钻探泥浆护壁技术在长昆客运专线勘察水敏性地层的应用

林景新

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 长昆客运专线红毛岭隧道概况

沪昆客运专线东起上海，西至昆明，全长2 066 km，是我国《中长期铁路网规划》中“四纵四横”快速客运通道之一，全线设计时速350 km。沪昆客运专线以长沙为中点分为东西两段，东段由上海至长沙，由沪杭甬客运专线，杭长客运专线组成;西段由长沙经贵阳至昆明，为长昆客运专线。

1.1 红毛岭隧道概况

长昆客运专线红毛岭隧道入口位于涟源市白溪镇岩美村，出口在新邵县坪上镇芦山村，下穿坑义冲、陆家坟山、老虎冲、红毛岭、杀牛门、黄家坪、镇山岭、栗山岭八村。隧道里程范围为:DK167+555～DK171+905，全长4350m，共布钻孔6个(见表1)。

表1 红毛岭隧道钻孔布置参数

1.2 红毛岭隧道地层岩性及构造

根据区域地质资料，隧道区上覆第四系更新统残坡积层(Q3dl+el)，下伏基岩有泥盆系上统佘田桥组泥质灰岩、泥灰岩夹薄层页岩，泥质砂岩、钙质泥岩夹薄层状石灰岩及泥盆系中统棋梓桥组泥质灰岩与泥灰岩、钙质页岩互层。

红毛岭隧道地层中的泥岩、页岩属水敏性地层，遇水易膨胀、崩解。

红毛岭隧道地质构造复杂，位于芦家边—杨家冲向斜西翼，据区域地质资料:线路里程DK168+790和DK169+730附近发育2条断层，与线路夹角分别为76°和46°，断层破碎带宽度分别约为65m和105m。断层破碎带结构松散，其间多为泥质充填，遇水更易膨胀、崩解。

2 水敏性地层钻探存在的主要问题

在钻进过程中，水敏性地层主要存在钻孔易发生膨胀，缩径，泥浆增稠，钻头泥包，孔壁表面剥落、崩解、垮塌、超径等孔壁失稳及护壁困难问题。

另外，随着钻屑和孔壁中的泥质颗粒不断进入泥浆并参与钻井循环，泥浆的粘度不断升高，切力不断增大，泥浆流动越来越慢，泵压越来越高，钻具回转阻力越来越大。

(1)因为泥浆粘度增加，起下钻时钻具对孔壁的抽吸与压力越来越强烈，极易发生泥浆漏失、孔壁坍塌、卡钻、糊钻等孔内事故。

(2)因为钻具回转困难，泵压升高，钻头刻(磨)削岩石的阻力必然增大，效率降低，使得工期延长，生产成本升高。

09－ZD－10330、09－ZD－10332两个孔施工时，由于对红毛岭隧道区域资料分析不足，对水敏性地层重视不够，所以把泥浆类型设计为简单的粗分散体系。其配方为:膨润土(8～10)%+纯碱(2～3)‰+中粘CMC(3～6)‰+HPAM(0.1～0.5)‰。泥浆参数为:粘度24 s、密度1.06 kg/L、失水量15 mL。

在钻进过程中，机组对泥浆的检测和维护没有及时跟上和调整，任由泥浆粘度、密度、切力不断增加。发现泥浆流动困难时，又采用简单的加水降粘法，最后导致泥浆的失水量急剧增大，09－ZD－10330、09－ZD－10332两孔分别钻进至97.3m和132.6m时，发生了因地层吸水膨胀而崩解垮塌现象，并引发了卡钻、糊钻事故，使得两孔钻进分别中断了7 d和12 d。

以下是09－ZD－10330、09－ZD－10332两孔的钻进基本数据(表2)。

表2 前两个钻孔的钻进数据

3 水敏性地层钻进对泥浆的要求

欲解决水敏性地层钻进的不良影响，泥浆的配制和维护是至关重要的因素。

目前岩芯钻探大都是采用金刚石单(双)管或金刚石绳索取芯钻进工艺，对钻进泥浆的要求越来越高，特别是钻进水敏性地层时，泥浆性能和参数的测定、控制更显得尤为重要。

水敏性地层对泥浆性能的要求主要是:具有良好的护壁性能，具有良好的润滑性能;防止绳索取芯钻杆内壁结垢的性能;具有良好的携带岩粉、冷却钻头能力。

水敏性地层对泥浆的参数检测主要项目有:粘度、密度、失水量，有条件的还可以测试切力等。

4 水敏性抑制泥浆的配制维护和使用效果

水敏性地层钻进泥浆的配制原则是:低粘、低切力、低虑失、低固相、高抑制性。

在后来的09－ZD －10331、09－ZD －10333、09－ZD－10334孔的钻进施工中，吸取了前面两孔的教训，依据上述原则调整了泥浆配方，并且从一开始就监测和控制泥浆性能参数，使泥浆性能符合钻进水敏性地层的要求，确保钻孔井壁稳定。

调整后的泥浆配方为:膨润土3%+纯碱2‰+中粘CMC(3～5)‰ +腐殖酸钾(KHm)(1～5)%+HPAM(0.1～0.5)‰+1.5%随钻堵漏剂。泥浆性能每班检测两次，遇断层破碎带或泥页岩时加密检测次数，确保泥浆性能随时满足钻进要求。

09－ZD－10331、09－ZD －10333、09－ZD －10334三孔具体泥浆参数和钻进数据见表3。

表3 后三个钻孔的钻进数据

从表3中可以看出，09－ZD－10331、09－ZD－10333、09－ZD－10334三个孔采用了低固相水敏性抑制泥浆体系，有效地控制了泥浆的粘度、密度和失水量，其钻进效率大幅提高，孔壁的稳定性明显增强，平均钻进时效由09－ZD－10330、09－ZD－10332孔的0.25～0.31m/h，提高到09－ZD －10331、09－ZD 10333、09－ZD －10334孔的0.75～0.78m/h，孔内事故率明显降低。

5 使用水敏性抑制泥浆钻进的体会

钻进水敏性地层，一是降低失水量，减轻泥浆滤液对孔壁的破坏;二是在泥浆中加入能使地层岩石中的泥质成分起抑制作用，并提供不使其分散的水基泥浆处理剂。

腐殖酸钾溶液中的K+进入到粘土晶体的结构中，不易被置换，且能将粘土晶片拉得更近(粘土颗粒带负电荷)，使水分子不容易进入到粘土晶格中，从而抑制地层中的泥质颗粒水化分散，维持孔壁稳定。

腐殖酸钾除了具有上述抑制地层泥质颗粒水化分散的作用外，还具有防塌作用，并有一定的降粘效果。所以，腐殖酸钾在钻进水敏性地层时，使用较为广泛。

另外，钻进水敏性地层时对泥浆的及时检测和调整、控制尤为重要。粘度、密度、失水量一旦超出控制范围，必须马上添加相应泥浆处理剂进行调整，使其参数性能回到设计范围内。

如果发生孔壁缩径，导致起、下钻具遇阻时，唯一的处理办法(或步骤)是:先保持孔内的泥浆循环，再调整好泥浆的性能参数，最后才能上下窜动钻具。特别注意的是:提拉一定要控制好力度，切勿拉死钻具。

6 结束语

水敏性地层深孔钻进，泥浆性能至关重要。具有抑制性、低密度、低粘度、低切力、低失水性的泥浆能有效保护孔壁稳定，对防止钻杆内壁结垢以及钻头包泥和粘附卡钻等孔内事故的发生非常有利。

腐植酸钾作为水基泥浆处理剂，具有防塌、降失水、调节泥浆流变性、抗高温、抗钙等良好作用，除了能够抑制地层泥质颗粒水化分散外，还有防塌作用，并有一定的降粘效果，并且在泥浆配比中用量较小，容易购买，值得推广。在加量使用上，一定要根据不同的岩性和泥浆测定参数酌情考虑。

［1］马洪伟．碎石类土地层钻探的钻进方法［J］．铁道勘察，2012(5)

［2］周孟超．探究铁路工程地质与钻探的结合［J］．铁道勘察，2008(6)