岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺

董泽训，王金平，郑尊岐，魏益强，马晓鹏

（山东省第六地质矿产勘查院，山东 招远 265400）

我们所知道的复杂地层是指那些容易处于地质构造运动多发的地区，或者该地区容易受到外部环境的物理和化学作用，亦或者在施工进行中会受到水文地质条件变化的影响的地层。这些地层相对于其他常规地层来说非常不稳定，在钻井的过程中容易发生井塌、渗漏、涌水、塌陷等程度不同的地质问题。容易发生以上这些复杂地质变化的地层统称为复杂地层。据相关统计，在正常的地质钻探施工过程中会遇到30%的地层为复杂地层，而完成这些工程的工程费用占工程总费用的却非常的高昂，通常超过60%，更甚者可能直接造成施工事故，导致施工工程报废。因此研究复杂地层的钻孔工艺，加强复杂地层的护孔施工，可以大大提升施工效率和工程的安全性[1]。

1 引起复杂地层钻孔安全问题的原因

（1）复杂地层本身不稳定。由于复杂地形本身地质构造不稳定，再加上钻探的过程中，可能引起的水文地质变化，从而引起复杂地层钻孔过程中钻孔稳定性变差。比如在钻井过程中，钻孔周围岩石的硬度越高钻孔物稳定性越高；相反如果钻孔周围岩土稳定性差，再遇到水之后就会进一步降低整个钻孔的稳定性。

（2）地下水的直接影响。地下水的运动状态直接影响孔壁的稳定性，地下水的运动过程中存储了大量的动能因子，影响钻探过程中复杂地层的压力，同时也直接关系钻孔的冲洗液能否有效的循环。地下水的状态也直接降低了钻孔周围岩土的稳定性。

（3）内及外动力影响地质稳定。复杂地层涉及到地壳运动、变质作用及岩浆作用等内动力性质的地质作用力，也存在因成岩、剥蚀、堆积、风化等外动力性质的地质作用，两种地质作用的共同作用下，会使复杂地层出现裂隙、溶隙及空隙等，当复杂地层的沉积物及堆积物堵塞各类隙缝时，也会引起孔壁失稳、涌水、漏失等钻孔隐患[2]。

2 复杂地层的护孔工艺研究

（1）工程介绍。为了进一步说明复杂地形的护孔工艺，本文结合实际的案例进行详细分析。该复杂地层位于某铁矿矿区，针对矿区进行岩芯钻探作业，该地区主要为安山岩，土质为亚粘土，地层构造复杂，岩土坚硬程度为中硬，坚硬可算级别为6到10级不等。由于岩石致密性较好，造成钻探进程速度较慢，并需要间断性的提钻，频繁提下钻对孔壁的稳定性更加不利。

（2）钻探设备的选择。本工程所选钻机为XY-6B型，泥浆泵采用NBB-260型，在绳索取芯的钻杆（具）上主要采用了75S型及Φ71mm的墩粗钻杆，示意图如图1所示。

（3）钻孔的结构。本项目钻孔选用口径开孔Φ130mm，在岩石风化层4m~5m的位置采用孔口管，然后换Φ110mm钻头钻至基本完整岩层，下入Φ108mm套管；再用钻具具级配Φ91mm钻头+Φ89mm钻杆进行绳索取心钻进，穿过较破碎的地层，遇完整岩石下Φ89mm技术套管换径；最后换钻具级配Φ75mm钻头+Φ71mm绳索钻杆钻进直至终孔。在生产中基本采用这个原则，但遇到较为复杂的地层也根据实际情况随时调整。

图1 绳索取芯钻具示意图

（4）冲洗液的选择。在岩石覆盖层上，护孔泥浆的比例配比为1m3的H2O：45kg（膨润土）：1.4kg（纯碱）：0.8kg（润滑剂）：1kg（腐殖酸钾）。在地层较为破碎松散处，采用1m3的H2O：2.5kg的PAM：1.6kg的防塌剂：3.6kg的护壁水剂：1.8kg的润滑剂等配比的无固相冲洗液。在针对完整地层的护孔泥浆配比作业时，采用1m3的H2O：2.6kg的PAM：1.3kg的NaOH:1kg的润滑剂。严格遵守配方及添加顺序，专业人员进行泥浆性能测定，据实际情况及时调整，严防泥浆被污染，及时清理岩粉等固相含量，确保泥浆质量。

（5）复杂地层钻孔护孔。在该矿区的钻井和钻孔保护中，由于漏水的概率较高，首选方法采用多级技术套管隔离法。再就是技术人员对堵漏化学泥浆的配方进行了比较，确定采用砂浆堵漏。水泥砂浆堵漏配方为将水泥、水、NaCl，减水剂，三乙醇胺等按照一定的比例配比。采用平衡封孔灌浆法、相对平衡封孔灌浆法以及不平衡封堵灌浆法，比较了钻机的钻速，确定最高效率的堵塞和钻孔保护方案。

表1 钻井效率比较

（6）施工过程注意事项。钻进过程中减少非正常提钻（除换钻头、钻具等），定期检查钻头、钻具，避免人为对孔壁的破坏；泥浆循环过程中加入随钻护壁剂；钻进过程匀速进尺，确保扩孔器对孔壁起到良好的修复作用。施工全过程做到合理规划，预防为主。

3 结语

在我国钻井施工过程中，经常遇到一些复杂的地层，如机械不稳定地层，水敏地层和渗流地层等。为了解决复杂地层施工中钻井塌方、下陷等问题，有必要开展复杂地层的护孔技术的研究。在此基础上，本文在探索各种复杂地层技术问题的基础上，制定相应的钻孔防护方案，在复杂地层钻孔时，应优先进行科学的设计，明确设计方案，统筹整体施工方案。对于不稳定地层，采用传统泥浆与科学配方的化学冲洗液相结合的方法来保护钻孔，采用这些工艺可以非常好的进行护孔，降低地层的渗漏，提升施工质量和施工效率。

[1]沈启亮,刘秀宏,张校强.复杂地质条件下斜桩嵌岩护孔技术[J].中国港湾建设,2014(8):57-60.

[2]朱卫红.岩芯钻探中复杂地层的护孔工艺探究[J].科技经济导刊,2016(2).