松嫩盆地西緣巨厚砂礫層鉆探施工技術方法研究

鹿傳磊 張朋偉 劉占寧

(1.中國地質調查局 哈爾濱自然資源綜合調查中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.安陽工學院，河南 安陽 455000)

鉆探施工是從普查階段到勘探階段最重要的過程之一。巨厚砂礫層在各類地質施工中面臨諸多問題[1-2]，巨厚砂礫層裸孔鉆進施工會出現塌孔、取芯困難等問題[3-4]。該研究針對西緣巨厚砂礫層鉆探施工時存在的問題展開分析，提出解決方案。

1 概述

研究區位于黑龍江省與內蒙古自治區交界處，區內大地構造位于興蒙造山帶東段，橫跨興安地塊與松嫩地塊，是古亞洲構造域的重要組成部分。工作區屬于大興安嶺北段東坡向松嫩盆地過渡地帶，地勢西北高東南低，西北最高海拔429 m，東南最低海拔170 m。所施工地層為新生界第四系，是現代河床、高低河漫灘積層、心灘堆積而成，主要物質組成為砂礫石、粉細砂、砂質粘土、淤泥，如圖1、圖2。

圖1 第四紀砂礫石巖心

圖2 第四紀剖面河流相堆積物特征

2 鉆探施工中的問題及其原因分析

鉆探施工過程中出現了鉆頭與鉆具連接處斷裂、需要反復掃孔、泵壓增高、轉阻力變大等現象，推測鉆進中出現了坍塌、掉塊、縮徑問題。

2.1 鉆頭脫落問題及原因

施工ZK12 號孔過程中，當鉆進至12 m 時，鉆頭與鉆具連接處斷裂，鉆頭掉進孔內。出現鉆頭脫落的主要原因是鉆頭水口小，大顆粒砂礫石不能及時從孔底排除，在鉆頭與鉆具連接處狹小空間越積越多，造成快速磨損。當此處砂礫石累積到一定程度，出現鉆具旋轉阻力加大，磨損加快，鉆頭與鉆機接觸面被逐漸磨薄，最終導致鉆頭與鉆具完全分離，鉆頭掉入孔底。

2.2 鉆孔坍塌、掉塊、縮徑問題及原因

鉆進ZK18 鉆孔時，在20～45 m 處上鉆后再下鉆下不去，需要反復掃孔，同時出現泵壓增高、回轉阻力變大。以上情況在該孔段反復出現。根據施工經驗判斷在此孔段出現坍塌、掉塊、縮徑，分析認為出現上述問題的原因有以下4 點：

（1）沖洗液性能指標調配不合理。施工地層為砂礫石層，覆蓋厚度大于40 m，顆粒粒徑大小不均，有的甚至大于20 cm，調配的膨潤土泥漿的性能指標沒有完全達到將所有砂礫石完全排除到孔外的效果，導致巖粉在孔內越積越多，在有限孔壁環狀間隙產生“滯澀”，阻礙泥漿正常循環，泵壓升高，造成憋泵。大量水分被壓入孔壁，破壞孔壁穩定，孔內壓力失去平衡，結構松散、無膠結、大小不均的砂礫石失去平衡從孔壁脫落形成坍塌、掉塊等。

（2）操作不當。人員操作不當，上下鉆速度過快，抽吸壓力過大，在孔壁狹小環狀間隙內形成負壓，超常的激動壓力破壞了孔壁的壓力平衡，造成鉆孔縮徑、坍塌。

（3）地下動水壓力大。該區含水層淺，地下裂隙、暗河發育，動水壓力對孔壁穩定造成不利影響。地下水動水壓力及孔隙水壓力大于孔內沖洗液自重壓力時，引起孔壁失穩鉆孔坍塌。

（4）泥漿泵的性能參數與地層不匹配。所使用的泥漿泵為BW-200 型，鉆進地層的顆粒粒徑較大，現有水泵的泵壓和泵量不能滿足將孔內所有巖屑完全排出的條件，造成排不出的巖粉在孔內大量堆積，從而影響正常鉆進造成埋鉆事故。

3 施工工藝參數改進方案

3.1 調整鉆頭類型

研究調整鉆頭類型，購進了湖北長鉆公司生產的六齒復合片肋骨鉆頭，規格為Φ110 mm/133 mm，形狀為六齒階梯肋骨球片，適用于破碎泥巖、砂礫石層、細分砂層、土層及較軟的巖層。該鉆頭特點是：（1）保徑好、耐磨（主要是加工過程中加入了加強石油片）、抗沖擊。（2）鉆頭階梯式設計，采用錯位焊接工藝，能提高鉆進效率。（3）大水口、高胎體設計，擴大了砂礫石的流通通道，提升了沖洗液攜帶碎屑的能力。

圖3 為改進后六齒復合片肋骨鉆頭，圖4 為改進前普通金剛石鉆頭。

圖3 復合片肋骨鉆頭

圖4 金剛石鉆頭

3.2 泥漿護壁技術

在第四系松散深厚砂礫石層施工，優質泥漿護壁起到關鍵作用[5]，該層對泥漿的性能要求為高固相、高粘度30～40 s、比重1.2 左右、低失水量9～13 mL/min、膠體率97%、含砂量小于5%、pH 值為7～8。

泥 漿 配 方：1 0%～1 5% 膨 潤 土+1%～3%CMC+0.3%～0.5% 火堿（膨潤土要選擇造漿效果好、含沙量低的，CMC 選擇分子量大于2300 萬速溶型）。

配置方法：準備好一個1000 L 和100 L 的攪拌桶，分別用來配置基漿和CMC。

（1）配置基漿。配方為水:膨潤土（鈉基）:火堿=780:120:4（重量比）。

（2）配置CMC。配方為水: CMC=90:10（重量比）。

（3）將配置好的CMC 溶液倒入基漿攪拌均勻即可使用。

（4）現場測定性能參數。將基漿和CMC 通過充分攪拌使其溶解，現場測定其性能參數為：失水量10 mL/30 min，粘度35 s，pH 值為10，含沙量1%。用該性能泥漿施工的4 個鉆孔，砂礫層厚度均大于40 m，終孔深度最深182 m，采取裸眼鉆進，都安全順利終孔，達到了預期地質效果。

3.3 泥漿參數動態優化與孔口泥漿回灌

鉆進過程中發現孔口返出的泥漿變稀，應對泥漿指標及時測定，性能下降必須停鉆對泥漿重新配置，使泥漿的各項性能參數滿足要求后方可鉆進。在上鉆后和下鉆前，從孔口向孔內回灌泥漿，保持孔內壓力平衡，防止動水流沖垮孔壁，造成鉆孔坍塌。

3.4 匹配大功率泥漿泵

將BW-200 型單作用泥漿泵換成450 型三缸雙作用泥漿泵，更換后新泵的泵壓和泵量同時增大，能將孔內大顆粒的砂礫石完全排出，保持孔內干凈，避免埋鉆事故發生。

4 結論

分析鉆頭斷裂脫落的主要原因是大顆粒砂礫石在鉆頭與鉆具連接處集聚，鉆具旋轉阻力增大，磨損加劇，最終導致鉆頭斷裂脫落。造成鉆進中出現坍塌、掉塊、縮徑的主要原因是沖洗液性能指標調配不合理，地下動水壓力大，泥漿泵的性能參數與地層不匹配。研究采用了有保徑、大水口、錯位焊接的高胎體復合片肋骨鉆頭解決鉆頭斷裂脫落問題，通過改性泥漿材料性質增強泥漿護壁效果；通過調整泥漿參數配合泥漿回灌保持孔內壓力平衡，防止水流沖垮孔壁；通過更換高效泥漿泵充分排出大顆粒砂礫石，最終解決了鉆頭斷裂脫落、鉆孔崩塌、縮徑等施工問題。研究使得鉆進施工效率不斷提高，保證了鉆進施工安全經濟高效。

研究顯示，施工工藝改變前每班進尺7～8 m，改變施工工藝后每班進尺12～15 m。改變工藝前，Zk15 號孔設計孔深110 m，終孔深度113.80 m，施工用時13 d，平均每天進尺8.75 m；改變施工工藝后，施工ZK16 號鉆孔，設計孔深100 m，終孔孔深105.30 m，用時7 d，平均每天進尺18.04 m。改進后日施工效率提升106.2%，施工效率得到了極大提高，解決了鉆進施工緩慢的現狀。施工成本由原來350 元/ m，降低到260 元/ m。