砂卵石地層鉆探方法優(yōu)化

曹虎麒，陳 凱，段存俊

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

在第四系的地層構造單元中，砂卵石地層的鉆探工作一直是個難點，因該地層分布范圍小，目前對該層鉆探工作的研究較少。國內的研究多是從循環(huán)液和鉆具兩個方面入手，一些研究主要以植物膠為對象著重研究了護壁工藝[1-4]，還有一些研究主要探討了不同鉆頭在砂卵石層中鉆進的效果[5-7]，肖冬順等[8]則從礦探出發(fā)探討了深層卵石層的鉆探工藝。但國內對該層尚未形成成熟的鉆探工藝，境外工程中則鮮有對砂卵石層鉆探的研究。

本文結合巴布亞新幾內亞的巴新萊城港地區(qū)的勘探項目中遇到卵石層的實際問題，為了提高在該區(qū)域后續(xù)的勘察工作的效率，借鑒國內已有的卵石層鉆探經(jīng)驗，并從多因素入手，開展提高該地區(qū)砂卵石層鉆探效率的試驗，以期探尋到一套適合該地區(qū)砂卵石層的高效鉆探工藝。

1 試驗設計

1.1 試驗場地地層分布

工程場地中砂卵石層發(fā)育在淺部，其上覆土層主要為第四紀黏性土層和砂土層。為盡可能減少不可控制的因素對試驗結果對比的影響，試驗鉆孔選擇在相同地點(ZK17號鉆孔附近)采用同一班組先后實施鉆探試驗，以方便對比。

ZK17號鉆孔上部地層自上而下的分布：0～2.5 m為松散腐殖物，2.5～6.1 m為松散-稍密粉細砂，6.1～16.8 m為軟塑狀粉質黏土，16.8～23.0 m為砂卵石層。其中砂卵石層呈密實狀，修正后的重型動力觸探擊數(shù)一般為22.0～26.3擊，層厚為5.6 m，主要由卵石、礫石及黏性土組成，卵礫石含量約為60%，塊徑為2.0～9.0 cm。

1.2 方案設計

根據(jù)前期鉆孔施工經(jīng)驗，在巴布亞新幾內亞萊城港區(qū)勘察中砂卵石層鉆進困難的主要表現(xiàn)有：護壁困難，孔壁卵石極容易掉落卡鉆；卵石層孔隙大，鉆孔漏水現(xiàn)象嚴重；沉渣粒徑大，傳統(tǒng)泥漿等循環(huán)液不能有效承載轉運以及取樣困難等。

針對以上問題，從孔壁支護、鉆具、取芯3個方面出發(fā)，設計3組對比試驗以研究不同因素在改進卵石層鉆進方法中起到的作用，據(jù)此進行砂卵石層中鉆探方法的優(yōu)化。護壁方法分別采用套管跟進護壁、普通泥漿護壁、植物膠泥漿護壁，鉆頭分別采用金剛石鉆頭和復合片鉆頭，取芯方法分別采用單管巖芯管和單動雙管巖芯管。設計的試驗方案及施工工藝見表1(對比試驗鉆進過程取消了取樣、原位試驗等對觀測結果造成影響的工序)。

表1 試驗方案及施工工藝

2 試驗結果及分析

在各個鉆孔的砂卵石層的鉆進過程中產(chǎn)生了不同的施工問題，見表2。

表2 砂卵石層鉆進施工問題

對比SY1、SY2、SY3鉆孔的鉆探結果，在卵石層的鉆井過程中，3種護壁方法對實際鉆進速率的影響較小，但套管護壁的方法，采用清水作為循環(huán)液，在卵石層中套管時時跟進困難，極易產(chǎn)生卡鉆和漏水等問題，鉆進過程花費大量的時間和勞動力處理套管跟進和卡鉆、漏水等問題，極大地增加鉆進總耗時；采用膨潤土泥漿作為循環(huán)液，在一定程度上降低卡鉆和漏水的概率，但效果有限，卡鉆和漏水現(xiàn)象時有發(fā)生，在該鉆孔的鉆進過程中處理此類問題的耗時依然較高；植物膠黏稠度大，采用植物膠漿液作為循環(huán)液，相比前兩種方法明顯抑制住了卡鉆現(xiàn)象，同時也有效地封鎖了滲水孔隙，漏漿液現(xiàn)象明顯下降，從而降低了總耗時。

對比分析SY3、SY4鉆孔的鉆探結果可看出，植物膠黏稠度高，作為循環(huán)液運載能力強，能挾帶卵石層內大粒徑沉渣。金剛石鉆頭的齒爪間的過水縫隙小，容易被堵塞，返回液循環(huán)系統(tǒng)受阻，增加了其他耗時，復合片鉆頭的齒間縫隙較大，降低顆粒堵塞的概率，降低其他耗時，整體上提高了鉆進的速率。

對比分析SY4、SY5鉆孔的鉆探結果可看出，采用雙管單動的巖芯管，內取芯管不隨外管轉動，巖芯受擾動小，取芯率高，孔內和循環(huán)液中的沉渣少，減少循環(huán)系統(tǒng)的堵塞概率，而單管取芯，因巖芯受到的擾動較大，擾動后的巖芯松散，大顆粒沉底，在進行試驗或取樣時需要先清孔。但此次采用的雙管因內管為單一整體圓柱形巖芯管，把巖芯從內管中取出耗費了大量的精力和時間，因而SY5鉆孔的總耗時比SY4還多。在以后遇到此問題時可對內管做相應的改進以降低取芯時間。

3 生產(chǎn)效益分析

3.1 時間效益

為了解不同護壁方式、鉆頭以及取樣方式在砂卵石層鉆進中起到的作用，繪制了各鉆孔鉆進總耗時累計圖和各鉆孔砂卵石層鉆進與其他耗時的比例圖，見圖1。

圖1 各鉆孔砂卵石層鉆進耗時與其他耗時

由圖1可看出，在采用套管護臂、膨潤土泥漿護臂和植物膠護壁，以及采用不同的鉆頭對在砂卵石層實際鉆進效率的影響很小，影響鉆進效率的直接因素主要在其他耗時上，為此繪制了砂卵石層鉆進總耗時、其他耗時與提鉆次數(shù)的對比圖，見圖2。

圖2 砂卵石層鉆進總耗時、其他耗時與提鉆次數(shù)對比

由圖2可看出，砂卵石層鉆進總耗時、其他耗時與提鉆次數(shù)之間呈正相關性，既造成鉆探效率實際差異主要是由于卡鉆、堵鉆等鉆進中產(chǎn)生的次生問題引起的頻繁提鉆和處理、解決這些問題所花費的時間；采用植物膠護壁，能有效降低提鉆次數(shù)，既減少次生問題的發(fā)生、提高鉆進效率，同時采用與之相適應的鉆頭，能進一步降低其他耗時，提高效率。

3.2 經(jīng)濟效益

各鉆孔在鉆進砂卵石層消耗的資源見表3(由于不同地區(qū)物資和勞動力成本不同，表3中并未對消耗品進行折算)。

表3 砂卵石層鉆探消耗的資源

由表3可知，采用不同的護壁方法對砂卵石層鉆探的經(jīng)濟性影響較大。在不同的護壁方法中，植物膠護壁法因原材料價格較高，因而消耗性材料花費高，但因其優(yōu)化了鉆探過程，減少其他輔助性工序，因而大幅降低了總體花費，經(jīng)濟效益最好；而在采用不同鉆頭時，由于卵石硬度較高，復合片鉆頭的消耗量比采用金剛石鉆頭高，但在以植物膠為循環(huán)液的前提下，采用復合片鉆頭能有效降低其他耗時，降低其他方面的費用。采用兩種鉆頭的經(jīng)濟效果在一定程度上有所抵消，但整體上采用復合片鉆頭的經(jīng)濟性更好。

3.3 質量效益

各鉆孔砂卵石層的取芯效果見圖3。

由圖3可看出，當采用單套管巖芯管時，對巖芯擾動大，以清水或膨潤土泥漿作為循環(huán)液時，循環(huán)液運載能力小，卵石層巖芯中泥沙的含量較高，取芯率低；以植物膠漿液作為循環(huán)液時，植物膠循環(huán)液運載力大，取出來的巖芯，泥沙含量低，取芯率低。采用雙管單動巖芯管，對巖芯擾動小，巖芯的采取率高，保存完成，能真實地反映砂卵石層的組成和結構。

圖3 各鉆孔取芯效果

4 結論

1)造成砂卵石層鉆進效率低下的主要原因為砂卵石層特殊的結構引起鉆進過程頻繁發(fā)生的卡鉆、漏水等次生問題。

2)采用套管護壁、膨潤土泥漿液護壁和植物膠漿液護壁3種護壁方法對實際鉆探過程中鉆進速度的提升沒有明顯差別，但采用植物膠護壁能顯著降低卡鉆、漏水等事故，從而整體上降低了鉆進總耗時。

3)在砂卵石層鉆進時，采用植物膠做循環(huán)液能夠挾帶大粒徑的沉渣，采用過水孔隙小的金剛石鉆頭容易導致堵塞，采用過水孔隙大的復合片鉆頭則不會導致堵塞，能提高施工效率，但會增加鉆頭的消耗。因此，在以后的工作中可以根據(jù)實際地層情況選擇合適的鉆頭或合理改進鉆頭，以結合金剛石鉆頭和復合片鉆頭的優(yōu)點，配合植物膠循環(huán)液實施砂卵石層鉆探。

4)采用雙管單動的巖芯管能提高取芯質量，降低對巖芯的擾動，減少孔底沉渣以及清孔等步驟的次數(shù)，配合植物膠循環(huán)液，能有效提高鉆探效率和質量。

5)以植物膠漿液作為鉆孔護壁的主要手段，根據(jù)不同的卵石層顆粒級配選擇合適的鉆頭能有效提高鉆進效率，降低生產(chǎn)成本。