涌水地层绳索取心钻进泥浆处理方法与应用

龚恩德，邓祖保，张正

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽合肥 230011）

0 引言

在钻探施工中，可能钻遇坍塌掉块、缩径、超径、漏水、涌水等复杂情况的地层，且通常多种问题并存。在钻遇涌水地层时，地层中的涌水会不断稀释循环泥浆，破坏泥浆性能，最后形成“清水”钻进[2]。涌水钻孔不仅会增加维护泥浆的工作量，且增加了处理剂的成本投入[3]。在地层复杂的钻孔中，泥浆性能变差还会影响孔眼清洁，导致孔壁失稳，从而引发一系列的孔内事故[4-6]。涌水量过大时还会造成内管投放困难[7]，降低岩心采取率[8]，严重时甚至影响机台地基稳定[9]。因此，调配并维持合适性能的泥浆有其必要性。

对于涌水严重的钻孔，一般采取下套管阻隔或浆液封堵等方法止涌。对于涌水量不大，但在较深孔段有多处涌水点的钻孔中，如果采取下套管阻隔，不仅施工成本上升，而且无法一次性止涌。在小口径绳索取心钻孔中，如果采取水泥封堵，水泥固结后，在钻进过程中易被钻具敲打破坏，封堵效果有限，此时通过泥浆工艺进行处理更加经济高效。

1 工程概况

1.1 项目概况

某矿区勘查钻孔施工项目，设计孔深580 m，要求全孔连续取心钻进，取心钻进口径不小于Φ76 mm。实际施工为581.46 m，开孔采用Φ110 mm 钻具钻进，下入Φ108 mm 表层套管，换Φ95 mm 绳索取心钻具取心钻进至71.53 m，下入Φ89 mm技术套管，换Φ76 mm绳索取心钻具取心钻进至581.46 m。

1.2 地层概况

钻孔位于庐纵火山岩盆地北东部边缘，西邻郯庐断裂带[10]，矿区断裂构造发育，地层较为破碎，施工地质条件复杂。地层自上而下依次为第四系（Q）、下白垩统龙门院组（K1l）、中三叠统铜头尖组（T2t）。钻探实际揭露地层主要岩性如下：

（1）0～17.57 m黏土夹碎石；

（2）17.57～564.31m 角砾粗安岩、角闪粗安岩、凝灰岩；

（3）564.31～580 m粉砂岩、细粒石英砂岩。

钻孔结构如图1所示。

图1 钻孔结构图Figure 1. Borehole structure

2 钻孔涌水情况

钻孔在103 m 以深地层经观测发现，泥浆损耗开始减少，泥浆稀释严重，甚至泥浆池中泥浆开始增加，判断孔内轻微涌水。

冲洗液循环一周的时间的计算公式如下[11]：

根据公式（1）~（3）推导出：

式中：T1为冲洗液下降时间，min；T2为冲洗液上返时间，min；T为冲洗液循环一周时间，min；Q涌为涌水量，L/min；V环为钻杆与孔壁环状空间容积，L；Q泵为泥浆泵量，L/min；V杆为钻杆柱容积，L。

计算涌水量约为2.4 m³/d。涌水量虽不大，但对于该孔泥浆循环总量来说，已足以严重影响泥浆性能，威胁孔内安全，而且地层中随涌水涌入的细小砂粒可能引起绳索取心钻具内管卡死，导致难以打捞。

3 涌水原因分析

龙门院组含水层富水性强，主要为火山碎屑岩及熔岩类裂隙孔洞水，且地层裂隙发育带及破碎带节理发育，裂隙呈网状密布，连通性好[12]。发生涌水时，对比岩心情况发现，103 m以深地层为碎裂粗安岩，裂隙较多，与含水层存在导水通道，由于泥浆密度低，地层裂隙压力与孔内泥浆液柱压力形成压差，导致孔内涌水。

4 处理方法

钻孔上部20～70 m孔段有多层凝灰岩及破碎带，已下入Φ89 mm技术套管，根据以往施工经验，钻孔下部孔段还存在多个涌水点，且考虑涌水量不大，从经济效益综合考虑，采取调整泥浆工艺的方法进行处理。

4.1 提高泥浆密度平衡地层压力

涌水前池中泥浆配方：

清水+3%膨润土+4%~5%纯碱（膨润土质量）+0.5%KPAM（聚丙烯酸钾）+0.3%~0.5%CMC（羧甲基纤维素）。

泥浆性能参数：密度为1.04 g/cm³，漏斗黏度为23~26 s，pH 为9.5，失水量为7～10 mL/30 min，泥饼厚度为0.5 mm。

涌水后测试发现，泥浆密度不断下降，黏度降低，失水量上升，性能破坏明显。

现场利用压力表测得地下水在孔口处压力为0.06 MPa，计算平衡地层压力所需泥浆密度可根据下列公式[13]：

式中：Y为平衡地层压力所需泥浆密度，g/cm³；H为涌水层距孔口垂直距离，m；ρ1为当前泥浆密度，数值为1.04 g/cm³；P为孔口压力，MPa。

计算得出Y为1.10 g/cm³。泥浆中的固相颗粒在回转离心力的作用下，在钻杆内壁不断附着和沉积，形成延伸式结垢，影响打捞器和内管总成运行[14]，因此绳索取心钻进通常采用无固相或低固相泥浆，泥浆密度一般不大于1.06 g/cm³。现场决定先将密度逐步提高，根据涌水情况变化，再采取处理措施。

泥浆配方：清水＋10%膨润土＋4%～5%纯碱（膨润土质量）＋0.5%KPAM（聚丙烯酸钾）＋0.3%～0.5%CMC（羧甲基纤维素）＋1%T-80（乳化剂）。

处理后泥浆性能参数：密度为1.08 g/cm³，漏斗黏度为29 s，pH 为8.5～9.0，失水量为6.7 mL/30 min，泥饼厚度为0.4～0.5 mm。

处理后涌水量得到有效控制，约为0.3 m³/d。

4.2 直接调节净化后的池中泥浆顶涌钻进

受涌水影响，泥浆池出现越打越满的情况，再配置新浆会增加废浆的处理压力，且泥浆密度提高后钻杆已经出现轻微结垢现象，从钻进安全和钻进效率等综合考虑，不再继续提高泥浆密度。

在提高泥浆密度后，涌水量已经有所控制，随着钻孔加深，孔内容积不断增加，加上正常泥浆损耗，也抵消了一部分涌水量。因此现场采取方法为：排出一部分沉淀池上部被稀释的泥浆，维持池中泥浆总量的平衡，然后抽取泥浆池中净化后的泥浆直接添加泥浆处理剂，并适当增加CMC（羧甲基纤维素）以及PAC-141(包被剂)的用量，以降低涌水对泥浆性能的劣化影响。

现场泥浆配方为：

破碎地层：池中泥浆+0～8%膨润土+1%高黏防塌剂+0.5%～1%PAC-141（包被剂）。

处理后泥浆性能参数：密度维持在1.06～1.07 g/cm³之间，漏斗黏度为25～28 s，pH 为8.5～9.0，失水量为6～8 mL/30 min，泥饼厚度为0.4～0.5 mm。

相对完整地层：池中泥浆+0 ～4% 膨润土+0.6%CMC（羧甲基纤维素）+0.5%PAC-141（包被剂）。

处理后泥浆性能参数：密度维持在1.06～1.07 g/cm³之间，漏斗黏度为21～24 s，pH 为8.5～9.0，失水量为8～11 mL/30 min，泥饼厚度为0.5 mm。

5 处理方法及应用

现场先通过适当提高泥浆密度抑制涌水量，再通过直接抽取池中净化后的泥浆代替清水进行搅拌，保障了该孔安全快速终孔。这种处理方法的好处有：

（1）切实有效地抑制了涌水。

（2）在起到止涌效果的同时，也避免了因膨润土加量过多导致钻杆内壁结垢的情况。

（3）减少了废弃浆液的排放和处理。通过加入新泥浆调整原泥浆性能和涌水必然增加循环的泥浆体积，而增加出来的体积又需要通过排出性能已被破坏的泥浆来平衡，排放和处理泥浆不仅增加了工作量，而且还需要更多泥浆池或泥浆罐，使成本上升。

（4）减少了处理剂的浪费。涌水虽然破坏了泥浆的性能，但是并未导致泥浆中材料的降解或失效，排放的泥浆越多等于是浪费了越多的处理剂。

当然，该方法在应用中也存在一些问题：在正常搅拌泥浆时，很多处理剂需要按一定先后顺序来添加。而池中的泥浆虽然已经被地层涌水所稀释，但始终不是清水，其中含有各种之前添加的处理剂，对于原本泥浆黏度就很高的泥浆，虽然经过净化，但再用来加入黏土搅拌时，黏土粉难以搅拌均匀，无法利用。

6 结语

（1）抽取净化后的泥浆调节性能顶涌钻进，实际使用效果良好，能够适用涌水量较少的地层。

（2）对于采用绳索取心钻进工艺的钻孔通过调整泥浆密度平衡地层压力来进行止涌，对比下套管阻隔或浆液封堵等方法止涌，有更好的经济效果。

（3）对于不同的复杂地层，还应根据实际情况一孔一策，灵活采取技术措施。