繩索取芯技術應用中的井壁穩定性研究

關鍵詞：井壁失穩；繩索取芯；鉆井液；協同防塌理論

中圖分類號：Ｐ６３４．５ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０２３

引用格式：謝飛，左蕓，李新，等．繩索取芯技術應用中的井壁穩定性研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：１３６－１３９，１４５．

０引言

繩索取芯鉆進是一種高效率、高采取率、輔助時間短且質量可靠的鉆井方法。然而，隨著水利工程鉆探的發展，遇到復雜地質條件的情況越來越普遍，對深孔和超深孔繩索取芯鉆進技術的優化和完善變得尤為重要。在實際鉆進過程中，常常會遇到井壁不穩定的問題，如孔內掉塊、坍陷、縮頸和超頸等，對鉆井工程安全造成巨大的危害。此外，在鉆進過程中還會遇到鉆井液漏失、涌水等問題，這些都對繩索取芯的效率和質量產生了不利影響。目前，針對該技術施工事故，許多學者提出了處理方法，例如：李順強等［１］ 在繩索取芯過程中發現易塌層出現鉆孔偏心現象，通過制作偏芯鍥實現了繞障作業；張英傳等［２］ 在水敏性復雜地層鉆進施工過程中發現了鉆桿斷裂，通過加工可退式撈矛完成了鉆桿打撈；裴森龍等［３］ 在破碎、漏失地層鉆進施工過程中發現了嚴重跑鉆事故，在導向擴孔鉆進技術的輔助下完成了鉆探任務。可見，上述繩索取芯施工大多需要其他技術輔助，不具有實用性，無法廣泛應用。

為避免復雜地層中各類井下事故的發生，還需要改進鉆探技術的一般工藝［４］ 。合適的鉆井液體系可以有效應對繩索取芯技術在復雜地層鉆探施工過程中發生的上塌下漏等問題。寸猛等［５］ 將低摩阻的黏彈性表面活性劑鉆井液體系應用到水利工程鉆探，解決了常規鉆井液體系配方復雜、難降解、引起內管壁結泥皮等問題；代萬慶等［６］ 采用配制的密度低、流變性和抑制性強的鉆井液成功鉆穿水敏地層；李寧［７］ 研制的新型成膜助劑，使鉆井液體系具備較好的抗塌性能。目前，常見的鉆井液體系往往對某種地層具有一定的可行性，但鉆遇地層往往是多種復雜地層的集合體，單一屬性的地層少之又少，頻繁換漿增加了鉆進成本，因此需要研制一種綜合性鉆井液，以滿足淺部或深部復雜地層鉆探取芯要求。

筆者從多角度對井壁不穩定因素進行分析，結合實際研制出一種針對復雜地層的防塌鉆井液體系，以期促進繩索取芯鉆進技術在水工鉆探施工中順利、高質量地成孔，更好地服務于水利水電工程建設。

１繩索取芯過程中井壁不穩定因素

井壁不穩定是由多個因素共同作用引起的，涉及井筒液柱壓力、地層的巖石力學特性以及鉆井液性能等［８－９］ ，在深井和超深井的鉆進中，還與井口周圍溫度變化引起的額外溫度應力有關。總的來說，引起井壁不穩定的因素十分復雜，其本質在于井筒的力學不穩定性，即井壁在受到內外力作用時無法保持穩定，可以把不穩定因素分為地質因素和工程因素兩大類。

１．１地質因素

１）巖石本身性質。在鉆進過程中泥頁巖地層容易發生失穩現象，泥頁巖中的黏土礦物含量為２０％ ～３０％。當泥頁巖中黏土礦物和伊蒙混層較多時，部分黏土礦物的水化能力較強，容易導致泥頁巖非均勻膨脹，從而弱化泥頁巖的結構強度。此外，泥頁巖成巖過程中，層理面和紋理發育比較明顯，即使在較小的構造力作用下，也容易發生斷裂并釋放能量，形成許多微細裂紋，即毛細管通道。這些微細裂紋常常成為鉆井液濾液進入井壁的通道，從而導致井壁垮塌。

２）地應力。不同深度的地層存在不同的構造應力且處于相對穩定的狀態，當井眼形成時，原有的平衡狀態被破壞，井眼周圍的應力將重新分配，此時井眼周圍受到來自上覆巖層的壓力（σ_１）、巖石孔隙流體的壓力（Ｐ_Ｐ ）、水平地應力（σ_２、σ_３）、鉆井液液柱壓力（Ｐ_ｈ），其中σ_１、σ_２、σ_３統稱地應力，井眼周圍地層巖石受力示意見圖１。當井筒內鉆井液液柱壓力不足以支撐地層的橫向力時，一些不穩定的巖層將發生剪切破壞和坍塌。當井壁巖石的最大主應力和最小主應力之間的差異較大時，也會導致井壁不穩定。在應力作用下，孔壁不穩定情況可分為３ 種：孔眼縮小、孔眼擴大、孔壁發生漏失［１０］ ，見圖２。

３）地層強度。地層強度涵蓋地層內摩擦角、抗拉強度、抗壓強度、泊松比、凝聚力等。以凝聚力為例，凝聚力越大巖層的膠結程度越好、抗剪切能力越強，不需要太高的液柱壓力維持井壁穩定［１１－１２］ 。地層強度較高時坍塌壓力較小，破裂壓力及鉆井液密度的“安全窗口高”時，井壁穩定性強。值得注意的是，地層強度對淺井井壁穩定性影響較大，通常需要改變鉆井液密度來維持井壁穩定性，尤其要從提高黏度、減少濾失量等角度考慮。

１．２工程因素

１）鉆井液。鉆井液的密度對于井筒的穩定性至關重要。通過維持適當的鉆井液密度，可以提供足夠的支撐力來彌補地層強度的不足。如果鉆井液密度過低，則會導致井筒周圍的徑向應力和切向應力之間的差異增大［１３］ ，當這種差異超過巖石的剪切強度時，井筒容易發生剪切破壞；相反，當井筒周圍的應力差異減小到一定程度時，井筒會發生拉伸破壞。此外，鉆井液液柱壓力和地層孔隙壓力之間的壓力差也是影響井筒穩定性的因素，如果該壓力差太大，則會導致鉆井液中的游離水滲入地層，改變井筒周圍巖體的有效應力，進而影響井筒的穩定性。

鉆井液滲透作用對井壁的穩定性也有較大影響。巖體在成巖過程中存在層理面和紋理，當鉆井液的電解質濃度低于巖石體的電解質濃度時，鉆井液中的水分子會滲透到具有滲透性的地層中，導致巖石和土壤軟化、泥化、膨脹等不良效應，逐漸惡化巖石和土壤的性質，這種惡化過程可能進一步發展為井筒的變形、不穩定和破壞。尤其是當鉆井液質量不佳且無法有效抑制水分損失時，情況將變得更加嚴重。

根據繩索取芯鉆進過程中的實踐經驗，薄而密的泥皮和較小的失水量能減少鉆井液中水分流失，從而保證井壁穩定，同時薄而密的泥皮能減小鉆進阻力，在使用低固相鉆井液配方時，添加表面活性劑或油珠可以顯著增強鉆井液外皮的黏性和潤滑性，形成具有較好潤滑性能的泥皮。

鉆井液的黏度和黏結性也會對井壁穩定產生一定影響，通常鉆井液為非牛頓流體，其滲流公式如下：

式中：Ｖ 為滲流速度，Ｋ 為滲透率，Ｐ 為鉆井液壓力，μ為鉆井液表觀黏度，Ｈ 為滲流地層的高度，τ_ｄ為鉆井液動切力，φ 為地層孔隙度，ｋ 為滲透率系數。

從式（１）中可以看出，滲流的發生與鉆井液的壓力、黏度、動切力等因素有關［９］ 。以動切力為例，當動切力較大時，鉆井液在井眼周圍形成較強的屏障，能有效防止滲流發生；然而，如果動切力過大，鉆井液會過度攜帶巖屑，加劇對井筒的磨損，從而會使得不穩定井壁上膠結程度低的巖體發生脫落，引起井筒擴大等問題。因此，在繩索取芯鉆進過程中，需要保持適當的滲流速度，通過調節鉆井液的黏度，控制滲入鉆孔周圍巖層的液體的黏附能力。較高的黏附能力意味著鉆井液能更好地與孔壁結合，提供更強的支撐力和更好的穩定性。

２）鉆進工藝。繩索取芯鉆進技術的工藝特點決定了鉆具與孔壁的間隙相對較小［１４］ 。當鉆井液排量較大時，鉆井環空流體通常處于紊流狀態，這會導致鉆井井壁面臨較嚴重的沖刷問題；相反，當環空流體排量較小時，流體處于層流狀態，這可能導致不穩定地層發生縮頸現象。

在實際的繩索取芯操作中，常會面臨壓力激增的風險［１５－１６］ 。如果泵啟動過于強勁、鉆進速度過快，就有可能導致井內壓力瞬間超過地層破裂壓力；而如果出鉆速度過快，就容易產生負壓，使井內壓力瞬間降低至地層的崩塌壓力以下。此外，在鉆具穿越不穩定地層過程中，鉆具的干擾容易誘發井眼不穩定。鉆井液補充不及時或發生井漏等，容易使環空的液柱壓力下降，使某些巖層失去支撐從而發生坍塌。井斜和方位也會對井壁穩定性產生影響，當井眼偏離最小水平主應力方向或者偏離最大水平主應力與最小主應力的中分線時，井眼容易出現不穩定現象。

總之，在繩索取芯鉆進過程中，地層井壁穩定性受多種因素的影響，這些因素之間的相互作用相當復雜。本文結合某重大供水工程中的鉆孔ＤＺＫ４ 鉆進過程，對其井壁穩定性進行初步分析。

２ ＤＺＫ４ 孔的施工工藝

２．１鉆孔概況

ＤＺＫ４ 孔所在地層以砂巖、粉砂巖為主，斷裂、褶皺構造較為發育，可鉆等級為４～５ 級，地層性質見表１。孔內坍塌、掉塊、漏失嚴重，施工難度較大。

針對工程區覆蓋層淺且含有礫石層的特點，為了快速穿越淺層破碎帶，減少上下鉆次數，降低抽吸作用引起的井壁激動壓力，采用了復合片鉆進技術。該孔采用常規的三級套管四級變徑的成孔方式： 一開Φ１５０ ｍｍ口徑鉆穿覆蓋層，下入Φ１４６ ｍｍ 套管；二開Φ１２２ ｍｍ 口徑鉆穿破碎層；三開Φ９８ ｍｍ 口徑鉆穿漏失不穩定地層，并下入Φ８９ｍｍ 套管；四開Φ７５ ｍｍ 口徑至終孔。井深結構設計見圖３。

２．２孔內井壁失穩處理及防塌機理分析

２．２．１地層對鉆井液泥漿需求

由表１ 可知，該井所處地層大部分為粉質黏土、砂質泥巖、粉砂巖等不穩定地層。取該井巖樣進行巖礦鑒定，結果見表２，該井地層成分以高嶺石、伊利石、蒙脫石為主。

當地層為吸水性較強的高嶺石和伊利石時，會產生以下影響：

１）減小井壁穩定性。當大量高嶺石和伊利石進入鉆井液時，會增加鉆井液的黏稠度，使得鉆井液固相體積增大，從而增大井壁的孔隙壓力，增加井壁崩塌和塌陷的風險。

２）增大鉆井摩阻力。高嶺石和伊利石顆粒具有一定的硬度和尖銳度，它們進入鉆井液后可能與鉆頭或井壁摩擦，增大鉆井的摩阻力，導致鉆頭磨損加劇，降低鉆進效率，甚至導致鉆頭卡失或卡鉆。

３）降低井壁質量。高嶺石和伊利石顆粒進入鉆井液后，會與鉆井液中的添加劑和化學物質發生反應，影響井壁的強度和完整性，導致井壁質量降低，增加井壁漏失和井下環境污染的風險。

基于該地層特點，對鉆井液性能要求如下：１）低濾失量，減緩井壁的吸水速度；２）低密度，防止液柱壓力過高、增加黏土水化膨脹的風險；３）流動性好，降低循環泵壓，提高鉆井效率；４） 抑制性強，防止過分吸水、井壁坍塌掉塊。

２．２．２鉆井液的設計思路及確定

該井地層包括常見的水敏地層、巖屑地層等，具有多種不利于井壁穩定的因素，結合巖體成分、水化機理、井深結構設計以及泥漿性能需求，選擇具有有效提高鉆井液黏度和稠度的ＳＨ 植物膠以及膨潤土為主劑；選擇合適的高分子處理劑種類，增強產品的懸浮能力、抑制黏土水化膨脹；選擇具有高黏彈性的表面活性劑，為其提供較好的潤濕性能和潤滑性能；持續浸泡時間過長會導致孔壁剝落和坍塌，為確保井壁的完整性，需要再加入護壁劑。

為了長期解決此類復雜地層的井壁穩定問題，提出了“陽離子－高黏結－潤濕反轉－化學抑制－密度合理支撐”的協同防塌機理（見圖４），結合該機理提出的鉆井液配方（配方比例為各材料占整個鉆井液質量之比）見表３。

表３ 中膨潤土是一種具有正電性陽離子的黏土礦物，通過吸附在孔壁表面形成薄膜，增強孔壁的支撐能力，防止孔壁剝落和坍塌。ＳＨ 植物膠具有高黏結性能，在鉆井液中能形成黏稠的膠體，增強液相與孔壁的黏附性，從而增強孔壁穩定性。聚丙烯酰胺中的酰胺基團形成的共價鍵可以提高液相的黏度和稠度，增強液相與孔壁的黏附力，有化學抑制作用。光譜護壁劑也具有化學抑制作用，能夠和鉆井液中的化學成分及地層中的離子發生反應，形成穩定的薄膜覆蓋在孔壁上，降低孔壁剝落和坍塌的可能性。纖維素具有較強的吸附和黏結能力，能夠與鉆井液中的其他成分形成結構穩定的膠體，從而增大液相的黏度，提高孔壁的支撐能力。十六烷基三甲基溴化銨能夠降低鉆井液與地層水之間的界面張力，改善潤濕性能，使得鉆井液更好地與地層接觸，提高孔壁的穩定性。

按照上述配方配制的鉆井液的功能主要是：提高孔壁支撐力和穩定性、提高液相黏度和黏附力、降低孔壁剝落和坍塌的可能性、增強鉆井液與地層的接觸性能，進而維持鉆井作業安全高效地進行。

在ＤＺＫ４孔鉆進過程中，采用上述配方有效解決孔壁失穩、單動雙管取芯管壁結垢等問題，取得了良好使用效果，有效提高了鉆進效率和鉆探工程質量，同時明顯減少孔內事故發生，大幅提高成孔質量。現場鉆井液監測結果見表４，從現場使用情況看，除鉆井液在部分孔段和造漿地層存在少量滲漿外，其他參數都達到鉆井液的控制標準，可見鉆井液性能較為穩定。

３結束語

當前復雜深孔繩索取芯鉆進技術存在護壁難度大、回轉阻力較大、鉆頭磨損等諸多問題。本文以鉆井液作為切入點，對于大多數易坍塌地層、水敏地層，提出“陽離子－高黏結－潤濕反轉－化學抑制－密度合理支撐”的協同防塌機理，結合實際情況進行鉆井液配制，提高了鉆探過程中井壁的穩定性和安全性，確保復雜地層鉆井技術持續發展。