巖芯鉆探中復雜地層的護孔工藝

董澤訓，王金平，鄭尊岐，魏益強，馬曉鵬

（山東省第六地質礦產勘查院，山東 招遠 265400）

我們所知道的復雜地層是指那些容易處于地質構造運動多發的地區，或者該地區容易受到外部環境的物理和化學作用，亦或者在施工進行中會受到水文地質條件變化的影響的地層。這些地層相對于其他常規地層來說非常不穩定，在鉆井的過程中容易發生井塌、滲漏、涌水、塌陷等程度不同的地質問題。容易發生以上這些復雜地質變化的地層統稱為復雜地層。據相關統計，在正常的地質鉆探施工過程中會遇到30%的地層為復雜地層，而完成這些工程的工程費用占工程總費用的卻非常的高昂，通常超過60%，更甚者可能直接造成施工事故，導致施工工程報廢。因此研究復雜地層的鉆孔工藝，加強復雜地層的護孔施工，可以大大提升施工效率和工程的安全性[1]。

1 引起復雜地層鉆孔安全問題的原因

（1）復雜地層本身不穩定。由于復雜地形本身地質構造不穩定，再加上鉆探的過程中，可能引起的水文地質變化，從而引起復雜地層鉆孔過程中鉆孔穩定性變差。比如在鉆井過程中，鉆孔周圍巖石的硬度越高鉆孔物穩定性越高；相反如果鉆孔周圍巖土穩定性差，再遇到水之后就會進一步降低整個鉆孔的穩定性。

（2）地下水的直接影響。地下水的運動狀態直接影響孔壁的穩定性，地下水的運動過程中存儲了大量的動能因子，影響鉆探過程中復雜地層的壓力，同時也直接關系鉆孔的沖洗液能否有效的循環。地下水的狀態也直接降低了鉆孔周圍巖土的穩定性。

（3）內及外動力影響地質穩定。復雜地層涉及到地殼運動、變質作用及巖漿作用等內動力性質的地質作用力，也存在因成巖、剝蝕、堆積、風化等外動力性質的地質作用，兩種地質作用的共同作用下，會使復雜地層出現裂隙、溶隙及空隙等，當復雜地層的沉積物及堆積物堵塞各類隙縫時，也會引起孔壁失穩、涌水、漏失等鉆孔隱患[2]。

2 復雜地層的護孔工藝研究

（1）工程介紹。為了進一步說明復雜地形的護孔工藝，本文結合實際的案例進行詳細分析。該復雜地層位于某鐵礦礦區，針對礦區進行巖芯鉆探作業，該地區主要為安山巖，土質為亞粘土，地層構造復雜，巖土堅硬程度為中硬，堅硬可算級別為6到10級不等。由于巖石致密性較好，造成鉆探進程速度較慢，并需要間斷性的提鉆，頻繁提下鉆對孔壁的穩定性更加不利。

（2）鉆探設備的選擇。本工程所選鉆機為XY-6B型，泥漿泵采用NBB-260型，在繩索取芯的鉆桿（具）上主要采用了75S型及Φ71mm的墩粗鉆桿，示意圖如圖1所示。

（3）鉆孔的結構。本項目鉆孔選用口徑開孔Φ130mm，在巖石風化層4m~5m的位置采用孔口管，然后換Φ110mm鉆頭鉆至基本完整巖層，下入Φ108mm套管；再用鉆具具級配Φ91mm鉆頭+Φ89mm鉆桿進行繩索取心鉆進，穿過較破碎的地層，遇完整巖石下Φ89mm技術套管換徑；最后換鉆具級配Φ75mm鉆頭+Φ71mm繩索鉆桿鉆進直至終孔。在生產中基本采用這個原則，但遇到較為復雜的地層也根據實際情況隨時調整。

圖1 繩索取芯鉆具示意圖

（4）沖洗液的選擇。在巖石覆蓋層上，護孔泥漿的比例配比為1m3的H2O：45kg（膨潤土）：1.4kg（純堿）：0.8kg（潤滑劑）：1kg（腐殖酸鉀）。在地層較為破碎松散處，采用1m3的H2O：2.5kg的PAM：1.6kg的防塌劑：3.6kg的護壁水劑：1.8kg的潤滑劑等配比的無固相沖洗液。在針對完整地層的護孔泥漿配比作業時，采用1m3的H2O：2.6kg的PAM：1.3kg的NaOH:1kg的潤滑劑。嚴格遵守配方及添加順序，專業人員進行泥漿性能測定，據實際情況及時調整，嚴防泥漿被污染，及時清理巖粉等固相含量，確保泥漿質量。

（5）復雜地層鉆孔護孔。在該礦區的鉆井和鉆孔保護中，由于漏水的概率較高，首選方法采用多級技術套管隔離法。再就是技術人員對堵漏化學泥漿的配方進行了比較，確定采用砂漿堵漏。水泥砂漿堵漏配方為將水泥、水、NaCl，減水劑，三乙醇胺等按照一定的比例配比。采用平衡封孔灌漿法、相對平衡封孔灌漿法以及不平衡封堵灌漿法，比較了鉆機的鉆速，確定最高效率的堵塞和鉆孔保護方案。

表1 鉆井效率比較

（6）施工過程注意事項。鉆進過程中減少非正常提鉆（除換鉆頭、鉆具等），定期檢查鉆頭、鉆具，避免人為對孔壁的破壞；泥漿循環過程中加入隨鉆護壁劑；鉆進過程勻速進尺，確保擴孔器對孔壁起到良好的修復作用。施工全過程做到合理規劃，預防為主。

3 結語

在我國鉆井施工過程中，經常遇到一些復雜的地層，如機械不穩定地層，水敏地層和滲流地層等。為了解決復雜地層施工中鉆井塌方、下陷等問題，有必要開展復雜地層的護孔技術的研究。在此基礎上，本文在探索各種復雜地層技術問題的基礎上，制定相應的鉆孔防護方案，在復雜地層鉆孔時，應優先進行科學的設計，明確設計方案，統籌整體施工方案。對于不穩定地層，采用傳統泥漿與科學配方的化學沖洗液相結合的方法來保護鉆孔，采用這些工藝可以非常好的進行護孔，降低地層的滲漏，提升施工質量和施工效率。

[1]沈啟亮,劉秀宏,張校強.復雜地質條件下斜樁嵌巖護孔技術[J].中國港灣建設,2014(8):57-60.

[2]朱衛紅.巖芯鉆探中復雜地層的護孔工藝探究[J].科技經濟導刊,2016(2).