深孔復雜地層鉆進護壁技術

何東 王永尚 馮航 王冠軍 林俊宇

摘要：深部找礦對給鉆探技術提出了十分高的要求。伴隨鉆孔的加深，施工周期的延長，孔內通常會越來越復雜，施工難度會越來越大。在深孔復雜地層開展鉆探更是如此，護壁技術是重中之重。文章通過分析深孔復雜地層鉆探的難點、闡述深孔復雜地層鉆探對沖洗液的要求，對不同地層的護壁技術、護壁作用機理及沖洗液護壁效果展開探討，旨在為相關人員基于深孔復雜地層鉆探的難點、闡述深孔復雜地層鉆探對沖洗液的要求的深孔復雜地層鉆進護壁技術研究適用提供一些思路。

關鍵詞深孔；復雜地層鉆進；護壁技術

引言

于深孔復雜地層鉆探中，地層破裂壓力、坍塌壓力受泥漿極大程度影響。當地層、泥漿接觸形成濾失后，會與孔壁上形成薄、韌及低滲透的泥皮將底層隔離，一方面可阻止泥漿中自由水朝地層滲透，一方面能夠使地層水化、水敏速度放緩，進一步提升鉆孔井壁膠結水平，達到避免鉆孔掉塊、坍塌，提升孔壁穩定性的目的。由此可見，對深孔復雜地層鉆進護壁技術展開研究有著十分重要的現實意義。

1.深孔復雜地層鉆探的難點

（1）深孔復雜地層穩定性不足，護壁難度大。復雜地層鉆進過程中，伴隨鉆孔逐步加深，地層會變得越來越繁雜，鉆進時間變得越來越長，孔壁穩定性也會變得越來越不足。換而言之，深孔復雜地層鉆進，對其孔壁予以保護當屬重中之重，務必要對應好護壁問題。

（2）回轉阻力大，高動力、材料耗損，孔內隱患多。伴隨鉆孔逐步加深，孔內鉆桿會變得越來越長，進而使得摩擦阻力不斷提升。這一點對繩索取心鉆探來說特別明顯，一方面會加快鉆桿磨損，加大鉆機符合，一方面無法提升轉速，且極易引發斷鉆桿等孔內隱患。因此，務必要制定潤滑方案策略，有效縮減鉆桿回轉阻力。

（3）鉆頭使用周期降低。深孔復雜地層鉆進過程中，要想對鉆壓予以準確控制存在十分大的難度，再加上鉆桿接頭密閉不佳容易造成滲漏，使得無法確保所有沖洗液會被送至孔底，產生假性迅速，進而導致鉆頭微燒，對鉆頭使用周期造成負面影響。

（4）鉆進效率不足，施工成本高。深孔復雜地層鉆進有著施工周期長的特征，如果護壁技術采用不合理，便會增多孔內隱患，進而降低鉆進效率，提升施工成本。

2.深孔復雜地層鉆探對沖洗液的要求

經對深孔復雜地層鉆探的難點分析可知，深孔復雜地層鉆進期間，面臨a.深孔復雜地層穩定性不足，護壁難度大；b.回轉阻力大，高動力、材料耗損，孔內隱患多；c.鉆頭使用周期降低；d.鉆進效率不足，施工成本高等問題。而這些問題的產生與沖洗液存在很大的關聯，換言之深孔復雜地層鉆探受沖洗液很大程度影響。現階段，深孔復雜地層鉆探相對先進的工藝技術為金剛石繩索取心鉆進。深孔、復雜地層以及這一先進工藝技術特征均對沖洗液性能提出了極高的要求。深孔復雜地層鉆探對沖洗液的要求如下：

（1）具備可觀的護壁性能。沖洗液應當具備相對強的造壁性及較低的濾失量，可發揮膠結、吸附孔壁作用，產生強韌性且薄的泥皮，可有效保持復雜地層孔壁穩定。

（2）具備可觀的潤滑性能。沖洗液應當有著較小的粘附系數，可有效縮減摩擦阻力，縮減回轉阻力，避免粘附卡鉆等，同時降低動力、材料損耗，延長鉆具使用周期。

（3）具備可觀的清洗孔底、冷卻鉆頭以及攜帶巖粉性能。沖洗液動塑比、粘度比以及切力比等應當控制在合理范圍。

（4）可避免鉆具結垢。沖洗液應當具備十分細的分散性、極低的固相，且流變性能佳，可有效避免鉆具結垢，防止內管打撈無法有序開展。

3.不同地層的護壁技術

復雜地層包括多種不同地層，分別有水敏性不穩定地層、破碎不穩定地層、松散不穩定地層以及變質巖地層等，針對不同的復雜地層，對應選取的護壁技術也大不相同。

3.1水敏性不穩定地層

水敏性不穩定地層多以吸水分散地層、吸水膨脹地層為主，主要代表地層有絹云母化巖石、高嶺土化以及泥頁巖地層等。為了保持水敏性不穩定地層孔壁穩定，可選取防踏鉆井液體系，也就是利用造漿、縮徑開展孔壁穩定保持。在復雜地層深孔鉆探期間，可采取鉀基鉆井液、低固相鉆井液此兩類泥漿配置。

3.2破碎不穩定地層

破碎不穩定地層多以斷層破碎帶、破碎閃長巖、石英角礫巖等碎地層為主。破碎不穩定地層對泥漿造壁性能提出了相對高的要求，現階段廣泛選取LBM泥漿配置。相關工程實踐結果顯示，選取LBM泥漿體系可獲取滿意的造壁效果。就部分存在松散、破碎情況的地層而言，加入適量的防塌型隨鉆堵漏劑，可顯著提升破碎不穩定地層孔壁強度。

3.3松散不穩定地層

松散不穩定地層多以風化層、粉砂、流砂等為主，要想保持松散不穩定地層孔壁穩定，提升孔壁顆粒相互膠結力當屬重中之重。應用于保持松散不穩定地層孔壁穩定的常見泥漿配置為鈉羧甲基纖維素泥漿，膨脹土添加控制在10.0～20.0%范圍，泥漿比重控制在1.05～1.20范圍，濾失量不可超過15ml[1]。就滲透性佳而膠結性不足的地層而言，應當于泥漿中加入適量的纖維狀材料或者堵漏劑，可獲取良好的防塌效果。

4.護壁作用機理

4.1PHP系列泥漿護壁機理

水解聚丙烯酰胺（PHP）是通過聚丙烯酰胺（PAM）水解所產生的。PAM則屬于一類非離子型高分子聚合物，不僅有著極大的分子量，還有著極廣的變化范圍。憑借PHP屬于一類伸展長鏈高分子化合物，有著不同非離子吸附基團，就好比—CONH2等，能夠經氫鍵對粘土表層予以吸附，于巖層表面借助多點吸附以產生薄吸附膜，一方面對水敏性不穩定地層能夠緩解泥漿濾液對地層產生的侵蝕影響，一方面對破碎不穩定地層能夠借助多點吸附膜保護、阻止濾液滲入裂縫而不容易引發坍塌掉塊，因此PHP泥漿有著極佳的護壁性能。同時，PHP還能夠視成一類長鏈非離子、陰離子混合型高分子表面活性劑，能夠于巖石、金屬表層吸附而發揮潤滑功效，縮減鉆桿柱與孔壁相互的摩擦阻力，故此能夠選取相對高的回轉速度鉆進。此外，多種水解度、分子量的PHP還具備選取絮凝、降失水作用。伴隨合成技術的不斷進步，現如今國內廣泛采取的為分子量超過1000萬的高分子PHP，其有著更為顯著的絮凝、包被作用，且多用于配制無固相沖洗液[2]。

4.2LBM系列泥漿護壁機理

新型低粘增效粉（LBM）是經由膨潤土化學改造升級而產生的高級造漿材料，有著低濾失量、低粘度特征，現場調配便捷，維護簡單，是一類一并匯集造漿、泥漿處理劑功能等于一身的復合材料。LBM中包含諸多—COONa、—CONH2、—CN等基團，調配的泥漿有著“四低一高”特性，也就是粘度低、密度低、失水低、切力低以及分散性高等，同時能夠經對其加量進行變更而實現對其性能的自由調節。LBM泥漿性能，見表1。

表1 LBM泥漿性能

結合室內試驗及相關機理分析得出，LBM泥漿具備下述幾方面特征：

（1）LBM泥漿具備可觀的流變性能。選取3.0%LBM調配而成的泥漿，有著較小粘度比、動塑比的特征。該特性可有效作用于縮減環空壓降，防止受泥漿粘稠影響造成太高的環空壓力波動，避免壓垮、憋泵不穩定地層，對孔壁起到保護的作用。同時，LBM泥漿可觀的流變性能，可確保泥漿保持紊流情形，進一步有效避免、消除索取心鉆桿內壁結垢情況，積極促進繩索取心鉆進。

（2）LBM泥漿具備相對低的濾失量。倘若濾失量過高，一方面會使得水敏性不穩定性地層出現分散、膨脹情況，引發坍塌、縮徑等孔內隱患，一方面會對破碎不穩定地層、松散不穩定地層穩定構成負面影響。造成這一不良后果是因為泥漿浸入至較深地層，不但會使得地層中礦物成分形成水化反應，還會通過對地層進行侵泡，極大縮減巖石的機械強度，再加上變動壓力、地層壓力等因素制約便會引發孔壁坍塌。相較于PHP無固相沖洗液，LBM泥漿泥漿濾失量要低得多，這使得其能夠對泥漿中濾液或者自由水進入地層空隙、節理等中進行有效阻止，進一步起到避免孔壁坍塌的作用，其護壁性能更客觀[3]。

（3）LBM泥漿具備相對強的造壁性能。通常情況下，造壁性指的是泥皮的強度、厚度及對地層的粘結特性。LBM泥漿中包含有聚合物成分，LBM獨特工藝技術及聚合物的低分子量，可促進聚合物可以較細的狀態勻稱散于泥漿之中，產生品質佳的泥皮。相關室內試驗發現，LBM泥漿有著相對薄的泥皮，通常厚度不超過0.3mm；有著良好的韌性，頻繁折疊，不破裂；對濾紙有著極強的附著力，確保不至于被水沖刷掉。該種特征可積極保持破碎不穩定地層、松散不穩定地層穩定。

（4）LBM泥漿具備相對強的抑制性。泥漿具備較強的抑制性，有助于保持水敏性不穩定地層孔壁穩定。泥漿抑制性可經坍塌試驗、膨脹試樣來呈現。沖洗液抑制性能試驗結果，見表2。

表2 沖洗液抑制性能試驗結果

結合表3可知，相較于PHP泥漿，LBM泥漿有著更強的抑制水平。在現場采取浸泡巖心手段開展坍塌試驗，效果同樣十分顯著。把礦層附近易破碎不穩定地層巖心，選取常規泥漿浸泡8h就會崩解，選取PHP無固相沖洗液浸泡6d會發生破裂，而選取LBM泥漿浸泡15d依舊無顯著轉變。

5.沖洗液護壁效果

5.1PHP系列泥漿護壁效果

以山東某地區蝕變巖型金礦鉆探為例，地層以花崗巖為主，由于斷層構造，巖石破碎、裂隙發育，一些地層存在嚴重漏失情形，為典型的復雜地層。現階段，深孔復雜地層鉆探相對先進的工藝技術為金剛石繩索取心鉆進。為了避免鉆桿內壁結垢，多選取PHP及相關復配型，好比PHP復配PVA、PHP復配KHm等無固相沖洗液開展護壁[4]。

現場選取PHP：分子量在800～1200萬之間，水解度為30.0%。PVA：醇解度為99.0%，溶解期間要將溫度提升至80～90℃。相關性能見表3。

表3 PHP、PHP復配PVA沖洗液性能

經數年生產實踐得出，廣泛選取PHP系列無固相沖洗液后，于常規破碎地層鉆進期間，大致可消除孔壁潤滑、穩定及避免內壁結垢等問題，獲取較滿意的使用效果，具體而言，有效改善了鉆進效率及鉆探施工質量，臺月效率均值由過去常規泥漿時342m提升至430m，提升幅度實現25.7%；孔內隱患顯著縮減，孔內事故由過去31.3%降低至20.5%；優質孔率有過去70.0～80.0%提升至90.0%之上[5]。這亦是現階段國內巖心鉆探中依舊廣泛選取PHP系列泥漿的一大原因。然而就漏失、破碎嚴重的地層而言，該類問題長時間來都未得到較好的處理，伴隨深部鉆探的推行，鉆孔不斷加深，完孔周期也變得越來越長，此類問題亟待解決。

5.2LBM系列泥漿護壁效果

以山東某地區開展深孔鉆探為例，一方面部分地層破碎嚴重，一方面大量鉆孔漏失嚴重，多次選用PHP泥漿、花生皮等開展堵漏效果均不佳，泥漿完全漏失，不得已選取PHP復配PVA沖洗液鉆進，鉆進期間出現嚴重掉塊、坍塌情況，鉆進效率不佳。就好比ZK136—4孔，期初選取PHP復配PVA無固相沖洗液，鉆進至1009.6m地層出現嚴重破碎情況，鉆進至1040.1m出現斷鉆事故，提鉆后發生孔壁坍塌，事故鉆具被掩埋，通過不斷掃孔處理1周后都無效，孔內沉淀可達5～8m。之后，選取LBM泥漿沖孔，花費26h排除沉淀物，對事故鉆具進行處理完畢后，鉆進字約1146.5m終孔，從未出現掉塊、坍塌情況[6]。實踐表明，面對漏失、破碎等嚴重不穩定復雜地層，選取LBM泥漿作用于保持孔壁穩定，避免坍塌，避免繩索取心鉆桿內壁結垢等有著顯著的效果。

6.結束語

總而言之，相較于PHP無固相沖洗液，LBM泥漿泥漿濾失量要低得多，這使得其能夠對泥漿中濾液或者自由水進入地層空隙、節理等中進行有效阻止，進一步起到避免孔壁坍塌的作用，其護壁性能更客觀。實踐表明，面對漏失、破碎等嚴重不穩定復雜地層，選取LBM泥漿作用于保持孔壁穩定，避免坍塌，避免繩索取心鉆桿內壁結垢等有著顯著的效果。

參考文獻：

[1]宋新杰. 蘭渝鐵路隧道深孔鉆探泥漿護壁技術探討與實踐[J].大陸橋視野，2012，27（08）：162-163.

[2]孫丙倫，陳師遜，陶士先. 復雜地層深孔鉆探泥漿護壁技術探討與實踐[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2008，（05）：13-15，24.

[3]李作剛，王劍，項鈺. 基于LEED認證的超高層建筑綠色施工管理應用[J].建設科技，2014，27（09）：105-107.

[4]孫廣帥. 泥漿護壁鉆孔灌注樁施工技術及質量控制[J].浙江建筑，2015，32（2）：36-39.

[5]胡忠喜. 護壁泥漿在鉆孔灌注樁施工中的應用技術研究[J].廣東交通職業技術學院學報，2012，11（1）：26-28.

[6]馬海軍. 建筑工程泥漿護壁鉆孔灌注樁的施工技術[J].價值工程，2015，（23）：114-116.