复杂地层的钻孔技术.docx

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复杂地层的钻孔技术

第四章复杂地层的钻孔技术

1什么叫复杂地层

复杂地层是相对好地层而言的。

一般人们习惯于把出现坍塌、掉块、漏水、涌水、缩径、膨胀等一系列现象的地层，叫复杂地层。

复杂地层是客观存在的，是不依人的意志为转移的的。

不论你承认不承认都会发生，是一种地质现象。

不管你用什么设备，什么钻进方法；也不管大口径或小口径，合金或钢粒，还是金刚石；也不管是地质钻探、工程钻探、水文钻探或工程施工都会遇到这种现象，而且随着水电工程的发展，复杂现象也愈加严重。

具体讲，复杂现象的钻孔包括覆盖层，特别是深厚覆盖层的钻孔、岩溶地层的钻孔，以及不均匀地层的钻孔等。

2复杂地层对钻孔施工的影响

在钻孔施工中，若遇复杂地层，就会严重地影响钻孔生产，轻者，使钻进不能正常进行，停待时间增多；重者，导致孔内事故，质量达不到要求，拖延工程进度；再重者，钻孔报废。

复杂地层的钻孔事故屡见不鲜，这里不细述。

复杂地层对钻孔的影响是多方面的：

2.1生产效率低

由于地层复杂，难以钻进，或钻具下不到底，或被卡、夹、埋，反复处理，辅助时间增多。

发生孔内事故多，又把大量时间用在处理事故上，纯钻时间相应减少，生产效率下降。

据有关资料，钻探发生的各类事故中，有70%以上都与复杂地层有关，有的大工程因地层复杂拖延了计划工期；有的钻机完不成任务，有的承包者赔本，连工资都发不出来。

2.2工程质量得不到保证

一方面由于孔内事故多，使一些钻孔在未达到设计孔深时被迫提前终孔；有的因为岩石破碎，岩心采取率达不到要求；有的因孔壁坍塌严重无法按时进行试验或灌浆；另一方面，由于人们把大量的精力用在处理事故上，无心去研究工程质量问题，使工程质量得不到保证。

2.3成本增加，盈利减少

（1）效率的降低使单位成本增加；

（2）处理事故使费用增加。

如原材料消耗加大；运输量增多；机械磨损加剧；劳动量加大；而且，往往由于孔内事故导致机械事故，机械事故又引起人身事故，形成恶性循环，使单位成本和总成本骤增，盈利大幅度下降，甚至亏本。

（3）由于事故迫使提前终孔的，需要另外补设新孔，也使成本大大增加；

（4）由于工期紧，效率低，完不成任务，不得不增加钻机数量。

2.4影响新技术推广

在试验、推广新技术、新方法时，一般都要孔内有良好的条件。

如金刚石钻进、绳索取心钻进就是这样，如果孔内事故频发，将严重阻碍新技术、新方法的试验与推广。

综上所述，复杂地层钻孔问题不仅是解决好其他问题的前提和基础，而且是影响施工效率、质量的主要障碍。

但是，掌握复杂地层的钻进技术是一种必然趋势，我们不但不能回避，而且应主动想办法去攻克技术难关。

3复杂地层钻孔的应对措施

3.1护壁堵漏是解决复杂地层钻孔问题的有效手段

在钻孔施工中，为了对付复杂地层，就出现了护壁堵漏这个名词和方法，但护壁和堵漏的概念是不同的，目的也是不同的，护壁也叫护孔，主要是解决孔壁的稳定问题。

堵漏主要是解决冲洗液的漏失问题。

但由于二者常常同时进行，用的材料也大部分相同，堵漏的主要目的往往是为了解决护壁问题，护壁有时也可堵住漏失，所以通称护壁堵漏。

护壁堵漏是治理解决复杂地层钻进的有效手段，是预防孔内事故的重要措施。

地层虽然是复杂的，但规律是可以掌握的，人是可以制服它的。

一般情况下，只要方法正确，对症处理，就可以使钻孔孔壁稳定平衡，实现顺利钻进，把由于复杂地层造成的孔内事故降低到最低限度，从而实现钻探生产的优质、高效、安全、低耗。

工艺的正确与否是进尺多少的问题，护壁堵漏的正确与否是能不能进尺的问题，护壁堵漏工作的成败与否决定其他工作的成败与否。

在生产实践中，有些人不愿意花力气解决这个问题，总想冒险行动，抱着侥幸心理，甚至认为搞不搞无所谓，不搞护壁堵漏也过去了等等。

这种缺乏科学的劳动往往事故多，效率低，成本高，质量差或发生许多无效劳动。

技术的高低，方法的好坏，其效果是大不一样的，经济效益的差别是很大的，这种例子很多。

在复杂地层中采取正确的护壁堵漏措施就能提高经济效益。

如果坚持蛮干，不讲科学，最后必然劳民伤财，导致一系列工作变为徒劳，如有些机组在复杂地层施工不愿采取措施，屡屡不接受教训，孔内事故接二连三地发生，钻孔出了大力，却没有收益。

3.2坚持“因地制宜，综合治理”的方针

所谓“因地制宜，综合治理”就是依据地质地层特点、钻孔结构、现场条件，根据本单位的货源情况、技术水平，分析、对比确定一种或几种有效的护壁堵漏材料，对复杂地层进行及时的处理，以保持孔壁的平衡稳定或不涌不漏，维持正常钻进。

为什么要制定这样的方针呢？

这是因为：

（1）复杂地层是各种各样的，客观条件是不同的，引起钻孔不稳定的原因又是多方面的；发生复杂情况的种类、轻重程度也有差别；现场条件如钻孔的深度、孔径、地质因素也有差别，一种方法解决不了那么多复杂问题，如果盲目的用单一的方法，必然得不到满意的结果。

（2）目前所有的护壁堵漏材料都各具有其特点，在一定条件下，有一定适应范围，并有不同程度的效果。

到目前为止，还没有一种通用材料能解决所有的复杂问题。

（3）钻孔目的不一样，要求不一样，方法也就不同。

（4）技术因素、货源情况不同，用一种方法解决所存在的问题是不可能的。

（5）目前钻孔深度和复杂性还在增加。

（6）多年来的实践证明，凡是坚持因地制宜，综合治理，讲求实效方针的，效果就好，事故就少，生产就发展；反之，效果差，事故多或事倍功半。

4护壁堵漏方法的正确选择

目前用于钻孔护壁堵漏的材料种类很多，据资料介绍，国外有几千种，国内也有几百种，但我们常用的只有十几种。

如各种类型的泥浆处理剂、水泥及各种附加剂、套管、各种化学材料、惰性材料，各种速效液、堵漏籍、无固相冲洗业以及压力平衡钻进法、根管钻几根管钻进法等。

所有这些材料和方法各具有不同的特点、适用条件，而且在实践中都取得了明显的效果。

要真正做到“因地制宜，综合治理”，就必须先掌握钻孔护壁堵漏的依据、一般原则，并在此条件下正确选择方法和材料。

4.1选择护壁堵漏方法的依据

（1）地层特点

适应地层特点达到稳定孔壁或不漏、不涌的目的，满足顺利施工的需要是正确选择护壁堵漏方法的主要依据。

如对于只漏不垮的地层，在水源充足条件下，可用清水顶漏钻进；对只垮不漏或小漏的地层可用泥浆、水泥进行处理；对于轻微的坍塌可用无固相冲洗液或提钻回灌的方法解决；对于有漏又跨的地层要抓住主要问题进行治理，视情况可以用水泥护壁，也可堵漏后用泥浆护壁。

（2）施工目的

护壁堵漏方法应满足施工目的和不影响地质资料获得为前提。

如水井钻探和灌浆孔就不能用水泥或泥浆，否则就把裂缝封住了；以获得水文资料为主的工程钻孔，在基岩就不能用泥浆，否则会影响水文资料的正确性。

（3）钻孔结构

钻孔结构不同，孔径大小不同，钻孔深度不一样，其护壁堵漏的方法和材料也可能不一样。

（4）货源情况

有些材料虽好，但货源紧张或条件不具备，在这种情况下就要根据货源情况就地取材。

（5）现场条件

对于现场条件，如问题的复杂程度、空段的范围、深浅、钻进方法、施工时间的长短、季节、技术力量等都要充分考虑。

4.2选择护壁堵漏方法的原则

（1）效果好

选择的护壁堵漏方法要效果好，能达到稳定孔壁的目的，满足顺利施工的要求，保证在整个散工周期内不再引发，直到终孔。

（2）速度快

即在满足施工要求的条件下，选择的方法尽可能简单，辅助时间少，停待时间短，速度越快越好。

（3）成本低

选择的材料要货源广、价钱便宜、成本要低。

以上所述速度快、成本低、效果好，这三者是不可分的，而效果好是主要的，只有坚持科学的态度，进行综合评价，及时、果断并尽可能使用先进技术，才能获得理想的效果。

5护壁堵漏方法的选择

5.1优先选用泥浆

5.1.1适应性

泥浆是一种用得最广泛，效果最好的护壁堵漏方法。

它可根据不同地层特点对症选择不同性能的类型，且可随钻随护壁；

不仅适用于风化层、破碎带，也适用水敏地层、缩径膨胀地层；

不仅能用于浅孔，更适用于深孔；

不仅能用于大口径钻孔，也能用于小口径钻孔。

特别是随着PAM低固相泥浆、SM、NG植物胶无固相冲洗液的普遍推广，把泥浆的应用发展到一个新的水平。

国内外专家一致指出：

泥浆是完成钻进任务关键的关键，并认为“地质条件是复杂的，只有泥浆搞好了，复杂条件就不见了”。

可见泥浆的重要性了。

泥浆在石油、地矿、煤田、冶金等钻探施工中广泛应用着，近些年来，水电工程施工中也大量地进行了引用。

地勘部门一般都是深孔钻进，常常在500m以上，根据他们的经验，在实际中，常常有这种情况，由于地层复杂，处于山穷水尽疑无路时，一旦用上泥浆就立即柳暗花明又一村了。

在开孔钻穿覆盖层时，有人总想用清水钻进，往往一个十几米或二十几米的破碎带要折腾56天，甚至十多天；如果用上泥浆，一般13天就能下好空口管了。

【实例一】某单位在眉县铜峪钻探施工中，曾先后有三个钻孔，设计孔深均在400米以上，覆盖层为1520米。

因用清水、合金钻头钻进，多次导致事故、移孔位，仅开孔下孔口管时间累计折腾110天，平均一个孔36天多。

后来的三个孔采用泥浆、钢粒钻进，水泥封闭套管底部（隔钢粒）的方法，在比前三个孔复杂的条件下，开孔下孔口管的时间累计为15天，平均一个孔为5天。

仅开孔下套管的时间就缩短了95天。

【实例二】又如1978年在周至西骆峪工区ZK26孔，设计孔深600米，孔径Φ56mm，清水钻进至495米时，因上部炭质片岩松散，又塌又漏，孔内积渣十多米，无法施工，先后折腾了十多天无效果，正讨论报废时，在该孔引进了PAM低固相泥浆，结果很快堵住了漏失（PAM泥浆中加入100kg水泥）护住了孔壁，顺利钻至终孔。

【实例三】在三峡隔流堤高喷施工中，覆盖层最深才50米左右，一般2530米，但钻一个孔常常要2～3天，有的达一个星期，而且孔内事故多，后来采用NG植物胶泥浆后，大为改善，一般12天就能终孔，而且下喷管也很方便。

综上所述，泥浆具有以下特点：

（1）随钻随护，钻到那里就护到那里，不仅效果好，速度快，成本也低，还能根据不同地层选用不同性能的类型。

（2）兼有润滑减阻、提高钻头寿命、携带岩粉能力强，预防事故，提高钻速等优点。

（3）有些品种如SM植物胶、NG植物胶等还有保护岩芯的作用。

长办在三峡就成功利用SM植物胶泥浆取出了柱状岩芯。

所以在条件允许的情况下，应优先选用泥浆，特别是选用优质泥浆。

用好泥浆的关键是选好类型，抓好现场管理。

5.1.2对泥浆的要求与性能指标

（1）必须是低固相、低粘度和低比重。

这样才有可能在环空间隙小的情况下，减少流动阻力和泵压损失，使钻具开上高转速，特别是金刚石钻进。

（2）必须有良好的润滑性，以减轻钻具高转速时的耐磨和振动；

（3）要求泥浆失水量较小，泥饼致密，润滑性好，有利于减少动失水和上下钻时的压力激动。

（4）要求泥浆流变性好，具有良好的剪切稀释作用，既有利于钻头的冷却，延长钻头寿命；又有利于携带岩粉和保护孔壁；

（5）要求泥浆有低的切力和良好的地表除砂系统，有利于排除细的岩粉。

泥浆的具体性能指标值参考如下表4-5-1。

表4-5-1泥浆的性能指标参考值

胶体率（%）

比重

粘度

（s）

失水量（cm/30min）

泥皮厚

（mm）

含砂量

（%）

静切力

（mgf/cm2）

PH值

＞97

1.05～1.10

17～23

7～9

＜0.5

＜0.5

0～2

7～8.5

5.1.3泥浆性能及其测定

泥浆的工艺性能是泥浆物理化学性质的反映。

泥浆性质的变化直接影响机械钻速、钻头寿命、孔壁稳定、悬浮、携带与清除岩粉、护壁堵漏和孔内事故等一系列钻进工艺问题。

泥浆主要性能有：

泥浆比重、泥浆流变性（粘度与切力等）、泥浆失水量、泥浆造壁能、泥浆含砂量、泥浆PH值等。

（1）比重

泥浆比重是泥浆质量与同体积水的质量比，其大小