永冻地层钻探施工方法论述

摘要：作为永冻地层勘探的重要技术措施，良好的钻探施工方法对于提升永冻地层的钻探水平具有重要作用。本文首先介绍了永冻地层钻进过程中面临的主要困难，然后具体探讨了永冻地层钻探施工方法，以期为相关技术及研究人员提供参考。

关键词：永冻地层；钻探施工；方法

常年存在的永冻曾，在实际地层钻探过程中容易受到钻杆高速转动热量过高及冲洗液冲刷等因素的干扰，化冰时很容易导致地层融蚀，严重时则可能崩塌，造成成孔苦难、钻进困难；另外由于外界环境温度过低导致高分子难以溶解，冲洗液流变性较低，很难有效发挥性能。这些都在一定程度上影响着永冻地层的整体钻进施工。因此，加强有关永冻地层钻探施工方法的研究，对于改善永冻地层的勘探效益及质量具有重要的理论和现实意义。

一、永冻地层钻进过程中面临的主要困难

（1）在永冻层和部分蚀变过度的孔段施工时，不仅岩心采取难度较高，且容易坍塌憋泵造成钻进中止，由此常常造成钻孔越打越浅的问题。

（2）冻土层孔段施工过程中，由于钻杆的高速回转形成的热量及冲洗液的大范围浸泡会造成冻土逐渐融化崩塌，钻孔局部很容易全面崩溃，开孔难度较大的同时会大幅度增加各类事故发生的概率。

（3）冻土地区植被脆弱，原有的常规的技术设备在使用时会因修路及机台地盘等占用过多的土地面积，其对草地等生态植被的破坏程度较为严重，且由于占地而引发的毁草赔偿问题很难达成协议，容易增大钻探费用。

（4）由于温度变化过快/温差过大等因素的影响，勘探地区冲洗液的配制难度较大，泥浆结冰后其流变性变弱，很容易减缓施工进度。

二、永冻地层钻探施工方法

1、选用恰当的地层钻探施工方法

依据相关工程实践数据，发现在钻孔上部复杂地层钻进过程中跟管钻进法是当前效率最高的一种方法，其依次下入护壁套管，对钻孔上部的复杂地层具有良好的支撑隔离作用。该种方法的主要技术措施为：

（1）使用改进后的f110mm硬质合金筋骨钻头或f130mm的普通硬质合金钻头实施钻进；

（2）待孔洞深度达到1.5m深时，将开孔钻具拔出，放入长度为1m、f146mm护壁套管，在其首节下部安装有f 150mm普通硬质合金钻头；[1]

（3）将开孔钻具再次放入，以原有孔洞深度为起点再次钻进，直至到2.5m深位置处，随后将钻具拔出，在原有护壁套管基础上再次接入f146mm的护壁套管。

（4）按照上述跟管钻进方式交替施工，钻进过程中护壁套管附带的钻头与钻进钻头之间的距离应保持在1.5m左右，先进行1m左右的钻进，再接着跟进接入护壁套管，直到将第一级护壁套管通过回转加压方式固定在底部永冻层中比较稳定的部位为止。首级护壁套管通常会下入到5～6m的位置其对融冻层具有良好的保护支撑作用。

（5）待第一级f146mm护壁套管完全渗入孔内后，改用f91mm专用肋骨式硬质合金探头实施钻探，并同时搭配采用低温聚合物冲洗液，在全部穿过永冻层中基岩上部容易出现裂隙及破碎问题的地层直到达到稳定层后，将f108mm的护壁套管下入到洞内。钻探时若出现漏失、坍塌等事故问题而造成钻探中止时，也可选用跟管钻进法进行施工。作为第二级护壁套管，f108mm护壁套管在完全放入后可用于支撑保护基岩上部容易裂隙及破碎问题的地层。

（6）在中深孔钻进过程中可选用S75绳索取心钻孔，以有效改善钻探效率。二级护壁套管完全放入后，完成磨孔后再使用f76mm的金刚头钻头钻探到终孔。

2、做好冲洗液选用及配制

当前在永冻层钻进施工过程中，可选用的冲洗液或采取的技术方法通常为：使用各类有机抗冻剂，其施工费用相对较高，效果不显著；在对冲洗液实施预先加热后再将其送入孔内，其仅在钻探过程中具有较高的适应性，且容易出现孔内事故；使用多种浓度和类型配制的无机盐类冲洗液，具有明显的效果；采用传统的清水或细分散型泥浆，其事故发生率较高，且施工效率较差；将煤油或柴油注入到孔内，可在短时间内发挥作用，但容易产生油垢粘附在钻杆柱上，进而导致冲洗液循环不流畅而引发烧钻事故。 [2]

（1）抗低温冲洗液

低温条件下在永冻地层勘探过程中，应不断改善冲洗液的防冻及护壁性能。作为一种泥浆添加剂，高分子聚合物通常具备较高的护壁性能，然而由于其链接较长、分子量较大，在日常温度条件下溶解度较低，当受到低温环境条件影响时，其溶解度会降至更低，冲洗液结冻后流变性能更差，这在很大程度上影响了冲洗液的使用及配制。在永冻层冲洗液多次试验中发现，采用3%的膨润土、2.5%的TM植物胶及乙二醇等可配制出胶体率在98%以上的、泥皮厚度在1mm以下的低温低固相泥浆冲洗液，实践中证明其可有效改善孔壁支护条件，岩心采取率可提升至85%以上。

（2）冲洗液配制

在泥浆配制过程中应在掺加完其他添加剂后再加入乙二醇，在加入食盐后在添加纯碱，以提升低温条件下泥浆的流变性。此两种添加剂均应在试验标准条件下进行使用。

因部分地区加热条件不足，可在其他区域加热条件下先将高分子聚合物配置为固定浓度的预制液，使用桶装运输至机台位置以方便备用。

因低温条件干扰，泥浆搅拌时间应比常温条件下长2～3倍。[3]

3、钻具选用及操作

（1）一般条件下，施工钻进的钻压通常控制在2～4kN，由此避免岩心发生糊钻或阻塞；钻速应避免过快，以保护地层矿心。

（2）在实践中发现，采用金刚石钻探时，应在原有钻头结构基础上进行改造，增大水口数量，改善水口排列，钻头侧面改用肋条式，以降低钻头阻力系数，适应钻头冷却条件；在选用硬质合金钻探时，应选用外出刃较大的钻头或肋骨式钻头。

（3）由于“干钻”法施工时机械钻速过快，容易破坏岩心原始结构，且容易出现糊钻、烧钻等事故，因此在选用冲洗介质及钻探方法时，应避免采用该法。

结束语：

钻探方法的应用质量将直接关系着永冻地层的勘探水平及工程整体效益，因此，相关技术与研究人员应加强有关永冻地层钻探方法的研究，总结钻探方法选择要点及关键技术措施，以逐步改善永冻地层钻探水平。

参考文献：

[1] 丁付利.冻土地层低温钻井液体系研究[D].中国地质大学（北京）.2014，06（10）：61-62

[2] 卢采田，李建平.永冻层绳索取心钻探冲洗液技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程）. 2012，05（35）：57-58

[3] 陈鑫发，陈莹，余立明，罗园.浅析豫西地区复杂地层快速钻探设备及机具选用[J].地质装备.2012，13（14）：74-75.

作者简介：伍陈东 （1985-），男，重庆，学历：本科，研究方向：钻探工程endprint