紅層鉆探施工中護(hù)壁堵漏泥漿的選取

趙留華，張成楠，張 準(zhǔn)

（1.云南省有色地質(zhì)局楚雄勘查院，云南楚雄675000；2.云南國土資源學(xué)院，云南昆明650000；3.云南省有色地質(zhì)局勘測設(shè)計院，云南昆明650000）

1 概述

紅層以白堊系和侏羅系陸相碎屑沉積巖及少量古近系地層為主。紅層因以泥巖、粉砂巖和砂巖的可鉆性一般為4～7級，鉆探相對較容易；長久以來因泥質(zhì)巖類系隔水層，不易引起廣大鉆探工作者的高度注視；20世紀(jì)60～70年代，先輩們在找礦過程中因施工器具限制而采用的鉆探方法極為簡單，導(dǎo)致鉆探質(zhì)量較差；再經(jīng)20世紀(jì)90年代地質(zhì)工作的蕭條，鉆探工作者的斷代，使后來的鉆探工作者經(jīng)驗(yàn)不足，照搬過去礦區(qū)鉆探經(jīng)驗(yàn)，多采用清水鉆進(jìn)，造成頻繁出現(xiàn)孔內(nèi)事故導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。以云南某新建鐵路隧道深孔施工為例，地層結(jié)構(gòu)為上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層粉質(zhì)粘土、細(xì)角礫土或粗角礫土；下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)壩注路組泥巖夾粉砂巖及鈣質(zhì)礫巖、砂巖，中統(tǒng)花開左組泥巖夾泥灰?guī)r、粉砂巖、石英砂巖，下統(tǒng)漾江組泥巖夾砂巖、粉砂巖，三疊系上統(tǒng)麥初箐組砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖及褐煤線等。隧道5號孔（孔深730m）在鉆孔上部地層采用清水鉆進(jìn)，到280m時遇到孔內(nèi)坍塌、掉塊、漏失，開始使用泥漿進(jìn)行堵漏，結(jié)果多數(shù)堵漏不成功，造成鉆孔質(zhì)量差、效率低、鉆進(jìn)成本高，個別甚至導(dǎo)致鉆孔報廢，在泥巖與砂巖分界線上，接連出了3次事故，施工時間前后花了近一年時間；2號孔（160m）因雨季道路不通，泥漿材料不到位，鉆進(jìn)到90m時采用了清水鉆進(jìn)，導(dǎo)致該孔施工時間花了3個月。

2 紅層形成復(fù)雜地層的機(jī)制

紅層主要由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、長石砂巖、石英砂巖等碎屑沉積巖組成，礦物成分主要由高嶺石、水云母、蒙脫石等粘土礦物和長石、石英、云母等碎屑礦物組成、含少量綠泥石、綠簾石等后生礦物及鐵錳質(zhì)和有機(jī)質(zhì)。上述巖層具備工程性質(zhì)較差的特征，其中粘土礦物具有極強(qiáng)的親水性，易形成層間軟弱帶、層間擠壓帶，以至于斷層；粘土礦物含量高，巖體軟，親水性強(qiáng)，抗風(fēng)化能力越弱，反之則強(qiáng)。

主導(dǎo)地位的泥巖巖性軟弱，固結(jié)性差，逆變性強(qiáng)，呈厚層狀，碎片、碎石狀，強(qiáng)度低、軟化系數(shù)低，遇水軟化，在內(nèi)外動力地質(zhì)作用影響下形成較厚的軟弱泥化夾層，穩(wěn)定性極差。強(qiáng)風(fēng)化泥巖結(jié)構(gòu)松散，整體性差，裂隙發(fā)育，抗剪強(qiáng)度低。巖性組成雖以泥巖為主但間夾砂巖，巖層在受構(gòu)造影響后，因砂巖性脆，泥巖性柔，導(dǎo)致砂巖破碎，形成透水層。砂巖、泥巖間的層面形成層間軟弱結(jié)構(gòu)面或?qū)娱g擠壓帶；砂巖裂隙發(fā)育形成的破碎帶。

紅層鉆進(jìn)過程中，如若采用漿液技術(shù)不當(dāng)，常常會引起井壁坍塌垮孔、埋鉆、嚴(yán)重漏失、涌水等各種事故，而停鉆處理。因此紅層施工鉆探往往鉆孔質(zhì)量差、效率低、鉆進(jìn)成本高，有時候甚至導(dǎo)致鉆孔報廢。

3 漿液的功用

漿液在鉆孔中的沖洗液介質(zhì)又稱鉆探的“血液”一旦鉆孔中沖洗液介質(zhì)停止循環(huán)或選擇不當(dāng)時就會發(fā)生燒鉆，鉆進(jìn)時被破碎的巖粉不能及時排出孔外，甚至不能進(jìn)尺，同時還會發(fā)生孔壁坍塌夾埋鉆具等一系列孔內(nèi)事故，因此正確選擇和合理使用沖洗液介質(zhì)是提高鉆探效率和降低鉆探成本的必要手段。鉆孔沖洗液介質(zhì)的主要功用有冷卻鉆頭、清洗孔底、保護(hù)孔壁、潤滑鉆具等功能。

4 漿液的選取

優(yōu)質(zhì)膨潤土的選取：一般鈉質(zhì)膨潤土的造漿性能比鈣質(zhì)膨潤土要好，但我國的膨潤土一般以鈣質(zhì)膨潤土為主，我公司采購的膨潤土為湖南省常德醴縣膨潤土廠。生產(chǎn)的一級鈉基膨潤土，具有良好的造漿率其造漿率不小于16m3/t。濾失量不大于15mL/30min。鈉土所含水分濕度不大于10%。濕篩分析200目篩余不大于4%，鈉土是基礎(chǔ)配漿材料之一，適用于淡水和礦化度小于20g/L的咸水鉆井液也可作為降濾失劑、增粘劑和堵漏劑。

聚丙烯酰胺PHP的選取：聚丙烯酰胺根據(jù)分子量的不同分為：PHP2000萬分子量；PHP1600萬分子量；PHP1200萬分子量；通過單位泥漿工程師室內(nèi)試驗(yàn)選擇的聚丙烯酰胺為江西省萍鄉(xiāng)市江燕礦山設(shè)備材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯酰胺PHP1600萬分子量的比較適用。

植物膠選取：江西省萍鄉(xiāng)市江燕礦山設(shè)備材料有限公司生產(chǎn)的牌植物膠XC，其中包括XM型、XT-1型植物膠進(jìn)行試驗(yàn)，我單位采用的是XC型植物膠。鈉土與植物膠8:3的比例混合均勻后，加入片堿配成的水溶液攪拌20分鐘即可。

5 外加劑選取

適量的純堿可改善泥漿的性能，但加入過量的純堿會產(chǎn)生壓縮雙電層的聚結(jié)作用，而影響泥漿性能。

燒堿（NaOH）加入后，可促進(jìn)植物膠中的蛋白質(zhì)分解為氨基酸，氨基酸中氨基為強(qiáng)吸附基，可增強(qiáng)對孔壁的吸附作用，提高漿液的護(hù)壁效果。外添加濟(jì)有，高粘羧甲基纖維素800～1000粘度、磺化瀝青粉、防塌潤滑劑、護(hù)壁王、成膜劑X-A。

最后確定的護(hù)壁漿液優(yōu)化配方為：7.5%膨潤土+0.3%高效植物膠+0.3%護(hù)壁王+0.25%成膜劑X-A。

該漿液配方性能：比重1.03g/cm3、漏斗粘度30s、pH值10、膠體率100%、失水量11mL/30m、泥皮厚度0.8mm。

使用后效果：松散巖層、紅層使用次低固相泥漿后鉆孔穩(wěn)定性好，返漿基本正常且?guī)r芯采取率達(dá)90%。

6 護(hù)壁堵漏漿液的應(yīng)用

通過該沖洗液配方的現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)，對林保山隧道其他鉆孔的實(shí)際應(yīng)用，除2號、5號孔外，1～8號孔均順利終孔，實(shí)現(xiàn)良好的生產(chǎn)效益，證明了該沖洗液配方很好地解決了破碎坍塌、水敏性地層、不易取芯等紅層鉆進(jìn)的問題，現(xiàn)場配制方便，減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生率，且對人體環(huán)境無污染。該護(hù)壁沖洗液的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）護(hù)壁防塌性能好，在1、3、4、6、7、8號孔內(nèi)鉆探試驗(yàn)，未出現(xiàn)嚴(yán)重的垮孔事故，未影響鉆進(jìn)效率，說明該沖洗液防塌性能好，滿足了實(shí)際的鉆探工作需要。

（2）抑制水敏性地層，在該鉆孔內(nèi)，巖層較多為水敏性地層，但未出現(xiàn)鉆孔縮徑及埋鉆事故，體現(xiàn)了該沖洗液很好地抑制了水敏性地層。

（3）優(yōu)良的攜帶巖屑和懸浮巖粉的作用，在鉆探過程中，孔底基本保持潔凈，說明該沖洗液具有較好的剪切稀釋作用，攜帶巖屑和懸浮巖粉效果好。

（4）巖芯質(zhì)量好、采取率高，該沖洗液具有護(hù)芯作用，所采取的巖芯基本保持原狀，層位清晰，特別是較好地采取了巖芯。

（5）減振潤滑效果好，鉆機(jī)鉆速可以開到高速，鉆進(jìn)仍很平穩(wěn)，減少了對機(jī)械的破壞，延長了鉆機(jī)鉆具的壽命，大大地提高了鉆進(jìn)效率。

7 結(jié)語

通過對林保隧道鉆孔施工實(shí)際使用對漿液有了一個更新的認(rèn)識，對泥漿處理劑的配比和處理劑的調(diào)配需要根據(jù)地層的實(shí)際情況來調(diào)配和使用。雖然在各種漿液材料上投入費(fèi)用多一些，但是通過合理的漿液調(diào)配可以提高鉆探施工的效率，減少鉆孔垮塌，對鉆孔正常鉆進(jìn)中的鉆具有良好保護(hù)作用，設(shè)備及井內(nèi)的噪音也大大地降低，護(hù)壁作用效果明顯，保證巖芯基本保持原狀，層位清晰，特別是較好地提高巖芯采取效率，對順利結(jié)束鉆孔有良好作用。在地勘事業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，我們要與時俱進(jìn)，不斷使用新技術(shù)、新工藝、新材料，大膽創(chuàng)新來適應(yīng)新形勢的發(fā)展。

[1] 有色金屬地質(zhì)鉆探管理暫行規(guī)定巖芯鉆探技術(shù)規(guī)程[R].中國有色金屬工業(yè)總公司，1991.

[2] 武漢地院五院校.鉆探工藝學(xué)[M].地質(zhì)出版社，1979.

[3] 曾祥喜，陳志超.鉆孔護(hù)壁堵漏原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1986.