硬-脆-碎不稳定地层钻探施工技术研究

硬\脆\碎不稳定地层钻探施工技术研究

摘要：针对四川那尔坝断裂地区在硬、脆、碎不稳定地层中进行工程地质钻探施工，经常遇到孔壁失稳，冲洗液漏失，取心困难等问题，采取有效的钻探技术措施，采用多种堵漏措施，取得了较好的效果。结合工程施工实践，对此3种问题的钻探技术工艺问题进了探讨，总结了该地区复杂地层钻探施工的经验，并提出今后在复杂地层中钻探施工减少停待及事故时间、提高钻探效率等的建议。

关键词：硬、脆、碎地层；孔壁失稳；冲洗液漏失；取心困难

1、工程及地质概况

四川省煤田地质局141队承担的西昌一攀枝花高速公路B标段ZK131-ZK135段详勘钻探施工项目，共完成8个施工点（其中边坡2个工点，桥基3个工点，隧道2个工点，挡墙1个工点），竣工钻孔55个，进尺2500M （其中孔深超过100M的有6个钻孔进尺984M）。

施工区位于川滇大峡谷中的中生界三叠系与元古界前震旦系断裂挤压破碎带，施工区内叫那尔坝断裂，并伴有火成岩侵入体，区内地形为单面山斜坡地，海拔一般在1020 ～1780 m，相对高差760 m，岩层顷角50-70°。矿区地形起伏大、切割深，植被发育，基岩裸露程度一般，地质工作条件相对较差，给钻探施工带来了较大的难度。

区内出露地层主要有：第四系、上第三系、侏罗系、三叠系、前震旦系。地表多为第四系坡积物，厚度0-58M，主要岩层有石英砂岩、石英片岩、千枚岩、角闪片岩、角砾岩、砂岩、紫红色砂泥岩、页岩等、均属硬、脆、碎不稳定地层，部分钻孔要穿过Fl、F4断层，给钻探工作带来很多的问题。

2、硬、脆、碎地层钻探施工概述

硬、脆、碎地层是工程地质钻探中常见的不稳定地层，其基本特征是节理、片理、裂隙发育、粘性低或无粘性、抗磨性低、钻具回转振动易破碎或酥脆、怕冲刷、易磨损、流失、不易取去完整岩心。这种地层一旦被钻开，很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态，使孔壁失去约束而产生不稳定，在钻进时易发生塌孔、掉块，冲洗液漏失严重，易发生卡、埋钻等孔内事故及采心困难。在这种地层中钻进的关键是选择合理钻进方法，采用先进的钻探工艺技术，重点预防钻进时的孔壁坍塌及冲洗液漏失，提高岩心采取率及钻进钻率。

3、钻孔孔壁稳定技术

硬、脆、碎地层钻进中绝大部分孔内事故发生在孔壁方面，保护孔壁的稳定是提高其钻进效率的关键。

3.1孔壁不稳定的主要表现

孔壁失稳塌落下来的掉块，碎粒聚积在环状间隙阻塞冲洗液循环通路，使泵压增高，时常造成岩心阻塞现象。同时钻进过程钻具旋转不灵，提动困难，提钻时负荷增加，严重时发生卡钻。钻具提离孔底塌落物将使钻孔局部阻塞，钻具下不到底。更为严重的是易酿成恶性卡钻，埋钻事故；钴具拆断后，不易摸到断头；在塌陷处继续钻进很容易使钻孔偏离设计轴线，发生钻孔弯曲。

3.2孔壁不稳定的原因探讨

硬、脆、碎地层钻进造成孔壁失稳的原因很多，主要有地应力作用，裂隙、断层构造，液动压力、冲洗液、钻进方法等因素。这些因素有时共同起作用，有时是某一因素起着主导作用。

3.2.1地质因素与地应力作用的影响。地层节理、片理、裂隙发育、还受断层、地下水活动影响。当处于应力平衡状态下的地层被钻开后，孔壁周围的地层必须承受由于维持新的应力平衡而重新分配的应力，如果地层本身强度不够，孔壁将被坏造成孔壁失去稳定。

3.2.2液动压力与冲洗液作用的影响。对于硬、脆、碎地层，当孔内液柱压力不足时，在上覆地层压力作用下，就被压成碎粒而掉落孔内，造成孔壁扩大，其下钻具遇阻，孔内被塌落物充填，造成塌孔事故。冲洗液在保护孔壁、排泄岩屑，冷却钻头等方面具有积极的作用，若使用不当，也会对地层造成破坏，主要包括地层的水化和对孔壁的直接冲刷。

3.2.3钻进工艺技术的影响。如剋岩蘑料，冲洗液、钻孔结构、孔深、孔径、裸眼时间等与地层的适应性，钻进方法，钻进参数的选择与地层的适应性；钻探操作技术的熟炼成度等因素。此外，使用弯曲钻杆、钻具，回转和升降时产生对孔壁的碰撞或敲打等人为因素对孔壁稳定也有一定的影响。

3.3稳定孔壁的措施

针对硬、脆、碎不稳定地层钻探施工的难度，在现有技术条件下，应主动采取钻孔护壁的预防措施。

3.3.1采用恰当的钻孔护壁措施

(1) 隔离不稳定坡积物层段。用套管隔离基岩上部坡积物层段，作好孔口管止水工作，同时要考虑钻孔结构，选用恰当的套管口径，一般采用中Φ127—Φ146rnrn套管为宣。

(2)胶结加固或造壁。一般采用投粘土球、水泥球、灌注水泥砂浆、植物胶浆液等方法固结不稳定孔壁，并造出泥孔壁、水泥孔壁、植物胶孔壁。

(3)采用防塌泥浆。一般要求“一低、二高、二适当”即低失水，高矿化度、高滤液粘度、适当的比重和粘度。选用具有较好护壁效果、护胶作用、润滑性好、泵压低等性能的SM植物胶作冲洗液。基本配方为纳土粉+SM+Na-cmc（用于水敏性地层）：纳土粉+SM+KHM+Na-cmc（用于破碎地层）该冲洗液对硬、脆、碎地层有较强抑制性。

3.3.2严格执行钻探操作规程

钻进过程中，要控制起下钻速度，操作升降机要平稳，尽量减少惯性效应；要加强冲洗液管理；钻具结构级配应合理以减少对孔壁的机械破坏作用；应认真判断壁情况，当孔壁出现不稳定预兆时，要立即采取措施，以防孔壁坍塌造成孔内事故；并尽可能快速钻进通过不稳定孔段并终孔，以缩短钻孔裸露和浸泡时间，这是保持孔壁相对稳定的一项积极性措施。

4、钻孔冲洗液防漏技术

在硬、脆、碎不稳定地层中钻进经常发生的另一具有严重后果的孔内事故是钻孔冲洗液的漏失。对于漏失、坍塌等复杂孔段，施工均采用了调整冲洗液性能、泥浆封堵及套管隔离等综合技术措施。

4.1预防措施

4.1.1调整冲洗液性能

漏失时应降低冲洗液比重，漏水或坍塌应加大比重。选用低密度的冲洗液可以减小孔内的静拄压力，是预防漏失的有效方法，但孔壁坍塌又要求提高密度，所以要全面权衡抓住主要矛盾，调整好合理的冲洗液性能，有利于硬、脆、碎地层钻进时的护壁与堵漏。

液动压力的大小除与泵量有关外，主要取决于冲洗液的流变特性。钻进漏失地层时，

钻孔较深而孔径较小时应采用低粘度、低动力的冲洗液，以减小循环时流动阻力，降低液动压力，可以防止漏失或减小漏失强度，在浅孔漏失地层钻进行，由于地层松散不稳定，地层压力又小且钻孔直径较大的情况下，应采用低密度、高粘度、高切力的冲洗液，对防治漏失是比较好的办法，因为在较高的液动压力下可有效地在孔隙中扩散渗透并堵塞漏失通道。

常用的有利于预防漏失的冲洗液有：PHP+KHM+Na-cmc泥浆：纳土粉+SM 植物胶泥浆，不分散低固相泥浆等均具有阼为优质泥的剪切稀释性能。

4.1.2 合理施工

减小压力激动，避免地层水力压裂，开始钻进时冲洗循环采用低压，小泵量