZD－10334三個孔采用了低固相水敏性抑制泥漿體系，有效地控制了泥漿的粘度、密度和失水量，其鉆進效率大幅提高，孔壁的穩定性明顯增強，平均鉆進時效由09－ZD－10330、09－ZD－10332孔的0.25～0.31m/h，提高到09－ZD －10331、09－ZD 10333、09－ZD －10334孔的0.75～0.78m/h，孔內事故率明顯降低。

5 使用水敏性抑制泥漿鉆進的體會

鉆進水敏性地層，一是降低失水量，減輕泥漿濾液對孔壁的破壞;二是在泥漿中加入能使地層巖石中的泥質成分起抑制作用，并提供不使其分散的水基泥漿處理劑。

腐殖酸鉀溶液中的K+進入到粘土晶體的結構中，不易被置換，且能將粘土晶片拉得更近(粘土顆粒帶負電荷)，使水分子不容易進入到粘土晶格中，從而抑制地層中的泥質顆粒水化分散，維持孔壁穩定。

腐殖酸鉀除了具有上述抑制地層泥質顆粒水化分散的作用外，還具有防塌作用，并有一定的降粘效果。所以，腐殖酸鉀在鉆進水敏性地層時，使用較為廣泛。

另外，鉆進水敏性地層時對泥漿的及時檢測和調整、控制尤為重要。粘度、密度、失水量一旦超出控制范圍，必須馬上添加相應泥漿處理劑進行調整，使其參數性能回到設計范圍內。

如果發生孔壁縮徑，導致起、下鉆具遇阻時，唯一的處理辦法(或步驟)是:先保持孔內的泥漿循環，再調整好泥漿的性能參數，最后才能上下竄動鉆具。特別注意的是:提拉一定要控制好力度，切勿拉死鉆具。

6 結束語

水敏性地層深孔鉆進，泥漿性能至關重要。具有抑制性、低密度、低粘度、低切力、低失水性的泥漿能有效保護孔壁穩定，對防止鉆桿內壁結垢以及鉆頭包泥和粘附卡鉆等孔內事故的發生非常有利。

腐植酸鉀作為水基泥漿處理劑，具有防塌、降失水、調節泥漿流變性、抗高溫、抗鈣等良好作用，除了能夠抑制地層泥質顆粒水化分散外，還有防塌作用，并有一定的降粘效果，并且在泥漿配比中用量較小，容易購買，值得推廣。在加量使用上，一定要根據不同的巖性和泥漿測定參數酌情考慮。

［1］馬洪偉．碎石類土地層鉆探的鉆進方法［J］．鐵道勘察，2012(5)

［2］周孟超．探究鐵路工程地質與鉆探的結合［J］．鐵道勘察，2008(6)