松散破碎地層鉆探泥漿研究與應用

黃 河，張安平

(湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040)

1 概述

在架空輸電線路大跨越工程勘測中，勘測工作的技術要求、內容和深度，以及工程質量有了更高的要求。大跨越工程很多情況都是江河、湖泊大跨越，跨越塔往往位于河流階地地貌或河漫灘地貌中，這些地貌分布較厚的松散破碎巖土體，如砂層、卵(礫)石等。松散地層主要是指破碎帶地層、第四系的砂層、礫石、卵石地層等，此類地層具有共同的特點即顆粒之間缺乏膠結或膠結性能差。

在河流階地及河漫灘地貌勘察過程中，鉆探是必不可少的基本手段，由于河流階地、河漫灘所處地層中存在較厚砂、礫、卵石層、巖石風化帶和破碎帶。此類巖石結構呈散粒或散塊狀態(tài)，散粒散塊之間膠結弱或無膠結，結構完整性很差，故稱其為松散破碎地層。在此類層段中鉆進，井壁極易掉塊、坍塌，容易誘發(fā)卡鉆、埋鉆事故，而且鉆屑顆粒較大，鉆井液攜帶其困難。

通常通過下長套管穿越松散破碎地層，除了下長導管預防孔壁掉塊、坍塌、滲漏外，運用泥漿來解決松散破碎地層鉆進困難問題，也是一項重要的工藝措施。將鉆井泥漿的黏度和切力提高，可以有效粘結散狀井壁，也有利于懸浮較大尺寸的鉆屑。中國地質大學(武漢)鉆井與完井實驗室通過對比不同黏度鉆井液浸泡的砂堆自然堆砌角度，可以清楚地認識到，提高黏度對防止松散破碎井壁垮塌具有重要作用，用清水(黏度1 mPa·s)浸泡的砂堆角度為30°，采用黏度為15 mPa·s泥漿浸泡的砂堆角度為45°，黏度為30 mPa·s泥漿的則可達到60°[1-3]。

松散破碎地層泥漿要突出較高的黏度、強剪切稀釋性以及強攜砂能力。主要原因在于，此類地層中的卵石、礫石等尺寸較大且缺乏膠結，部分膠結物為黏土質成分。一旦鉆孔打開此類地產，孔壁周圍的大尺寸松散破碎物因失去力學平衡而發(fā)生失穩(wěn)。為此，我們提出了通過提高泥漿黏度以增強孔壁周圍巖石膠結力的處理思路。當高黏度的泥漿在壓差作用下進入松散體間的間隙內后，能夠在松散體間形成一定的結構，起到穩(wěn)定孔壁的作用。具體措施包括：1)增加膨潤土粉的用量；2)使用并提高提黏性處理劑的加量；3)添加無機陽離子導致膨潤土漿液絮凝等等，確保所配制的泥漿漏斗黏度不低于20 s。

2 針對松散破碎地層的泥漿配方設計

根據中國地質大學(武漢)鉆井液與完井液實驗室關于復雜地層鉆井液推薦的配方，松散破碎地層典型泥漿配方如下：

1)Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿。

配方：優(yōu)質造漿黏土70 kg～100 kg，水1 m3，純堿6 kg～10 kg，Na-CMC 10 kg～15 kg。

性能：比重1.07～1.1，黏度28 s～40 s，失水量小于18 mL/30 min，pH值約9.5。

2)LG植物膠泥漿(4合1復配泥漿)。

配方：1 m3水，55 kg膨潤土，20 kg LG，純堿2 kg，XC 1 kg。

性能：表觀黏度22 mPa·s，失水量14 mL/30 min，pH值7～9，比重1.08，漏斗黏度28 s。

其中，LG為一種新型植物膠鉆井液處理劑，其主要成分是多糖、植物纖維和精油等，具有增黏、降濾失、抑制性和潤滑性等優(yōu)點[4-5]；XC為高分子生物聚合物，是一種高效提黏劑。

在湖北漢江大跨越勘察施工中，考慮到現場泥漿配置條件，要求選用的泥漿配方具有配制簡便、泥漿性能優(yōu)、綠色環(huán)保等特點，對典型泥漿配方進行優(yōu)化設計。

首先配置充足基漿(8%普通膨潤土+0.2%純堿+0.1%燒堿)，將基漿充分預水化，使其有足夠的預水化時間，確保膨潤土在水中充分分散。其次在基漿基礎上添加不同配比處理劑，經過大量室內實驗，篩選出如下配方：

1)預水化基漿；2)預水化基漿+0.05%CMC+1%LG；3)預水化基漿+0.1%CMC+1%LG；4)預水化基漿+0.05%XC+1%LG。

針對松散破碎地層泥漿選用，優(yōu)先選用高黏度、強懸渣、易流動的泥漿配方。根據實驗測試結果，不同配方泥漿性能見表1。

表1 推薦的泥漿配方性能測試結果

現場擬采用配方4)LG植物膠泥漿，在勘察現場將普通膨潤土改用為優(yōu)質鈉基膨潤土，從而減少純堿、燒堿用量。最終配方為：8%優(yōu)質鈉基膨潤土+0.05%XC+1%LG。

3 現場應用效果

3.1 工程簡介

白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線路工程鐘祥漢江大跨越工程，跨越地點為磷礦鎮(zhèn)劉家莊村，桿塔采用“耐—直—直—耐”跨越方式，跨越檔距1 750 m。兩岸跨越塔立在堤外背水側河漫灘，錨塔立在堤內背水側。右岸跨越塔高程地面47.19 m，左岸跨越塔地面高程48.59 m。根據巖土勘測任務書要求，對擬建跨越塔基進行逐腿鉆探。

3.2 地層分布情況

根據勘察資料，擬建長江大跨越段的地層分布如下：

3.3 泥漿體系應用

現場采用XY-150型鉆機，開鉆前一日，現場開挖泥漿池，泥漿池底部鋪防水布，泥漿池中加入1 m3，倒入80 kg鈉基膨潤土，采用人力攪拌，確保膨潤土預水化充足，膨潤土充分預水化后加入10 kg LG植物膠，最后加入0.5 kg XC，充分攪拌后對泥漿進行循環(huán)[6]。

3.4 效果評價

通過使用LG植物膠泥漿，收獲了良好的鉆進效果，收獲巖心的完整度以及收獲率等均較之前有了顯著改善，尤其是在粉細砂等松散地層中使用時，由于其出色的護壁效果，鉆進過程中未出現塌孔等復雜情況，起下鉆過程中也比較順暢，整體施工效率得到極大改善。即便是在卵石層中施工，泥皮盡管較厚，但是隨著新配漿液的補充，其質量也獲得明顯提高。

現白鶴灘—江蘇±800 kV特高壓直流輸電線路工程鐘祥漢江大跨越工程勘察已圓滿完成。

4 結語

1)針對松散破碎地層，采用8%優(yōu)質鈉基膨潤土+0.05%XC+1%LG泥漿配方，材料用量少，配制簡單，配漿效率高，此體系具有較為理想的流變參數，流動性好，懸浮鉆屑能力強。

2)該泥漿配方具有強降濾失能力，潤滑效果好，能防止孔內復雜事故的發(fā)生，保證鉆進工作的安全順利進行，并提高鉆進效率。

3)LG植物膠與XC的配合應用提高了鉆井液的潤滑性及泥皮的膠結性，在孔壁形成致密的保護層，護壁效果較好，降低了孔內事故率，加快了施工進度。

4)該泥漿配方所用處理劑效果優(yōu)良，而且不含對環(huán)境有害的組分，降解產物也符合環(huán)保要求，具有良好的推廣價值。