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在构造断层带钻进中维护孔壁稳定的措施

发表时间：2021/6/22 来源：《基层建设》2021年第6期作者：韩刚陈刚郭旺

[导读] 摘要：在青海拉脊山北缘构造断层带进行勘探，分析岩石成分，找出地层泥化严重的原因。

        黄河勘测规划设计研究院有限公司岩土工程事业部河南洛阳 471002
        摘要：在青海拉脊山北缘构造断层带进行勘探，分析岩石成分，找出地层泥化严重的原因。为减少在构造断层带成孔时发生塌孔、埋钻、烧钻等事故，从流变性能、抑制性能及隔水性能等方面入手对冲洗液进行调配，探索总结适应不同地层的冲洗液，并测量性能参数，总结性能指标。配合跟管钻进技术，成功的完成超过700m的钻孔勘探。
        关键词：千枚岩与砂岩互层；绳索取芯；冲洗液调配
        近几年来，随着西部开发的加快，国家为做好西部地区生态补水，改善生态环境，西部地区各个引调水重大战略工程陆续开展，引黄济宁工程应运而生。在前期规划规划中，引水线路为深埋线路，引水隧洞需要在地下100-1200m的深度穿过多个断层构造带，地层结构对隧洞的安全至关重要。为探明断层构造带的地层结构和水文特性，布置了多个勘探钻孔。
        1工程概况
        该引水工程的设计自流方案从龙羊峡水库取水，穿越拉脊山自流至湟中县汉东乡，终点在多巴镇的山坡坡脚，长度76.30km。沿线目前布设了多个深孔，其中在拉脊山北缘断层破碎带处布置在钻孔一个，设计孔深710m，该位置为5#预处理竖井位置，因此钻孔的地质信息对后续竖井及硐深段施工有重要意义。
        2地质条件
        该工作区属构造侵蚀中山丘陵地貌，分布在拉脊山北侧的中高山带，海拔为3140m。邻边出露的岩石显示地层为强风化千枚岩，岩层倾角约为45°～70°。
        区域地质资料显示，所在位置地层从上至下分别为：
        （1）第四系（Q）：受沉积环境与构造的制约，成因类型较为复杂、岩性变化大，且含夹层带。表层以黄褐色且松散的碎石土为主；
        （2）震旦系青石坡组：青灰色～灰黑色千枚状板岩夹砂岩；
        （3）古元古界（Pt1）：岩性复杂的高绿片岩相-片麻岩相中-深变质岩系，变质程度深且有不同的混合岩化。岩性由托赖岩群片岩岩组、托赖岩群片麻岩岩组、东岔沟组组成，岩性主要为灰绿色、灰白色、深灰绿色、褐色厚层、巨厚层云母石英片岩，夹千枚岩、千枚状泥炭质板岩、花岗片麻岩、云母角闪片岩、角闪片岩、石英岩、石英片岩、变砂岩、石英角闪片麻岩等。
        3孔壁失稳原因分析
        钻孔布设在倒淌河～循化区域性活动大断裂处，该位置地层受构造断裂带影响，地层变化不一，错综复杂。
        上部第四系地层砂土、大直径砾石、砂砾石层等无规律变化。
        下部地层主要为砂岩和千枚质板岩互层。千枚质板岩节理发育，局部夹杂着石英岩脉及其它填充物质。该层岩性松软，遇水易泥化、软化，有涨缩性，变形量大，在钻探施工过程中属于软弱地层，钻进速度较快，但容易发生孔壁失稳破坏，引发掉块、卡钻等问题，造成下钻受阻及孔斜、孔塌等孔内事故。
        失稳破坏的主要原因有：
        （1）钻进取芯后，岩层径向应力超过抗剪力；
        （2）冲洗液的密度过小，使压力差超过岩石强度极限；
        （3）千枚质板岩遭遇长时间浸泡，冲洗以及频繁提下钻，易泥化分解。
        4维持和保护孔壁稳定的措施
        4.1套管护壁
        （1）常规套管护壁
        在钻进至一定深度后，为保证孔壁的安全，提出钻具，把匹配的套管下入孔内，将不稳定地层隔开。
        （2）跟管钻进技术
        在钻进过程中，直接采用套管作为动力传输，向孔内传递能量，钻具组合接在套管上，边钻进边下套管，完成后做钻杆用的套管留在孔内。将钻进和下套管合并成一个作业过程，钻头和工具的起下在套管能进行，不再需要常规的起下钻作业。
        套管钻进的优势：
        （1）节省钻进时间；
        （2）减少孔内事故；
        （3）保持其下钻时钻井液的连续循环；
        （4）改善水利参数、环空上返速度；
        4.2采用抑制水化并维持孔壁稳定的冲洗液
        冲洗液应具有降低水化作用以及维护孔壁稳定的作用。冲洗液的滤失性要低，隔离性能好，可阻止或减少冲洗液中的水进入地层。
        做好对冲洗液的维护，确保冲洗液性能稳定。现场工作时，及时清理冲洗液中的砂砾，并补充冲洗液材料。
        5套管钻进技术的应用
        在生产过程中，为了维持孔壁稳定，使用了跟管钻进技术。
        （1）使用φ219mm厚壁套管隔离地表的覆盖层；
        （2）φ122mm绳索取芯钻杆做为第二级套管，钻进至200m深度后，可改用φ98mm钻具继续钻进；
        （3）φ98mm绳索取芯钻杆做为第三级套管，钻进至400m深度后，可改用φ75mm钻具继续钻进并至终孔深度。
        5冲洗液的研究和调配
        5.1拟用添加剂
        （1）羧甲基纤维素：阻滞或降低化学反应速度，对辉石、蛇纹石、角闪石、高岺土、绿泥石等含镁硅酸盐矿物有很好的抑制作用；
        （2）解卡剂：沥青粉、多种表面活性剂及有机土组合而成，主要用于与其他介质材料配成各种密度的解卡液，有良好的润滑性和解卡性；
        （3）广谱护壁剂：有强成膜特性，隔水性好，抑制作用强；
        （4）高粘防塌剂：具备极强的护壁防塌功能，可以维护孔壁稳定，有利于孔内安全；而且具备极强的携砂功能，能把岩屑顺利带出孔外，促进起下钻的畅通无阻。
        （5）聚丙烯酸钾：具有抑制泥页岩及钻屑分散作用，兼有降失水、改善流型和增加润滑等性能。可以有效的抑制地层造浆并能与多种处理剂配伍，是一种应用广、较理想的井壁稳定剂。
        （6）聚丙烯酰胺：是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一。由于聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基、易形成氢键、使其具有良好的水溶性和很高的化学活性。

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        （7）CT-植物胶：由植物纤维经特殊工艺改性而成，具有良好的稳定孔壁及携带岩屑性能，适用于各种水基泥浆，常用于配制无固相冲洗液；
        （8）抗高温聚合物降滤失剂：具有良好的抗高温降滤失性，且对钻井液的粘度影响较小；
        （9）封堵防塌解卡剂：有良好的抗高温抗压作用和封堵防塌作用。抗温效果性好、无毒、低荧光，故非常适合于钻孔，是配制水基钻井液优良封堵防塌剂，可用于各种水基冲洗液液中，一般加量为1%-3%；
        （10）液体堵漏剂：与水作用后，迅速膨胀堵塞其裂缝，快速止水；亦可与低量催化剂配合使用，依实际需要来调整发泡速度，以期达到止漏作用。
        5.2冲洗液配比及性能表
        （1）膨润土泥浆配方
        配比：1m水³+5%膨润土+1%纯碱（膨润土）；
        性能：粘度53.97s；比重1.03～1.04g/ cm³；失水量13ml/h；泥皮厚度2mm；泥皮韧性差。
        使用地层：第四系地层，碎石土为主，粒径大且松散；
        效果：平稳钻进，无坍塌.
        （2）抑制润滑泥浆配方
        配比：1m水³+2%膨润土+1%片碱+3%煤系抑制剂+3%封堵润滑解卡剂+2%广谱护壁剂；
        性能：粘度33.32s；比重1.06～1.07g/cm³；失水量11ml/h；泥皮厚度2mm；泥皮韧性中；
        使用地层：全风化千枚岩为主，偶夹砂岩块石，夹泥，节理发育，沿节理开裂倾角70°，局部充填石英脉，岩心破碎、夹层复杂；
        效果：可持续钻进，孔壁伴有缩径剥落，漏浆不明显。
        （3）高粘泥浆配方
        配比：1m³水+1%片碱+1.3%膨润土+1.5%广谱护壁剂+2%煤系抑制剂+0.2%高粘防塌剂；
        性能：粘度57.58s；比重1.05～1.08g/cm³；失水量10ml/h；泥皮厚度3mm；泥皮韧性中；
        使用地层：千枚质板岩为主，含泥化现象，局部泥化严重，含石英岩脉填充，局部变质严重，岩心破碎、夹层复杂、节理发育；
        效果：携返能力高，孔壁结皮，抑制失水较强。
        （4）低固相泥浆
        配比：1m³水+30kg膨润土+15kg聚丙烯酰胺+25kg广谱护壁剂；
        性能：粘度21.32s；比重1.04g/cm³；失水量9ml/h；泥皮厚度0.1mm；泥皮存在胶质感，密实；
        使用地层：千枚质板岩地层为主，节理发育，沿节理开裂，倾角70°，岩心破碎，含有泥化夹层，遇水剥落严重；
        效果：孔壁结皮，抑制失水较强。
        （5）植物胶配方
        配比：180L水+0.3kg片碱+5kg膨润土+3kg植物胶
        性能：漏斗粘度44s；比重1.03g/cm³；失水量9ml/h；泥皮厚度2mm；泥皮韧性适中；
        使用地层：千枚质板岩地层为主，节理发育，沿节理开裂，岩心破碎，夹层复杂；
        效果：护壁效果一般，岩心采取率高。
        （6）CT植物胶配方
        配比：1m³水+1.5kg片碱+37kg膨润土+50kgCT植物胶
        性能：粘度34.43s；比重1.03g/cm³；失水量8.5ml/h；泥皮厚度3mm；泥皮韧性差；
        使用地层：千枚质板岩地层为主，节理发育，沿节理开裂，岩心破碎，遇水剥落严重，含泥化现象；
        效果：护壁效果较好，岩心采取率高。
        （7）防塌泥浆配方
        配比：1m³水+10%膨润土+0.3%纯碱+0.1%片碱+3.5%防塌防卡剂+16%重晶石+0.2%高粘防塌剂；
        性能：粘度47.04s；比重1.223g/cm³；失水量4.9ml/h；泥皮厚度0.5mm；泥皮韧性较好；
        使用地层：千枚质板岩地层为主，节理发育，沿节理开裂，岩心破碎，遇水剥落严重，
        效果：高粘、大比重，防塌降失水，平衡地层压力较好。
        5.3冲洗液效果评价
        在此次复杂地层中钻进中，面对水化剥落、地层泥化和局部坍塌等衍生出的抱钻、下钻困难等问题，通过采用跟管钻进技术和调配冲洗液，反复尝试及组合使用，成功突破了水敏性地层塌孔频繁、护壁困难的难题，最终顺利完成此次勘探任务。
        6措施应用效果
        此次钻孔在接到生产任务后积极筹备，耗时180天完成710.30m的钻孔（天气严寒停工50天），全孔取心，岩心采取率达到90%，成功攻克水敏性地层坍塌的问题。
        7结论和建议
        随着社会不断进步，水文地质勘探钻进深度与技术要求也在不断提高，为能够适应激烈的市场竞争环境，水文地质勘探也在不断与先进钻探领域接轨，不断吸取采纳绳索取芯钻进工艺、冲洗液护壁技术和堵漏技术等先进钻探技术及处理方法和手段。在实践中，不断将引进来的技术进行改良和优化，使其更好的满足水文地质勘探技术要求，逐步形成水文地质勘探领域的先进技术，提高竞争力。
        参考文献：
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        【4】张强，纪卫军，彭雪华，付帆，杨巍青，陈映.炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系研究与应用.西部探矿工程.2005.11。