地質鉆探中坍塌破碎地層鉆進護壁方法初探

白閏平 谷宏海 劉海宇

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

工業化帶來了人類的現代文明，而現代工業化的基礎是各類能源，如：石油、煤、天然氣、鐵等。各種能源礦床的勘探離不開地質鉆探。因此，地質鉆探對現代工業化的進程起著非常重要的作用。

在坍塌破碎巖層中開展地質鉆探是一個難點，例如：坍塌破碎層中的巖塊脫落造成卡鉆等，嚴重影響鉆探工作的開展，甚至造成鉆具無法從地層中提取，造成鉆孔和鉆具的廢棄，給鉆探工作帶來非常巨大的經濟損失。

據統計，鉆探行業內鉆孔的護壁成本占總成本的20%，占單孔成本的30%，隨著鉆探技術的發展，鉆探深度在不斷加深，鉆探區域也從陸地向海洋發展，護壁成本仍然在攀升中[1-5]。

歸納當今國內外的護壁措施，簡單分為兩種情況：物理措施方面和化學措施方面。物理措施主要就是運用套管來達到護壁的要求，化學措施就是使用各種漿液和沖洗液來保證孔內的潤滑和粘稠度。目前，化學措施方面已經發展了近一個世紀，相對比較成熟?？墒俏锢泶胧┓矫?，僅有套管這個措施比較常用，急需提出新的物理措施來滿足日益增長的鉆探護壁要求[6-11]。

筆者將提出一套物理措施和化學措施相結合的新型鉆孔護壁方法，文中主要從物理措施和化學措施兩個方面著手來分析該鉆孔護壁方法。

2 物理措施

鉆探護壁方法的主要思路為：當鉆探中遇到坍塌破碎巖層時，將本方法中發明的裝置放入坍塌破碎巖層的鉆孔中，高壓噴射漿液到孔壁，通過漿液凝固來達到護壁的作用。漿液噴射裝置示意圖，見圖1。

圖1中，噴射裝置上部的橡膠塞作用是分隔鉆孔中膠塞上部空間和下部空間，以便于將膠塞下部空間的水體抽出。圖1中，噴射裝置下部的反向鉆頭是為了便于將漿液噴射裝置提出鉆孔，在從孔中提出該裝置時，下方的反向鉆頭將處于旋轉中，達到反向修孔的效果。

3 化學措施

目前，國內外主要的護壁方式，是在鉆探作業中加入各類鉆探泥漿和沖洗液，來起到護壁作用。國外鉆探泥漿和沖洗液的研究和發展比較早，已有數百家沖洗液公司、化學公司及鉆井公司為石油鉆探、水井鉆探、巖心鉆探、工程鉆探提供泥漿材料和沖洗液。每年將近有2 000多種沖洗液在World Oil雜志刊登，而且這些材料均實現了大規模的商業化生產[8-10]。

各種粘土沖洗液被廣泛的使用，如瓜爾豆膠、生物聚合物、徑乙基纖維素、海藻膠為基本原料，同時對紊流減阻液也進行了研究。目前，俄羅斯在新型護壁材料的研究中走在世界前列，已成功開發出多種速凝、高強度和高膨脹性能的特種水泥。此外，速凝混合漿液和水泥聚合物漿液，在護壁中的應用也均取得了很好的效果[11-14]。

20世紀40年代，我國使用的護壁材料主要是普通硅酸鹽水泥漿液，以后逐漸開始使用泥漿與水泥按一定比例配制的膠質水泥漿。20世紀50年代和60年代，開始使用凍膠泥漿、纖維漿、快干水泥漿和油井水泥等作為鉆孔的護壁材料。近些年，對改變水泥性能的各種添加劑研究較為廣泛，如早強劑、減水劑、比重降低劑等，如FA水泥減重劑，可使水泥漿比重降低到1.25～1.40左右?，F在，我國也已研制出既保證有足夠流動度，而凝結時間又較短的復合速凝劑，這些水泥的外加劑可以很大程度的調節水泥的特性，以滿足各種護壁工作的要求[15-17]。

隨著化工技術的不斷發展，目前可供選擇的漿液范圍越來越廣泛。可是，水泥仍然是一種比較好用的護壁漿液，而且成本低廉。

本文護壁方法中的化學措施主要難點在于，依據護壁漿液的凝固特性和漿液的物理特性，選擇可靠的漿液，漿液的選擇要視鉆孔所處狀況而定。

4 結語

該方法主要包括兩個部分：第一部分為噴漿設備的發明；第二部分為漿液的選擇。圖2為該方法的技術要點圖。

該鉆進護壁方法可以簡單介紹如下：噴漿設備的噴頭為表面布滿孔的柱狀圓筒，在噴頭的末尾帶有橡膠塞，該橡膠塞的主要作用為密封噴頭長度范圍內的鉆孔，隔離鉆孔中橡膠塞上下兩端的水體。待噴漿設備放入孔底后，開始給橡膠塞加壓，讓其與孔壁緊緊壓在一起，然后將橡膠塞下端的水抽出，保證橡膠塞下端孔內無水，再從孔口高壓泵送漿液到孔底，并從噴漿設備的噴頭噴出，噴出的漿液附著在鉆孔的孔壁，待漿液凝固，即可保證孔壁的碎巖塊不落入孔中，從而達到護壁的效果。

本文初步探討了一種新型的地質鉆探鉆孔護壁方法，筆者在后續的研究中會不斷的加以完善。