茍家套復雜地層深孔鉆探沖洗液技術的應用

倫辛濤　王建偉（華北地質勘查局第四地質大隊　秦皇島　066012）

茍家套復雜地層深孔鉆探沖洗液技術的應用

倫辛濤王建偉
（華北地質勘查局第四地質大隊秦皇島066012）

深孔復雜地層鉆進歷來是鉆探施工中的一大難題，復雜地層深孔鉆探中沖洗液的運用作為一種動態技術，隨著地層的不同，對于新材料的運用也有所不同。本文通過對沖洗液性能和作用以及不同地層沖洗液種類選擇的研究與分析，并應用于昌黎茍家套深孔鉆探項目的施工。沖洗液的性能達到了預想的效果，降低了濾失量，改善了泥皮質量，并具有抑制水敏降低失水量的能力，有效地防止了孔內事故的發生，同時也降低了成本，提高了效率，保證了鉆探工作的安全順利進行。

復雜地層沖洗液分類功用選擇

河北昌黎茍家套深孔鉆探項目是河北省國土資源廳地勘處組織實施的昌黎縣茍家套航磁異常查證項目，該項目共設計1個地質鉆探孔，設計孔深1 500m，直孔，工期時間為一年。實施該深孔取心鉆探其目的是對該航磁異常區進行深部驗證，查明航磁異常是否由磁鐵礦體引起，若為磁鐵礦體引起，根據所取巖心，大致了解礦體的空間分布狀態，規模、產狀及礦石質量等，為礦區普查提供基礎地質資料。

1　昌黎茍家套查證區自然地理及區域地質

1.1查證區自然地理概況

查證區位于河北省昌黎縣新集鎮茍家套村南，隸屬茍家套村管轄，屬平原區。查證區南起灤河，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。

本區屬半濕潤大陸性氣候。無霜期平均是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，年均日照時數達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。查證區北距京山線九龍山火車站和205國道約20km，有鄉級公路與之相通，交通十分方便。

1.2查證區區域地質概況

查證區位于中朝準地臺（Ⅰ2）燕山臺褶帶（Ⅱ22）山海關臺拱（Ⅲ28）西與開灤臺凹（Ⅳ228）相接處。區域范圍內出露地層不齊全，礦區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，厚約800m，主要為河床、河漫灘沖洪積砂礫層、卵石層及粘土層，區內第三系地層為沙河街組，厚度約700m，主要巖性為中細粒長石巖屑砂巖、泥巖、杏仁狀玄武巖及鎂質碳酸巖化凝灰巖。

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

1.3鉆探施工技術難點

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

第四系以下地層巖石巖性中等-偏弱，可鉆性等級6～7級，推測受斷層構造的影響，該地層較為破碎，且裂隙較發育，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。

查證區內鉆探施工對沖洗液的選用要求較為嚴格，要根據鉆遇的不同地層，選用合適的沖洗液，以達到既能最大限度的排出巖粉，又能護壁堵漏，最大程度做好孔壁維護，因此，必須根據地層情況，選用合適的沖洗液。鉆遇破碎地層時，沖洗液護壁較難，施工難度較大。

2　鉆孔結構及設備配備

2.1鉆孔結構設計

該查證區地層情況極為復雜，根據查證區地質地層條件和地質設計，為保證鉆孔順利完成，本鉆孔設計采用多級鉆孔結構，其目的在于多級套管護壁和控制孔斜。

首先，采用Φ70硬質合金鉆頭開孔，鉆進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困難；然后采用Φ150金剛石鉆頭鉆進至350m左右，下Φ146套管；之后采用Φ130金剛石鉆頭取心鉆進至630m左右，下Φ127套管；之后采用Φ 110金剛石鉆頭鉆進至720m，下Φr108套管；之后采用Φ95金剛石鉆頭鉆進至830m左右，下Φ89套管，至此，鉆孔穿過第四系地層，采用多層套管目的在于防止鉆孔坍塌、維持孔壁穩定、控制鉆孔偏斜。最后采用Φ75金剛石繩索取心鉆進至1 500m終孔。

圖1　鉆孔結構

2.2鉆探設備配備

該鉆孔所在查證區位于河套內，地表土地沙化嚴重，第四系中砂土層覆蓋較厚，且砂礫層、卵石層極不穩定，故鉆孔設計采用多級套管結構。該鉆孔開孔口徑大，鉆井深度深，第四系砂層厚且夾雜破碎地層，因此，在選用鉆機等設備時要充分考慮各個影響因素。表1為本鉆孔施工選用的主要鉆探設備。

表1　主要鉆探設備

3　鉆進工藝

3.1鉆井方法

根據該查證區地質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，鉆孔結構設計為多級鉆孔結構，由于第四系地層含砂層較厚，地層松軟、破碎，裂隙較為發育，因此利用多層套管結構提高鉆孔穩定性。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

本鉆孔開孔為Φ170mm大口徑開孔，且地層較軟，選用硬質合金鉆頭，鉆過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。實際鉆進過程中，實時觀測鉆頭磨損情況，并判斷地層情況，及時更換合適的鉆頭，以提高鉆進效率和巖心采取率。

3.3鉆進技術參數

根據選用的鉆機鉆進能力，以及地層情況、口徑、深度、鉆頭類型等，合理選擇鉆進參數。根據鉆進地層的巖石特性，及時調節鉆壓、轉速、泵量，得到最優鉆進效率。

3.4礦區地層對沖洗液性能要求

（1）礦區地層含有砂土層，砂土層較松軟，鉆進該地層時，孔內砂土、砂礫產生量多，沖洗液應具有較好的攜粉、屑能力；

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

（3）鉆遇水敏地層時，為防止水敏地層遇水膨脹，要求沖洗液失水量較低；

（4）礦區地層中破碎蝕變巖、砂礫巖厚度大，為保證每級套管下放位置準確，沖洗液應具有良好的膠結護壁和防塌能力；

（5）因鉆孔深且復雜地層交互多，鉆孔坍塌和漏失情況時有發生，要求沖洗液具有較好的可調節性。

（6）深孔鉆進阻力較大，這要求沖洗液有一定的潤滑減阻作用。

3.5沖洗液配方的選擇

根據不同地層巖性以及鉆進工藝對沖洗液的要求，該孔沖洗液使用共分為三個階段。第一階段為790m以上的第四系未膠結或膠結很差的松散覆蓋層，該階段使用單管鉆進，不需要巖心，采用優質泥漿作為沖洗液；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、泥質和碳質頁巖層、吸水剝裂地層等，使用繩索取芯鉆進，采用PAB無固相聚合物沖洗液；第三階段為1 250m以后，巖石相對完整，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，地層結構復雜，在鉆進不同地層時應選用不同性能的泥漿。

（1）鉆進砂、礫層時使用的泥漿。在砂層、礫石、卵石以及破碎帶地層中鉆進，由于顆粒之間膠結程度低，鉆進時孔壁很容易發生坍塌，加大施工難度。對于解決這類地層中泥漿護壁困難等問題，關鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結力。粘性較大的泥漿適當滲入孔壁中，可以明顯加強砂石、礫石之間的膠結力，以增強孔壁的穩定性。泥漿配方見表2。

表2　鉆進粘土、泥頁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）鉆進粘土、泥頁巖時使用的泥漿。在粘土、泥頁巖中鉆進時，經常遇到的問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沖洗液中的水時，即發生吸水、膨脹、分散等情況。解決這類問題的方法，使用無機鹽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定。泥漿配方見表3。

表3　鉆進粘土、泥頁巖時使用的泥漿配方表

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。在鉆進砂土、粘土、泥頁巖地層時，泥漿的性能會隨著泥砂成分的浸入變化，泥漿中含砂量過高，不僅會造成水泵、鉆具和鉆頭的嚴重磨損，而且還會使泥皮厚而松，滲透性大，失水量大，甚至出現泥皮垮塌，造成卡、埋鉆事故。因此，在鉆進工程中，必須做好泥漿的凈化工作，施工現場采用了旋流除砂器對泥漿進行機械處理。在大段水敏性復雜地層中鉆進，即使機械可以清除大部分泥砂成分，也仍會有相當多的泥砂質成分混入泥漿，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。應及時使用稀釋劑、降失水劑、絮凝劑等進行維護，使泥漿性能保持在規定范圍內。泥漿通過水敏性復雜地層時，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，但泥皮增厚的趨勢卻無法阻止，因此，當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無固相沖洗液使用

PAB為高分子聚合物鉆探護壁材料，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粉主要為化學材料構成的交聯劑。聚乙烯醇是一種長分子鏈的高分子材料，因其吸附速度快、強度大等特點廣泛應用于涂料行業，在PAB沖洗液中，聚乙烯醇等高分子材料通過交聯劑鏈接后形成網狀結構，在孔壁上吸附成網、成膜速度快，膠結性強，具有很好的護壁性能。

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后全部分解為細顆粒狀，而泡在PAB沖洗液中的巖石相對比較完整（圖3），由此可見PAB沖洗液在該地層具有良好的護壁效果。

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，孔內鉆桿增長，摩擦阻力增大，鉆桿磨損加快，鉆機負荷增大，而且難以提高轉速以適應金剛石鉆進的需要，還容易造成斷鉆桿等孔內事故。因此沖洗液中加入切削膏作為潤滑劑，能有效降低摩擦阻力，減小回轉阻力，同時也可以減少動力和材料消耗，延長鉆具壽命。

4　施工中遇到的困難及處理方法

4.1施工過程中遇到的困難

（1）在施工過程中，多個層段發生不同程度的涌水、漏井情況。

（2）鉆進至617m處時，發生井壁縮徑、卡鉆、埋鉆事故。

（3）鉆遇破碎地層時，鉆孔漏失嚴重，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，一般采用頂涌鉆進方法，控制好泵壓、鉆壓及轉速，減少涌水對孔壁的沖刷破壞。鉆遇漏失地層時，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鉆具鉆進至617m時，發生了縮徑、埋鉆事故。對于埋鉆，要及時采取措施處理，避免拖延。本次采用Φ130mm擴孔鉆頭及時進行擴孔，將Φ110mm鉆具套出，并及時用泥漿進行孔壁堵漏維護。

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

5　結語

（1）沖洗液性能對深孔復雜地層鉆進有重要影響。根據施工礦區的具體地層情況及時調節沖洗液的性能，這樣沖洗液能較長時間的維持孔內穩定，提高深孔鉆進效率。

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

（3）PAB無固相沖洗液初次使用，當鉆至蝕變帶時因吸附速度快有效成分消耗快，適時對沖洗液進行測定和調試，并及時補充新配制的PAB沖洗液，使其保持良好的性能，充分發揮其護壁的優越性。

（4）對于茍家套深孔復雜地層鉆探，破碎帶較厚，且破碎情況嚴重，護壁困難，回轉阻力大、易卡鉆，鉆頭壽命短，這樣對沖洗液的性能提出了更高的要求。要勇于調試和嘗試使用不同調配比例、不同沖洗液材料的沖洗液，對復雜地層鉆進具有重要意義。

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收稿：2016-04-15

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