鉆探施工技術在復雜地層中的應用

徐 勇

（核工業二三〇研究所，湖南 長沙 410000）

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

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主要地層為花崗巖，在鉆進過程均遇到上述復雜地層，反映在施工方面主要有3個問題：一是孔壁不穩定造成的孔內坍塌、掉塊及遇水分解造成的鉆孔超徑導致孔內事故，造成施工無法進行；二是在鉆遇蝕變構造帶過程中，孔內裂隙較發育，沖洗液損耗大；三是巖心采取率低、鉆孔跑斜不能滿足地質設計要求。以下就影響復雜地層正常鉆進的各種因素進行分析。

1 各類復雜地層形成的原因

復雜地層通常是由于巖層本身發生地質構造運動且與外界相互作用而導致的，具體主要分為以下幾種情況。

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

（2）溶蝕引起的復雜地層。地下水主要通過溶蝕作用來破壞巖石結構。當堅硬的花崗巖被溶蝕以后，原地層結構存在的溶于水的礦物質被流水帶走，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，該類地層發生機械破碎，導致巖心采取率低[1]。

（3）地質運動而引起的復雜地層。地質構造運動時將會產生壓力、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域，通常會出現孔壁大面積坍塌和沖洗液漏失現象。

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

（5）風化作用形成的復雜地層。巖石風化將會破壞巖石中顆粒之間的連接力，漸漸使得巖石出現裂隙、松散、斷裂等情況，經過長時間的風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構發生變化進而形成復雜地層。加之在后期鉆探過程中被反復沖蝕撞擊，其穩定性將會嚴重下降，進而出現破碎等情況，進而產生縮徑，嚴重時會發生孔內事故。

2 復雜地層鉆進的主要影響因素

一般而言復雜地層鉆進的影響因素主要有鉆機設備、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，應針對不同地層進行分析，協調配合好各方面影響因素，性能先進的設備配合合理的工藝技術及性能良好的沖洗液，往往能取得事半功倍的效果，高效優質的完成鉆孔施工任務。

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

（2）地質條件。復雜地層包含各種蝕變、構造、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、彈塑性都存在復雜多變的特點，片理、層理發育，地層（構造）產狀變化大，嚴重阻礙地質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。復雜地層鉆探施工質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，很容易導致鉆桿彎曲，繼而造成鉆孔彎曲。

3 復雜地層中鉆探施工技術的應用

3.1 鉆進方法的選擇

鉆進方法的確定直接關系著鉆探施工的質量與效率，在《地質巖心鉆探規程》當中，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化層。

3.2 鉆孔結構的選擇

鉆孔結構也是影響鉆探質量的關鍵因素，其對施工成本與工作效率等起著重要的影響作用。所以在確定鉆孔結構時，應綜合考慮鉆孔深度與終孔直徑等對鉆孔施工質量帶來的影響，通過科學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，需在原有鉆孔技術的基礎上，不斷改進生產技術，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）鉆孔結構的改進。比如我所在汝城項目某孔的鉆探施工當中進行了鉆孔結構的改進與優化，將以往的“三級套管、四級口徑”經過改進成為了“四級套管、五級口徑”的鉆孔結構。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，設置直徑146mm的套管，其管深控制在16mm～20mm范圍內；其次再以130mm口徑穿過淺部風化軟弱地層，并在此設置127mm的套管，以便完全隔離風化軟弱層。

（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，泥皮是依靠鉆具內液柱壓力與地層側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護壁，聚合物能夠在巖層表面及深入到巖層空隙中吸附產生膠結。二者護壁機理不同，應根據不同地層性質選用。

①選材：200目膨潤土；高效S系列植物膠；工業火堿；優質皂化油。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優點：根據實際使用情況，這種植物膠泥漿具有泥漿和無固相沖洗液的雙重優點，既能形成泥皮護壁，又對巖石有膠結作用。⑤缺點：由于該沖洗液性能參數約為密度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0.20～0.23，導致阻力大，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，經過實際使用經驗，一般直徑大于外管3mm左右。

此外對于堵漏技術的處理，應根據地層的漏失情況合理進行優化改進，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 鉆探施工技術在幾種復雜地層當中的具體應用

（1）鉆探施工技術在流水、風化以及礦物巖石引起的復雜地層中的應用。由于這種類型的復雜地層本身就屬于弱膠結的地層，巖石中顆粒間的膠結程度比較低，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在一起，提高了巖石的粘結力度。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、膠結作用的物質，以便將松散、破碎的巖石粘結在一起，以提高鉆孔表面巖石的穩定度，在巖石的強度達到一定標準以后便能重新進行鉆探。

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

（3）鉆探技術在溶蝕引起的復雜地層中的應用。對于這種復雜地層鉆進施工時經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 結語

復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越的鉆探設備；二是配套設備的優選及鉆頭的合理選型，應選用高強度鉆桿，盡量避免斷鉆帶來的問題，合理根據不同地層對鉆頭進行選型，提高鉆探時效，減少提鉆次數。以上是筆者對巖心鉆探復雜地層治理技術的一些認識和經驗，希望對解決復雜地層鉆進問題有所幫助。