成膜抑制沖洗液體系在地應力鉆探中的應用

劉春生，張建杰，賈長城

（北京市地質工程設計研究院，北京101500）

成膜抑制沖洗液體系在地應力鉆探中的應用

劉春生，張建杰，賈長城

（北京市地質工程設計研究院，北京101500）

地應力鉆孔是地應力測量的基礎場所，對鉆孔孔壁質量要求較高，當鉆遇地層存在破碎、膨脹縮徑等問題時，嚴重影響了鉆孔正常鉆進，需要配制專門的沖洗液解決以上問題，以保證鉆孔順利施工。本文詳細介紹了處理此類問題的成膜抑制沖洗液體系的配方組成、配制與維護方法和使用效果，該沖洗液體系由成膜抑制劑、接枝淀粉及銨鹽等配制而成，對泥頁巖地層膨脹縮徑、分散造漿起到較強的抑制作用，同時對松散、破碎地層也具有良好的膠結，護壁效果好，有效解決了上述復雜地層鉆進所面臨的技術難題，為類似復雜地質條件下的鉆孔施工提供了有益的參考。

地應力；鉆探；松散地層；沖洗液；成膜性

0 前言

地應力是存在于地殼中的應力，即由于巖石形變而引起的介質內部單位面積上的作用力。我國地應力測量是20世紀50年代后期由李四光和陳宗基兩位教授分別指導的地質力學研究所和三峽巖基專題研究組開始的，60年代初中國科學院武漢巖土力學研究所在大冶鐵礦摸索淺層鉆孔應力測量技術，

70年代后我國鉆孔應力測量猶如雨后春筍，尤其是70年代以后發展起來的深鉆孔地應力測量技術，已經在我國得到了廣泛的應用（劉允芳等，1999；秦俊生等，2016；秦俊生等，2017）。地應力鉆孔作為應力測量的基礎場所，對孔壁穩定性及孔壁質量要求較高，鉆孔施工質量將直接影響地應力測量的效果。而當鉆孔鉆遇地層復雜，例如存在易分散造漿、膨脹縮徑，以及地層膠結性差、硬脆碎、易發生坍塌、掉塊等問題時，給鉆孔施工帶來很大的困難，有必要研究一套處理此類問題的行之有效的沖洗液體系，保證鉆孔的順利施工（陶士先等，2012；胡繼良等，2011；陳禮儀等，2009）。

1 鉆孔概況

1.1 項目概況

北京地區地應力測量與監測孔鉆探工程，是“北京地區主要活動斷裂工程地質穩定性評價與地應力測量”項目的一個子項目，項目是在收集整理分析北京地區已有主要活動斷裂研究成果的基礎上，重點對北京城區活動斷裂帶進行詳細地質調查，運用微地震臺網監測方法，重點揭示該斷裂帶（中斷和北段）的存在及其三維空間產狀展布，評價其工程地質穩定性，為北京地區活動斷裂評價以及首都重大工程規劃、城市安全建設等提供科學依據，具有重要的科學意義和實用價值（北京市地質工程設計研究院，2012）。本鉆探工程是為地應力測量與監測工作，提供必要通道和場所的基礎性工作。

1.2 設備及工藝

根據鉆孔深度、鉆孔口徑、鉆進方法，選用的主要鉆探設備見表1。施工工藝采用普通單管鉆進提鉆取心工藝。

1.3 鉆進方法及鉆孔結構

開孔為第四系，主要是砂層和砂礫石層，屬較軟-稍硬地層，易坍塌、孔斜、漏水，故采用?190mm的單管合金（或普通金剛石）單管鉆進至穿過表土層，下入?179mm的套管，并水泥漿固孔；用?152mm合金（帶外肋骨條）或金剛石鉆頭鉆進至400m，下入?146mm永久性套管；用?95mm金剛石單管取心鉆具鉆進至401m后下?89mm技術套管；再用S76mm金剛石繩索取心鉆具鉆進至設計孔深。最后提出?89mm技術套管，根據地層完整程度用?95mm和?130mm擴孔鉆具分兩級擴孔至地質要求的孔深位置，下入?127mm套管以保護孔壁和儀器，保證鉆孔同心度，用地應力監測單位提供的特殊鉆頭做錐形口和?91mm擴孔。

表1 鉆探設備配套表Tab.1 Drilling equipment table

1.4 地質設計對鉆探工程的要求

第四紀覆蓋層鉆進不取心，基巖地層綜合取心率≮95%；鉆孔垂直度偏差每百米≤0.5°，可以累計計算，保持鉆孔平直且保證鉆孔換徑施工時保證其同心度；將從孔中取出的巖心，應自上而下、自左至右按次序排列，不得顛倒混淆，并及時整理、裝箱、編號、不得丟失，按相關標準存放巖心并做好相應記錄，及時移交，以便取樣和保存，為地應力測量和監測選擇深度提供可靠資料；鉆進過程中使用清水或泥漿作為循環液，盡可能減少皂化油等潤滑劑的使用量；鉆進結束后，將孔壁和孔底清洗干凈，孔底巖粉厚度每百米≤0.2m；終孔后，采用孔口板對孔口進行封堵。

2 施工區域地質概況及存在的主要問題

2.1 施工區域概況

該孔位于北京海淀區李四光紀念館院內。本區屬北京平原西部，自西北向東南微傾斜，地貌單元屬永定河沖、洪積扇中段，永定河古道金鉤河殘留帶狀洼地在本區呈近東西向分布。

2.2 鉆遇地層特性

場地位于永定河和小清河沖洪積扇上，0～122.51m為第四系的表層壤土、砂質粘土、粘質砂土、砂、礫、卵石層，屬較軟-稍硬地層；122.51～369.45m為第三系的半膠結的泥巖、含礫泥巖、安山巖等，層厚246.94m，屬中硬—硬地層，可鉆性級別為Ⅵ級；369.45～457.79m為侏羅系中統一套火山碎屑沉積巖，層厚88.34m；369.45～457.79m為侏羅系中統一套火山碎屑沉積巖，層厚88.34m；457.79～600.27m為灰白—灰黃色中元古界薊縣系霧迷山組含燧石條帶白云質灰巖，層厚142.48m（未揭穿）。地下水屬潛水，埋深26m左右。

2.3 存在的問題與分析

上部第四系砂層、砂礫石層易坍塌、漏失；粘土層厚度大，粘性與分散性強，易分散造漿，極易引起粘附卡鉆事故；下部第三系淺紅色泥巖地層吸水后造漿、縮徑、且粘性強，易發生粘附卡鉆現象，同時砂、礫巖易發生坍塌、掉塊，導致孔徑擴大引發斷鉆桿現象。

在孔深179.77m以淺地層鉆進時，采用低固相沖洗液，所用泥漿材料為鈉土、純堿、聚丙烯酰胺和CMC，泥漿配方為：水+3%膨潤土+0.5%純堿+0.2%PHP+0.1%CMC。現場按配方配制的沖洗液，粘度在30s左右，經孔內循環后，快速上升至100余秒，出現泥漿增稠速度快（圖1），排漿頻繁現象，降低了鉆進效率，造成沖洗液增稠的主要原因，一是粘土層吸水后易分散，二是沖洗液對水敏性地層的抑制性較差，三是泥漿靜止后靜切力大，不利于巖粉沉淀，再加上現場無固控設備、循環槽較短等原因，巖屑沉降效果差（圖2）。另外砂層、砂礫石層膠結性差，泥漿護壁性能無法滿足要求，導致鉆進過程中掉塊嚴重。再次，孔壁有明顯縮徑現象，提下鉆阻力大，分析原因可能與粘土層吸水膨脹以及泥漿濾失量大、固相含量高、粘度高形成的厚泥皮、孔壁清潔度差、潤滑性差有關。同時由于地應力鉆孔要安放測試儀器，要求孔壁不要過于光滑，因此無法使用瀝青類防塌劑，也增加了防塌的難度。

圖1 孔口流出來的泥漿Fig.1 The mud from the drill hole

圖2 經過沉淀池沉淀后的泥漿Fig.2 The mud after precipitating in the sedimentation tank

3 成膜抑制沖洗液體系現場應用

3.1 成膜抑制沖洗液體系材料組成

成模抑制沖洗液體系主要由鈉膨潤土、成膜抑制劑（GCM-1）、包被劑（GBBJ）和水解聚丙烯腈銨鹽等材料組成。鈉膨潤土：用于提高沖洗液粘度，降低沖洗液濾失量；成膜抑制劑（GCM-1）：用于抑制泥頁巖地層膨脹縮徑、分散造漿，同時對松散、破碎地層具有較強的膠結作用；包被劑（GBBJ）：具有選擇性絮凝和包裹巖屑的作用，抑制地層造漿，防止巖屑分散，有利于泥漿的固相控制，同時調節沖洗液流型，使其具有良好的剪切稀釋作用；水解聚丙烯腈銨鹽：提供NH4+，提高沖洗液的抑制性能，防止粘土層水化膨脹，同時兼具降失水作用（陶士先等，2014；陶士先等，2015）。

3.2 現場沖洗液的配制

現場沖洗液配方為：1m3水+20kg鈉膨潤土+ 2～3kg包被劑+10kg成膜抑制劑（GCM-1）+10kg銨鹽+5kg降失水劑。

沖洗液配制時先將鈉膨潤土、GCM-1、銨鹽、降失水劑、包被劑依次加入到配漿罐中，待充分溶解或分散均勻后，倒入泥漿池中攪拌均勻。新配制的沖洗液性能應達到：密度，1.02～1.03g/cm3；粘度，18～25s；濾失量，≤8mL/30min（鄢捷年，2001）。

3.3 現場沖洗液維護與處理

由于現場沒有固控設備及場地有限導致泥漿循環槽很短，不利于巖屑沉淀，因此現場增挖了一個沉淀池。鉆遇造漿地層時，為控制沖洗液粘度，配制新漿時不再添加鈉膨潤土，直接用其它處理劑配制成膠液加入到泥漿池，并攪拌均勻，由于包被劑消耗較快，現場將包被劑預先配制成膠液，隨時補充，以保證沖洗液中包被劑的含量。當鉆進松散、破碎的砂層、砂礫石層時，提高鈉膨潤土加量。鉆進時要及時清除沉淀池和循環槽中的巖粉，經常測量、調整沖洗液性能，使其密度、粘度分別維持在1.03～1.10g/cm3和18～30s之間，失水量≤810mL/30min。

3.4 成膜抑制沖洗液體系現場使用效果

鉆孔自孔深179.77m開始使用成膜抑制體系，又鉆遇多層粘性土層、松散和破碎地層，但施工過程中孔壁穩定，無縮徑及坍塌、掉塊現象發生，提下鉆時孔內阻力明顯減小。共施工了400m，取得了比較理想的效果，主要體現在以下幾個方面：一是護壁效果好，盡管鉆遇多層粘土層、松散地層和破碎地層，但施工過程中孔壁穩定，無縮徑及坍塌、掉塊現象，提下鉆時孔內阻力小；二是泥漿流動性好，巖粉攜帶能力強，鉆進速度明顯提高，由0.5m/h提高至1.1m/h，鉆具也能一次下鉆到底；三是抑制造漿能力強，沉砂效果好，只要現場按時清理泥漿槽和沉渣池，即可避免泥漿排放；四是泵壓明顯減少，從3MPa降低到1.5MPa；五是配制方法簡單，維護方便。

4 結論

成膜抑制沖洗液體系在該地應力鉆探項目中的應用，使得該鉆孔得以順利施工，主要的效果有以下幾方面：

（1）成膜抑制沖洗液體系，護壁效果好；

（2）成膜抑制沖洗液體系抑制造漿能力強，可減少現場泥漿排放；

（3）成膜抑制沖洗液體系，配制簡單，維護方便，減輕了現場施工人員的勞動強度。

該成膜抑制沖洗液體系的使用，為類似復雜地質條件下的鉆孔施工提供有益的參考和指導。

北京市地質工程設計研究院，2012. 北京西南地區地應力測量與監測鉆探工程竣工報告[R].

陳禮儀，李浩，袁學武，等，2009. 低滲透成膜鉆探泥漿體系的研究與應用[J]. 成都理工大學學報（自然版），36(5)：498-503.

胡繼良，陶士先，紀衛軍，2011. 破碎地層孔壁穩定技術的探討和實踐[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），38(9)：30-32.

劉允芳，劉元坤，羅超文，1999. 深鉆孔地應力測量的崛起和發展[J]. 地下空間，19(5)：692-698.

陶士先，單文軍，2012. 深部地質鉆探沖洗液使用的認識與思考[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），39(2)：149-152.

陶士先，李曉東，吳召明，2014. 強成膜性護壁沖洗液體系的研究與應用[J]. 地質與勘探，50(6)：1147-1154.

陶士先，付帆，2015. 地質鉆探沖洗液技術[M]. 北京：地質出版社.

秦俊生，譚成軒，劉春生，2016. 地應力鉆孔施工關鍵技術探討[J]. 城市地質，11(4)：54-58.

秦俊生，劉春生，譚成軒，2017. 地應力鉆孔成果質量評價探討[J]. 城市地質，12 (1)：5-10.

鄢捷年，2001. 鉆井液工藝學[M]. 山東東營：中國石油大學出版社.

App lication of the Film Formation Inhibition Flushing Liquid System in Geostress Drilling

LIU Chunsheng, ZHANG Jianjie, JIA Changcheng

(Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 101500)

Geostress drilling is the basic site of geostress measurement. The requirement of the quality of drill hole wall is higher. When there are some problems such as crushing, expansion and shrinkage, it seriously affected the normal drilling, so that it needs to prepare a special fushing fuid to solve above problems, to ensure the smooth construction of drilling. In this paper, the formulation, preparation, maintenance methods and application effect of the f lm formation inhibition fushing liquid system to deal w ith such problems are introduced in detail. The fushing fuid system is made up of f lm-form ing inhibitor, grafted starch and ammonium salt, it plays an important role in inhibiting the expansion of shale formation and the dispersion, at the same time, it has good cementation to loose and broken strata and effectively act on the drill hole wall, and solve the technical problems of the complex formation drilling, and it provides useful reference and guidance for drilling construction of sim ilar complex geological condition.

Geostress; drilling; Loose stratum; Flushing liquid; Film form ing property

A

1007-1903（2017）02-0102-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.020

劉春生（1969- ），男，工程師，從事探礦工程與巖土工程施工，E-mail：778174091@qq.com