２０１４年第３９卷第６期 Ｖ０１．３９ Ｎｏ．６ 能源技术与管理 Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ １５３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９９４３ ２０１４．０６．０６３ 复桑地层工程勘察取心钻进技木应用实践 张益飞，王国平，王［摘建，何成阳，朱卫东 （江苏省南京工程高等职业学校，江苏南京２１１１３５） 要］为了验证ＳＨ植物胶在复杂地层钻探中的应用效果，根据大量的室内试验和工程实 践，探索出符合复杂地层钻进和取心要求的配方，按照一定的配制工艺技术配制 ＳＨ植物胶泥浆，并与绳索取心工艺结合，能解决复杂地层掉块、坍塌、水化膨胀、漏 失等现象，明显地提高了岩心采取率和钻进效率，对于掉块、坍塌、水化膨胀、漏失 等不同复杂地层ＳＨ植物胶泥浆配方有所不同。 ［关键词］复杂地层；工程勘察；取心钻进技术；应用实践 ［中图分类号］Ｐ６３４．６［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２＿９９４３（２０１４）０６一Ｏ１５３ ３ 侏罗系茅山群（Ｊ。 ）：上部为灰褐色、灰紫色 中厚层细粒岩屑石英砂岩、细粒石英砂岩、泥质石 英砂岩夹泥质粉砂岩；中部为灰、褐灰色，中薄层 泥质粉砂岩夹细粒岩屑石英砂岩；下部为浅灰色、 黄褐色，中厚层细粒岩屑石英砂岩。 泥盆系上统五通组（Ｄ。 ）：上段以灰紫、紫红、 ０ 引 言 工程地质勘察钻进中常常遇到一些复杂地 层，裂隙发育、断裂、破碎、胶结性差、结构构散、软 硬不均，遇水松散、剥落、膨胀等，在钻进中出现掉 块、坍塌、缩进、漏失等现象，导致钻进困难、破岩 效率差、岩心采取率低，钻进成本高＿１＿。经过大量 调查研究和试验分析，植物胶应用于钻探泥浆中， 并与ＳＤＢ金刚石绳索取心钻具配合运用，有利于 第四系覆盖层、松散破碎地层、砂卵石层等复杂地 层的钻进与取心。文章以苏南阳山隧道等工程勘 探为例，探讨解决复杂地层工程勘探钻进存在的 实际问题，就植物胶泥浆配方优化、配制和性能特 点以及在复杂地层中应用效果进行分析介绍，供 相关工程技术人员参考。 杂色粉砂质泥岩为主，夹泥质粉砂岩，少量石英砂 岩。下段为灰、灰白色厚～中厚层含砾粗粒石英砂 岩，中粗～中细粒石英砂岩夹粉砂质泥岩。 ２施工设备及工艺 施工设备：钻机ＧＸＹ一２型、泥浆泵ＢＷ一２００、 搅拌桶Ｌ一０．８。 钻具组合： ５０ｍｌＴＩ钻杆、 ７５ ｍｍ岩心管和 ８９ｍｍ孕镶金刚石钻头。 施工工艺：绳索取心正循环回转钻进。 １ 施工区地质构造和地层特征 苏南阳山隧道工程位于江苏省苏州市新城 ３ ＳＨ植物胶泥浆配方优化 ３．１配方的优化 根据国内植物胶泥浆的使用经验和成果，结 区，是苏州市最大的推覆构造和推覆体出露处，地 形地貌变化大，断裂构造发育，一系列北北东向、 挤压破碎带、压扭断裂带、岩脉群纵布，基岩节理 裂隙较发育。区内沉积物为三角洲陆相碎屑岩和 以角砾熔岩等为主的火山岩系，有二期燕山期岩 浆侵入活动，早期侵入岩以酸『生及中性为主，晚期 侵人岩以中酸性为主。基岩表面分布风化作用所 形成的残坡积物及洪积物。 合苏南阳山隧道工地和其它工程勘察工地的地层 等情况，经若干次实验及现场实践探索比选，提出 ４组不同的ＳＨ植物胶泥浆配方 ，供施工现场不 同复杂地层钻进时选择使用。 适用普通地层的１组配方：ｍ（ＳＨ）：ｍ（ＮａＯＨ）： ｍ（Ｎａ—ＣＭＣ）：ｍ（ｎ２Ｏ）＝２：０．１６：０．２：１００； 施工区内地层自上至下分别为： 侏罗系火山岩（Ｊ ）：主要为角砾熔岩和凝灰 熔岩，原岩呈灰绿色，经强烈浅色蚀变后呈灰白 色 适用坍塌性地层的２组配方：ｍ（ＰＨＰ）： ｍ（ＳＨ）：ｍ（膨润土）：ｍ（ＫＨｍ）：ｍ（Ｎａ—ＣＭＣ）： ｍ（Ｈ２０）＝０．５：１：５：１．０：０．２：１００； 适用漏失性地层的３组配方：ｍ（ＳＨ）：ｍ（膨 ２０１４年ｌ２月 １５４ 张益飞，等复杂地层工程勘察取心钻进技术应用实践 Ｄｅｃ．．２０１４ 润土）：ｍ（ＮａＯＨ）：ｍ（Ｎａ—ＣＭＣ）：ｍ（ｎ２０）＝ｌ：５： ０．０８：０．２：１００； 适用水敏性地层的４组配方：ｍ（ＳＨ）：ｍ（膨 润土）：ｍ（ＫＨｍ）：ｍ（Ｎａ—ＣＭＣ）：ｍ（Ｓ２Ｏ）＝１：５： １．０：０．２：１００。 泥浆配制过程中，特别要注意搅拌时间和程 序，搅拌时间太短，泥浆的性能会有很大差别。 ３．２性能测试 ＳＨ植物胶泥浆性能测试如表１所示［２］。 表１ ＳＨ植物胶泥浆试验结果 嚣攀 ，裥／Ｐａ 霎 崔 ｌ ２９ １．０２ １．３３ ４．６ １０．０ ０．５ ９６ ８．５ ２４ ２ ５０ １．１０ １．５８ ７．０ ８．０ １ ９８ ７．０ ２４ ３ ３５ １．０４ １＿４８ １３．１ ８．０ ０．５ ９４ ８．０ ２４ ４ ４１ １．０５ ２．１５ ７．９ ６．０ ０．５ ９８ ７．５ ２４ ３．２．１粘度 采用漏斗粘度计测量泥浆粘度是目前最普 遍、最简单的方法。通过漏斗粘度计测得４组不同 配方的ＳＨ植物胶泥浆的粘度都大于２９ Ｓ，符合 钻探要求。其中从配方２粘度５０ Ｓ来看，可以满 足破碎严重、有裂隙，钻进易坍塌掉块的地层。 ３．２．２失水量 采用ＺＮＳ一２Ａ中压滤失仪测定４组配方泥浆 失水量都在１０ ｍＬ／３０ ｍｉｎ以下，其中配方４失水 量是６ ｍＬ／３０ ｍｉｎ，能更有效地防止和减少复杂地 层的水化分散与膨胀，保证了地层的稳定性，能起 到较好的防止泥质粉砂岩地层遇水膨胀缩径、易 坍塌等情况。 ３－２Ｉ３防塌性能 将 ７５ ｍｍ绳索取心在破碎地层钻取的标 准岩样切成１０ ｃｍ长的样本，浸泡于４组配方泥 浆中，２４ ｈ后在岩样的表面包裹一层薄薄的０．５— １ ｍｍ的膜泥皮，岩样不散不碎，不软化变形。因 ＳＨ植物胶具有很强的吸附成膜能力，能牢牢地吸 附在孔壁与岩心表面，形成较好的保护胶膜，极大 地提高了防塌能力。 ３．２．４密度 采用泥浆密度秤测定４组不同配方泥浆密度分 别为１．０２～１．１ ｇ／ｃｍ密度较小，有利于防止和减少浆 液的压力渗透。其中配方１的密度为１．０２ ｇ／ｃｍ。， 粘度是３５ Ｓ，有防渗堵漏失功能，但必须掺加惰性 材料才能满足施工区６０～１５０ ｍ段厚层状泥质砂 岩为主破碎、裂缝，钻进易漏失严重的地层。 ３．２．５润滑性能 通过试验ＳＨ植物胶泥浆虽然粘度高，但具 有润滑减振性能。４组不同配方中所加的ＰＨＰ及 Ｎａ—ＣＭＣ具有一定的润滑性，在植物胶泥浆中加 入聚丙烯酰胺及纤维素后摩擦系数减到０．１８ ０．２，如果再加入０．５％的ＴＳ一３０２高效润滑剂，能 极大地提高润滑效果。４组配方润滑系数为０．０５～ ０．０７，与清水相比分别降低了７０％左右，这说明 ＳＨ植物胶泥浆有较好的润滑性能。 ４植物胶泥浆作用机理 ４．１ 防塌护壁作用机理 植物胶的结构分子含有丰富的亲水基，所以 能较好地在分子链上大量的吸附自由水分子，能 保证泥浆中的自由水含量减少。植物胶经过处理 剂处理链接后，其胶粒直径变大，在压差作用下， 泥浆失水，其中胶粒不断填充堵塞孔壁间隙，提高 渗失阻力。植物胶泥浆还有护胶作用，有利于提高 岩心采取率。 ４．２携带岩屑及悬浮岩屑作用机理 植物胶泥浆携带岩屑和悬浮岩屑作用的基本 原理是吸附作用，主要是高分子链的链节和泥浆 材料的物理化学吸附作用。携带岩屑和悬浮岩屑 作用除跟泥浆中物质的物理性质和几何形状有关 外，还需泥浆中有密度低面积大的物质，如植物胶 泥浆中的纤维素、木质素等轻物质，这些物质使整 个携带岩屑和悬浮岩屑作用加强，保证清孔效果。 ４．３与惰性材料掺和使用实现堵漏作用机理 植物胶泥浆因为具有高粘低密度的特点，具 有堵漏功能。但只能解决轻微的漏失。对于中等程 度的钻孔漏失，不能起到较好的堵漏效果，需在植 物胶泥浆中加入直径为ｌ～２ ＩＴｌｍ的惰性材料颗粒 增加胶凝作用，如细花生壳、细棉花壳等。因这种 材料的密度比泥浆低，再配合泥浆处理剂增加泥 浆的粘度，产生一定的粘结和胶凝作用，它和惰性 材料、岩粉岩屑一起流人孔壁裂隙中，在狭窄的地 方产生架桥现象，并且被粘在裂隙壁上，阻止泥浆 漏失，起到钻孔堵漏的作用。 ５取心钻具 对于复杂地层，特别是砂卵砾石破碎地层，结 构松散破碎、遇水易溶胀坍塌、易掉块，基本要采 用单动双管钻具。 ２０１４年第３９卷第６期 Ｖ０１．３９ Ｎｏ．６ 能源技术与管理 Ｅｎｅｍｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａ￣ｍｅｎｔ １ ５５ 根据苏南阳山的地层特点和钻具的结构性能， 选用ＳＤＢ系列金刚石钻具比较适合施工区地层钻 进ｌ３，它的结构包括导向除砂打捞机构、单向阀机 构、双级单动机构、内管机构和外管机构５大部 分。其中导向除砂打捞机构不仅能增加粗径钻具 长度预防孔斜，还有沉砂除砂作用；在外管接头内 设置单向阀机构，下钻时封闭，钻进时泥浆下压阀 座，实现正循环钻进，避免了含砂浆液沿钻杆内上 返及停钻时下沉内外管间隙；双级单动机构比单 级单动机构效果更好更可靠，使用寿命更长。内管 机构中半合管和整体式内管每次只能使用其中的 一种，可以互换。短接管与内管成为一体，可提高 内外管的同轴度，有利于保障单动性能。外管机构 与普通的单动双管钻具一样，钻头是特制的，采用 了特殊的保径技术，内径磨损小，基本解决了堵心 问题，一次性可以将内管打满。 ６实践应用效果 过去对破碎复杂地层的钻探，通常采用常规 金刚石清水钻进方法，特别是硬胞碎的破碎岩地 层可钻性为９～１０级，薄～中厚层状结构，发育闭 合隐裂隙和风化构造裂隙，具有网格状碎裂特点， 钻进中取心效果差，大部分岩心呈岩粉或碎粒状， 少部分呈块状和短柱状，岩心采取率一般不到 ５０％，岩心完整度很差，钻孔质量达不到要求。 在苏南阳山隧道工程地质勘察施工现场试验 过程中，通过分别用植物胶泥浆和陶土泥浆在 ＺＫ１４６和ＺＫ１５８两个钻孔作为试验孔进行对比 试验，正常钻进２０个回次，取心效果统计比较如 表２所示。 根据表２中的试验数据可以看出，在相同施 工环境下，使用低固相陶土泥浆、ＳＨ植物胶泥浆 分别在复杂破碎的地层中钻探，泥浆不同，岩心采 取率不同，钻速不一样、生产施工的经济成本也有 差别。钻进中使用低固相陶土泥浆，因为地层漏失 严重，泥浆使用量大，投入经济成本最高，岩心采 取率不能满足最低要求；钻进中使用植物胶泥浆， 投入的经济成本低于低固相陶土泥浆，岩心采取 率可达到９５％，而且基本可采上原状岩心，对破 碎岩石的完整性和碎裂结构状态及工程地质条 件，获得比较直观的认识和评价。地层越是破碎， 生产效率越低，经济成本越高，岩心质量越差。 表２苏南阳山隧道工程勘察钻探岩心采取率比较 孑 号 呈嚣／ｍ ／ｍ ／ｍ ，（ ｍ／ｈＭ ７结语 泥浆的类型、配方和配制工艺是影响复杂地 层钻进效果的主要因素，经过大量试验研究和苏 南阳山隧道工程钻探等实践证明，ＳＨ植物胶泥浆 和绳索取心钻进工艺配合，能提高复杂地层中钻 进的护壁效果，提高岩心采取质量，提高钻进效 率，降低施工成本。对于破碎坍塌、漏失、水敏等不 同的复杂地层，使用植物胶配方应有所不同。文中 提供的配方可供参考。 ＳＨ植物胶泥浆生产施工中遇高温或时间长 了，会发生变质，还需要继续研究解决。 ［参考文献］ ［１］张益飞．苏南地区复杂地层地热钻井冲洗液研究与应 用［Ｊ］．地质与勘探，２０１３（６）：１１７０—１１７５． ［２］殷宝兵，黄留新．植物胶泥浆在复杂地层钻进取心中 的应用研究［Ｊ］．探矿矿工程（岩土钻掘工程），２０１３， （１１）：１１－１４． ［作者简介］ 张益飞（１９６６一），男，高级工程师，副教授，长期从事岩 土工程勘察与教学研究工作。 ｆ收稿日期：２０ｌ４一ｌＯ—ｌ４］
