深孔复杂地层钻进护壁技术

何东 王永尚 冯航 王冠军 林俊宇

摘要：深部找矿对给钻探技术提出了十分高的要求。伴随钻孔的加深，施工周期的延长，孔内通常会越来越复杂，施工难度会越来越大。在深孔复杂地层开展钻探更是如此，护壁技术是重中之重。文章通过分析深孔复杂地层钻探的难点、阐述深孔复杂地层钻探对冲洗液的要求，对不同地层的护壁技术、护壁作用机理及冲洗液护壁效果展开探讨，旨在为相关人员基于深孔复杂地层钻探的难点、阐述深孔复杂地层钻探对冲洗液的要求的深孔复杂地层钻进护壁技术研究适用提供一些思路。

关键词深孔；复杂地层钻进；护壁技术

引言

于深孔复杂地层钻探中，地层破裂压力、坍塌压力受泥浆极大程度影响。当地层、泥浆接触形成滤失后，会与孔壁上形成薄、韧及低渗透的泥皮将底层隔离，一方面可阻止泥浆中自由水朝地层渗透，一方面能够使地层水化、水敏速度放缓，进一步提升钻孔井壁胶结水平，达到避免钻孔掉块、坍塌，提升孔壁稳定性的目的。由此可见，对深孔复杂地层钻进护壁技术展开研究有着十分重要的现实意义。

1.深孔复杂地层钻探的难点

（1）深孔复杂地层稳定性不足，护壁难度大。复杂地层钻进过程中，伴随钻孔逐步加深，地层会变得越来越繁杂，钻进时间变得越来越长，孔壁稳定性也会变得越来越不足。换而言之，深孔复杂地层钻进，对其孔壁予以保护当属重中之重，务必要对应好护壁问题。

（2）回转阻力大，高动力、材料耗损，孔内隐患多。伴随钻孔逐步加深，孔内钻杆会变得越来越长，进而使得摩擦阻力不断提升。这一点对绳索取心钻探来说特别明显，一方面会加快钻杆磨损，加大钻机符合，一方面无法提升转速，且极易引发断钻杆等孔内隐患。因此，务必要制定润滑方案策略，有效缩减钻杆回转阻力。

（3）钻头使用周期降低。深孔复杂地层钻进过程中，要想对钻压予以准确控制存在十分大的难度，再加上钻杆接头密闭不佳容易造成渗漏，使得无法确保所有冲洗液会被送至孔底，产生假性迅速，进而导致钻头微烧，对钻头使用周期造成负面影响。

（4）钻进效率不足，施工成本高。深孔复杂地层钻进有着施工周期长的特征，如果护壁技术采用不合理，便会增多孔内隐患，进而降低钻进效率，提升施工成本。

2.深孔复杂地层钻探对冲洗液的要求

经对深孔复杂地层钻探的难点分析可知，深孔复杂地层钻进期间，面临a.深孔复杂地层稳定性不足，护壁难度大；b.回转阻力大，高动力、材料耗损，孔内隐患多；c.钻头使用周期降低；d.钻进效率不足，施工成本高等问题。而这些问题的产生与冲洗液存在很大的关联，换言之深孔复杂地层钻探受冲洗液很大程度影响。现阶段，深孔复杂地层钻探相对先进的工艺技术为金刚石绳索取心钻进。深孔、复杂地层以及这一先进工艺技术特征均对冲洗液性能提出了极高的要求。深孔复杂地层钻探对冲洗液的要求如下：

（1）具备可观的护壁性能。冲洗液应当具备相对强的造壁性及较低的滤失量，可发挥胶结、吸附孔壁作用，产生强韧性且薄的泥皮，可有效保持复杂地层孔壁稳定。

（2）具备可观的润滑性能。冲洗液应当有着较小的粘附系数，可有效缩减摩擦阻力，缩减回转阻力，避免粘附卡钻等，同时降低动力、材料损耗，延长钻具使用周期。

（3）具备可观的清洗孔底、冷却钻头以及携带岩粉性能。冲洗液动塑比、粘度比以及切力比等应当控制在合理范围。

（4）可避免钻具结垢。冲洗液应当具备十分细的分散性、极低的固相，且流变性能佳，可有效避免钻具结垢，防止内管打捞无法有序开展。

3.不同地层的护壁技术

复杂地层包括多种不同地层，分别有水敏性不稳定地层、破碎不稳定地层、松散不稳定地层以及变质岩地层等，针对不同的复杂地层，对应选取的护壁技术也大不相同。

3.1水敏性不稳定地层

水敏性不稳定地层多以吸水分散地层、吸水膨胀地层为主，主要代表地层有绢云母化岩石、高岭土化以及泥页岩地层等。为了保持水敏性不稳定地层孔壁稳定，可选取防踏钻井液体系，也就是利用造浆、缩径开展孔壁稳定保持。在复杂地层深孔钻探期间，可采取钾基钻井液、低固相钻井液此两类泥浆配置。

3.2破碎不稳定地层

破碎不稳定地层多以断层破碎带、破碎闪长岩、石英角砾岩等碎地层为主。破碎不稳定地层对泥浆造壁性能提出了相对高的要求，现阶段广泛选取LBM泥浆配置。相关工程实践结果显示，选取LBM泥浆体系可获取满意的造壁效果。就部分存在松散、破碎情况的地层而言，加入适量的防塌型随钻堵漏剂，可显著提升破碎不稳定地层孔壁强度。

3.3松散不稳定地层

松散不稳定地层多以风化层、粉砂、流砂等为主，要想保持松散不稳定地层孔壁稳定，提升孔壁颗粒相互胶结力当属重中之重。应用于保持松散不稳定地层孔壁稳定的常见泥浆配置为钠羧甲基纤维素泥浆，膨胀土添加控制在10.0～20.0%范围，泥浆比重控制在1.05～1.20范围，滤失量不可超过15ml[1]。就渗透性佳而胶结性不足的地层而言，应当于泥浆中加入适量的纤维状材料或者堵漏剂，可獲取良好的防塌效果。

4.护壁作用机理

4.1PHP系列泥浆护壁机理

水解聚丙烯酰胺（PHP）是通过聚丙烯酰胺（PAM）水解所产生的。PAM则属于一类非离子型高分子聚合物，不仅有着极大的分子量，还有着极广的变化范围。凭借PHP属于一类伸展长链高分子化合物，有着不同非离子吸附基团，就好比—CONH2等，能够经氢键对粘土表层予以吸附，于岩层表面借助多点吸附以产生薄吸附膜，一方面对水敏性不稳定地层能够缓解泥浆滤液对地层产生的侵蚀影响，一方面对破碎不稳定地层能够借助多点吸附膜保护、阻止滤液渗入裂缝而不容易引发坍塌掉块，因此PHP泥浆有着极佳的护壁性能。同时，PHP还能够视成一类长链非离子、阴离子混合型高分子表面活性剂，能够于岩石、金属表层吸附而发挥润滑功效，缩减钻杆柱与孔壁相互的摩擦阻力，故此能够选取相对高的回转速度钻进。此外，多种水解度、分子量的PHP还具备选取絮凝、降失水作用。伴随合成技术的不断进步，现如今国内广泛采取的为分子量超过1000万的高分子PHP，其有着更为显著的絮凝、包被作用，且多用于配制无固相冲洗液[2]。

4.2LBM系列泥浆护壁机理

新型低粘增效粉（LBM）是经由膨润土化学改造升级而产生的高级造浆材料，有着低滤失量、低粘度特征，现场调配便捷，维护简单，是一类一并汇集造浆、泥浆处理剂功能等于一身的复合材料。LBM中包含诸多—COONa、—CONH2、—CN等基团，调配的泥浆有着“四低一高”特性，也就是粘度低、密度低、失水低、切力低以及分散性高等，同时能够经对其加量进行变更而实现对其性能的自由调节。LBM泥浆性能，见表1。

表1 LBM泥浆性能

结合室内试验及相关机理分析得出，LBM泥浆具备下述几方面特征：

（1）LBM泥浆具备可观的流变性能。选取3.0%LBM调配而成的泥浆，有着较小粘度比、动塑比的特征。该特性可有效作用于缩减环空压降，防止受泥浆粘稠影响造成太高的环空压力波动，避免压垮、憋泵不稳定地层，对孔壁起到保护的作用。同时，LBM泥浆可观的流变性能，可确保泥浆保持紊流情形，进一步有效避免、消除索取心钻杆内壁结垢情况，积极促进绳索取心钻进。

（2）LBM泥浆具备相对低的滤失量。倘若滤失量过高，一方面会使得水敏性不稳定性地层出现分散、膨胀情况，引发坍塌、缩径等孔内隐患，一方面会对破碎不稳定地层、松散不稳定地层稳定构成负面影响。造成这一不良后果是因为泥浆浸入至较深地层，不但会使得地层中矿物成分形成水化反应，还会通过对地层进行侵泡，极大缩减岩石的机械强度，再加上变动压力、地层压力等因素制约便会引发孔壁坍塌。相较于PHP无固相冲洗液，LBM泥浆泥浆滤失量要低得多，这使得其能够对泥浆中滤液或者自由水进入地层空隙、节理等中进行有效阻止，进一步起到避免孔壁坍塌的作用，其护壁性能更客观[3]。

（3）LBM泥浆具备相对强的造壁性能。通常情况下，造壁性指的是泥皮的强度、厚度及对地层的粘结特性。LBM泥浆中包含有聚合物成分，LBM独特工艺技术及聚合物的低分子量，可促进聚合物可以较细的状态匀称散于泥浆之中，产生品质佳的泥皮。相关室内试验发现，LBM泥浆有着相对薄的泥皮，通常厚度不超过0.3mm；有着良好的韧性，频繁折叠，不破裂；对滤纸有着极强的附着力，确保不至于被水冲刷掉。该种特征可积极保持破碎不稳定地层、松散不稳定地层稳定。

（4）LBM泥浆具备相对强的抑制性。泥浆具备较强的抑制性，有助于保持水敏性不稳定地层孔壁稳定。泥浆抑制性可经坍塌试验、膨胀试样来呈现。冲洗液抑制性能试验结果，见表2。

表2 冲洗液抑制性能试验结果

结合表3可知，相较于PHP泥浆，LBM泥浆有着更强的抑制水平。在现场采取浸泡岩心手段开展坍塌试验，效果同样十分显著。把矿层附近易破碎不稳定地层岩心，选取常规泥浆浸泡8h就会崩解，选取PHP无固相冲洗液浸泡6d会发生破裂，而选取LBM泥浆浸泡15d依旧无显著转变。

5.冲洗液护壁效果

5.1PHP系列泥浆护壁效果

以山东某地区蚀变岩型金矿钻探为例，地层以花岗岩为主，由于斷层构造，岩石破碎、裂隙发育，一些地层存在严重漏失情形，为典型的复杂地层。现阶段，深孔复杂地层钻探相对先进的工艺技术为金刚石绳索取心钻进。为了避免钻杆内壁结垢，多选取PHP及相关复配型，好比PHP复配PVA、PHP复配KHm等无固相冲洗液开展护壁[4]。

现场选取PHP：分子量在800～1200万之间，水解度为30.0%。PVA：醇解度为99.0%，溶解期间要将温度提升至80～90℃。相关性能见表3。

表3 PHP、PHP复配PVA冲洗液性能

经数年生产实践得出，广泛选取PHP系列无固相冲洗液后，于常规破碎地层钻进期间，大致可消除孔壁润滑、稳定及避免内壁结垢等问题，获取较满意的使用效果，具体而言，有效改善了钻进效率及钻探施工质量，台月效率均值由过去常规泥浆时342m提升至430m，提升幅度实现25.7%；孔内隐患显著缩减，孔内事故由过去31.3%降低至20.5%；优质孔率有过去70.0～80.0%提升至90.0%之上[5]。这亦是现阶段国内岩心钻探中依旧广泛选取PHP系列泥浆的一大原因。然而就漏失、破碎严重的地层而言，该类问题长时间来都未得到较好的处理，伴随深部钻探的推行，钻孔不断加深，完孔周期也变得越来越长，此类问题亟待解决。

5.2LBM系列泥浆护壁效果

以山东某地区开展深孔钻探为例，一方面部分地层破碎严重，一方面大量钻孔漏失严重，多次选用PHP泥浆、花生皮等开展堵漏效果均不佳，泥浆完全漏失，不得已选取PHP复配PVA冲洗液钻进，钻进期间出现严重掉块、坍塌情况，钻进效率不佳。就好比ZK136—4孔，期初选取PHP复配PVA无固相冲洗液，钻进至1009.6m地层出现严重破碎情况，钻进至1040.1m出现断钻事故，提钻后发生孔壁坍塌，事故钻具被掩埋，通过不断扫孔处理1周后都无效，孔内沉淀可达5～8m。之后，选取LBM泥浆冲孔，花费26h排除沉淀物，对事故钻具进行处理完毕后，钻进字约1146.5m终孔，从未出现掉块、坍塌情况[6]。实践表明，面对漏失、破碎等严重不稳定复杂地层，选取LBM泥浆作用于保持孔壁稳定，避免坍塌，避免绳索取心钻杆内壁结垢等有着显著的效果。

6.结束语

总而言之，相较于PHP无固相冲洗液，LBM泥浆泥浆滤失量要低得多，这使得其能够对泥浆中滤液或者自由水进入地层空隙、节理等中进行有效阻止，进一步起到避免孔壁坍塌的作用，其护壁性能更客观。实践表明，面对漏失、破碎等严重不稳定复杂地层，选取LBM泥浆作用于保持孔壁稳定，避免坍塌，避免绳索取心钻杆内壁结垢等有着显著的效果。

参考文献：

[1]宋新杰. 兰渝铁路隧道深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践[J].大陆桥视野，2012，27（08）：162-163.

[2]孙丙伦，陈师逊，陶士先. 复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2008，（05）：13-15，24.

[3]李作刚，王剑，项钰. 基于LEED认证的超高层建筑绿色施工管理应用[J].建设科技，2014，27（09）：105-107.

[4]孙广帅. 泥浆护壁钻孔灌注桩施工技术及质量控制[J].浙江建筑，2015，32（2）：36-39.

[5]胡忠喜. 护壁泥浆在钻孔灌注桩施工中的应用技术研究[J].广东交通职业技术学院学报，2012，11（1）：26-28.

[6]马海军. 建筑工程泥浆护壁钻孔灌注桩的施工技术[J].价值工程，2015，（23）：114-116.