钻探施工技术在复杂地层中应用

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摘要：在岩心钻探施工过程中时常会钻遇复杂地层，比如孔壁不稳定，孔内漏水或涌水，软硬互层、蚀变发育的构造带等地层，复杂地层是影响钻探施工的重要因素，当钻遇复杂地层时需要设备、工艺的相互结合及高性能冲洗液的合理运用。本文分析了钻探工艺、冲洗液在处理复杂地层方面的作用，希望能对岩心钻探过程中处理复杂地层时有促进和指导作用。

关键词：复杂地层；钻探施工；冲洗液

复杂地层主要指岩心钻探过程中钻孔漏水或涌水、孔壁不稳定（包括孔内坍塌、掉块、遇水膨胀、遇水分解破碎等）及各种蚀变构造带的地层。钻进复杂地层时容易出现卡钻、埋钻、断钻、烧钻、岩心采取率低、钻孔跑斜、水路不通导致憋泵、钻具磨损严重、钻头寿命低等问题，从而导致施工成本高、钻进时效低、钻孔质量难以满足地质设计要求等问题。随着我单位铀矿找矿工作的逐渐深入，遇到的复杂地层较多，已成为影响我单位钻探施工效率的主要因素，急需有效的解决办法。我单位钻探施工工作区主要地层为花岗岩，在钻进过程均遇到上述复杂地层，反映在施工方面主要有3个问题：一是孔壁不稳定造成的孔内坍塌、掉块及遇水分解造成的钻孔超径导致孔内事故，造成施工无法进行；二是在钻遇蚀变构造带过程中，孔内裂隙较发育，冲洗液损耗大；三是岩心采取率低、钻孔跑斜不能满足地质设计要求。以下就影响复杂地层正常钻进的各种因素进行分析。

1各类复杂地层形成的原因

复杂地层通常是由于岩层本身发生地质构造运动且与外界相互作用而导致的，具体主要分为以下几种情况。

（1）岩性本身引起的复杂地层。构造、蚀变较发育的地层在被冲洗液冲刷和钻具撞击作用下，极易发生破碎及掉块等问题，导致孔壁极不稳定，在钻进过程中，往往导致钻孔超径或缩径，未能及时处理或处理不当，易发生掉钻、卡钻甚至烧钻、埋钻等事故。

（2）溶蚀引起的复杂地层。地下水主要通过溶蚀作用来破坏岩石结构。当坚硬的花岗岩被溶蚀以后，原地层结构存在的溶于水的矿物质被流水带走，最终留下的是不能被水溶解的高岭土与石英颗粒的混合物，在岩心钻探过程中，该类地层发生机械破碎，导致岩心采取率低。

（3）地质运动而引起的复杂地层。地质构造运动时将会产生压力、扭力、剧烈震动等，这些力相互作用就会形成扭性、张扭性等多种断层。如果钻具进入这类地层的破碎区域，通常会出现孔壁大面积坍塌和冲洗液漏失现象。

（4）流水引起的复杂地层。流水会对岩石地层起到冲击或者沉压的作用。比如流沙层以及泥质地层等都是因为沉积所导致的，流失将会造成岩石稳定性降低，牢固性降低，极易引发缩径或坍塌等问题。

（5）风化作用形成的复杂地层。岩石风化将会破坏岩石中颗粒之间的连接力，渐渐使得岩石出现裂隙、松散、断裂等情况，经过长时间的风化与其它作用力的影响极易造成岩石坍塌、掉块等问题。

（6）地层中的矿物岩石引起的复杂地层。一些地层在进行钻进工作时将会使得原有的矿物岩石结构发生变化进而形成复杂地层。加之在后期钻探过程中被反复冲蚀撞击，其稳定性将会严重下降，进而出现破碎等情况，进而产生缩径，严重时会发生孔内事故。

2复杂地层钻进的主要影响因素

一般而言复杂地层钻进的影响因素主要有钻机设备、地层条件、钻探施工工艺、冲洗液的合理运用等，在岩心钻探过程中，应针对不同地层进行分析，协调配合好各方面影响因素，性能先进的设备配合合理的工艺技术及性能良好的冲洗液，往往能取得事半功倍的效果，高效优质的完成钻孔施工任务。

（1）钻探设备。钻机及其它配套设备选型与质量的高低直接关系到复杂地层钻探工作的质量。假如选用的钻机功率较低，额定钻进深度小，在面临复杂地层时就很难调整其转速以及钻压等钻进参数，从而对钻进效率与钻孔质量带来严重影响。

（2）地质条件。复杂地层包含各种蚀变、构造、断裂以及含有砂砾、流沙的地层，这种地层的岩石在强度、硬度以及水化性、弹塑性都存在复杂多变的特点，片理、层理发育，地层（构造）产状变化大，严重阻碍地质钻探施工的顺利进行，比如在岩层倾向较陡，岩石硬度较大时，钻进过程中钻具顺层行进，造成钻孔偏斜。

（3）钻探施工工艺。复杂地层钻探施工质量和效率在很大程度上取决于钻探施工工艺，比如钻进的钻速太快，将会增大回转离心力，进而使得横向振动变大，从而对增大了钻孔直径；如果钻机进入到软弱层，承受压力过大，很容易导致钻杆弯曲，继而造成钻孔弯曲。

3复杂地层中钻探施工技术的应用

3.1钻进方法的选择

钻进方法的确定直接关系着钻探施工的质量与效率，在《地质岩心钻探规程》当中，按照地层硬度等级的不同将地层划分成软、中硬、硬、坚硬四种类型；根据岩层的完整程度可将其划分成完整、较完整、破碎三种。通常在施工期间，主要按照岩石的可钻性与研磨性来初步判定钻头的选型，其方法主要是：对于软、中硬及研磨性弱的岩层,可钻性高,选择硬质合金或者胎体硬度大的金刚石钻头进行钻进，主要施工地层为地表浮土或风化层。

3.2钻孔结构的选择

钻孔结构也是影响钻探质量的关键因素，其对施工成本与工作效率等起着重要的影响作用。所以在确定钻孔结构时，应综合考虑钻孔深度与终孔直径等对钻孔施工质量带来的影响，通过科学判断换径深度与开孔直径，为有效提高施工效率提供保障。

3.3注重改进施工方法

在实际的钻探施工过程中，需在原有钻孔技术的基础上，不断改进生产技术，以为更好的钻探施工提供有力保障。其改进方法主要包含以下两点。

（1）钻孔结构的改进。比如我所在汝城项目某孔的钻探施工当中进行了钻孔结构的改进与优化，将以往的“三级套管、四级口径”经过改进成为了“四级套管、五级口径”的钻孔结构。其具体的操作方法为；首先使用直径150mm口径钻孔，在完成第四系土层钻进工作以后，设置直径146mm的套管，其管深控制在16mm~20mm范围内；其次再以130mm口径穿过浅部风化软弱地层，并在此设置127mm的套管，以便完全隔离风化软弱层。

（2）改进冲洗液。常用的护壁冲洗液有泥浆和无固相冲洗液，泥浆的护壁机理是在钻进过程中在孔壁表面形成泥皮护壁，泥皮是依靠钻具内液柱压力与地层侧压力之间的压差压滤作用形成；无固相冲洗液的护壁机理主要靠高分子聚合物吸附胶结护壁，聚合物能够在岩层表面及深入到岩层空隙中吸附产生胶结。二者护壁机理不同，应根据不同地层性质选用。

①选材：200目膨润土；高效S系列植物胶；工业火碱；优质皂化油。

②配制比例：水：膨润土：植物胶：皂化油=100kg：（4-6）kg：（5-8kg）:1.5kg。

③配制要求：配置前，先加火碱将水的ph值调整为10~11，其次分别加入膨润土及植物胶粉搅拌充分后，最后加入皂化油，控制配制好的冲洗液漏斗黏度27s~32s。

④优点：根据实际使用情况，这种植物胶泥浆具有泥浆和无固相冲洗液的双重优点，既能形成泥皮护壁，又对岩石有胶结作用。

⑤缺点：由于该冲洗液性能参数约为密度1.03g/cm3~1.05g/cm3,黏度27s~32s，失水量≤12ml/30min，固相含量≤0.4%，润滑系数0.20~0.23，导致阻力大，泵压高，所以在使用这种冲洗液时，要选用外径大的钻头和扩孔器，经过实际使用经验，一般直径大于外管3mm左右。此外对于堵漏技术的处理，应根据地层的漏失情况合理进行优化改进，可以通过添加磺化沥青等惰性材料来减少冲洗液的流失量。

3.4钻探施工技术在几种复杂地层当中的具体应用

（1）钻探施工技术在流水、风化以及矿物岩石引起的复杂地层中的应用。由于这种类型的复杂地层本身就属于弱胶结的地层，岩石中颗粒间的胶结程度比较低，在对这种类型地层进行钻探施工时，对钻具下钻的位置与速度一定要掌控好，防止由于压力激增而引起孔壁掉块或断裂。选用的冲洗液也应具有较高的黏度，这样在孔壁破碎的岩石就可以很好的胶结在一起，提高了岩石的粘结力度。在钻进破碎程度较大的地层时，需要提前向地层中注入具有堵塞、胶结作用的物质，以便将松散、破碎的岩石粘结在一起，以提高钻孔表面岩石的稳定度，在岩石的强度达到一定标准以后便能重新进行钻探。

（2）钻探技术在地质运动引起的复杂地层中的应用。在地质运动引起的复杂地层中钻探的难点在于断泥层或者构造碎裂岩的出现。钻进这种地层时主要面临三个问题：首先由于断泥层或构造碎裂岩地段的岩层长期处于高应力状态，在钻具通过以后，岩层内以往的平衡状态就会被打破，在应力和冲洗液冲蚀的作用下，将会产生塑性流动，进而出现掉钻、卡钻或者缩径等问题；其次由于断泥层当中通常存有黏土矿物，极易吸水膨胀，也会导致卡钻、缩径。

（3）钻探技术在溶蚀引起的复杂地层中的应用。对于这种复杂地层钻进施工时经常会面临泥浆流失量大，无法反浆。这是因为地层中存有裂隙，冲洗液沿着裂隙渗入地层。

4结语

复杂地层的钻进施工条件恶劣，对施工工艺和操作人员水平要求均较高，目前没有一种万能的办法解决所有类型的复杂地层，但有几项措施对任何情况下的钻探施工均是有利的：一是尽可能选用性能优越的钻探设备；二是配套设备的优选及钻头的合理选型，应选用高强度钻杆，尽量避免断钻带来的问题，合理根据不同地层对钻头进行选型，提高钻探时效，减少提钻次数。以上是笔者对岩心钻探复杂地层治理技术的一些认识和经验，希望对解决复杂地层钻进问题有所帮助。

参考文献

[1]朱益明，张军，胡飞，等.许家咀矿区复杂地层钻探施工技术方法改进[J].资源环境与工程，2014，28（3）：293-296.

作者:徐勇 单位:核工业二三〇研究所