成膜抑制沖洗液體系在地應(yīng)力鉆探中的應(yīng)用

劉春生，張建杰，賈長城

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京101500）

成膜抑制沖洗液體系在地應(yīng)力鉆探中的應(yīng)用

劉春生，張建杰，賈長城

（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京101500）

地應(yīng)力鉆孔是地應(yīng)力測(cè)量的基礎(chǔ)場(chǎng)所，對(duì)鉆孔孔壁質(zhì)量要求較高，當(dāng)鉆遇地層存在破碎、膨脹縮徑等問題時(shí)，嚴(yán)重影響了鉆孔正常鉆進(jìn)，需要配制專門的沖洗液解決以上問題，以保證鉆孔順利施工。本文詳細(xì)介紹了處理此類問題的成膜抑制沖洗液體系的配方組成、配制與維護(hù)方法和使用效果，該沖洗液體系由成膜抑制劑、接枝淀粉及銨鹽等配制而成，對(duì)泥頁巖地層膨脹縮徑、分散造漿起到較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)對(duì)松散、破碎地層也具有良好的膠結(jié)，護(hù)壁效果好，有效解決了上述復(fù)雜地層鉆進(jìn)所面臨的技術(shù)難題，為類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔施工提供了有益的參考。

地應(yīng)力；鉆探；松散地層；沖洗液；成膜性

0 前言

地應(yīng)力是存在于地殼中的應(yīng)力，即由于巖石形變而引起的介質(zhì)內(nèi)部單位面積上的作用力。我國地應(yīng)力測(cè)量是20世紀(jì)50年代后期由李四光和陳宗基兩位教授分別指導(dǎo)的地質(zhì)力學(xué)研究所和三峽巖基專題研究組開始的，60年代初中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在大冶鐵礦摸索淺層鉆孔應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，

70年代后我國鉆孔應(yīng)力測(cè)量猶如雨后春筍，尤其是70年代以后發(fā)展起來的深鉆孔地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用（劉允芳等，1999；秦俊生等，2016；秦俊生等，2017）。地應(yīng)力鉆孔作為應(yīng)力測(cè)量的基礎(chǔ)場(chǎng)所，對(duì)孔壁穩(wěn)定性及孔壁質(zhì)量要求較高，鉆孔施工質(zhì)量將直接影響地應(yīng)力測(cè)量的效果。而當(dāng)鉆孔鉆遇地層復(fù)雜，例如存在易分散造漿、膨脹縮徑，以及地層膠結(jié)性差、硬脆碎、易發(fā)生坍塌、掉塊等問題時(shí)，給鉆孔施工帶來很大的困難，有必要研究一套處理此類問題的行之有效的沖洗液體系，保證鉆孔的順利施工（陶士先等，2012；胡繼良等，2011；陳禮儀等，2009）。

1 鉆孔概況

1.1 項(xiàng)目概況

北京地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)孔鉆探工程，是“北京地區(qū)主要活動(dòng)斷裂工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與地應(yīng)力測(cè)量”項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目，項(xiàng)目是在收集整理分析北京地區(qū)已有主要活動(dòng)斷裂研究成果的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)北京城區(qū)活動(dòng)斷裂帶進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)調(diào)查，運(yùn)用微地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)方法，重點(diǎn)揭示該斷裂帶（中斷和北段）的存在及其三維空間產(chǎn)狀展布，評(píng)價(jià)其工程地質(zhì)穩(wěn)定性，為北京地區(qū)活動(dòng)斷裂評(píng)價(jià)以及首都重大工程規(guī)劃、城市安全建設(shè)等提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值（北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，2012）。本鉆探工程是為地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)工作，提供必要通道和場(chǎng)所的基礎(chǔ)性工作。

1.2 設(shè)備及工藝

根據(jù)鉆孔深度、鉆孔口徑、鉆進(jìn)方法，選用的主要鉆探設(shè)備見表1。施工工藝采用普通單管鉆進(jìn)提鉆取心工藝。

1.3 鉆進(jìn)方法及鉆孔結(jié)構(gòu)

開孔為第四系，主要是砂層和砂礫石層，屬較軟-稍硬地層，易坍塌、孔斜、漏水，故采用?190mm的單管合金（或普通金剛石）單管鉆進(jìn)至穿過表土層，下入?179mm的套管，并水泥漿固孔；用?152mm合金（帶外肋骨條）或金剛石鉆頭鉆進(jìn)至400m，下入?146mm永久性套管；用?95mm金剛石單管取心鉆具鉆進(jìn)至401m后下?89mm技術(shù)套管；再用S76mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。最后提出?89mm技術(shù)套管，根據(jù)地層完整程度用?95mm和?130mm擴(kuò)孔鉆具分兩級(jí)擴(kuò)孔至地質(zhì)要求的孔深位置，下入?127mm套管以保護(hù)孔壁和儀器，保證鉆孔同心度，用地應(yīng)力監(jiān)測(cè)單位提供的特殊鉆頭做錐形口和?91mm擴(kuò)孔。

表1 鉆探設(shè)備配套表Tab.1 Drilling equipment table

1.4 地質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)鉆探工程的要求

第四紀(jì)覆蓋層鉆進(jìn)不取心，基巖地層綜合取心率≮95%；鉆孔垂直度偏差每百米≤0.5°，可以累計(jì)計(jì)算，保持鉆孔平直且保證鉆孔換徑施工時(shí)保證其同心度；將從孔中取出的巖心，應(yīng)自上而下、自左至右按次序排列，不得顛倒混淆，并及時(shí)整理、裝箱、編號(hào)、不得丟失，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存放巖心并做好相應(yīng)記錄，及時(shí)移交，以便取樣和保存，為地應(yīng)力測(cè)量和監(jiān)測(cè)選擇深度提供可靠資料；鉆進(jìn)過程中使用清水或泥漿作為循環(huán)液，盡可能減少皂化油等潤滑劑的使用量；鉆進(jìn)結(jié)束后，將孔壁和孔底清洗干凈，孔底巖粉厚度每百米≤0.2m；終孔后，采用孔口板對(duì)孔口進(jìn)行封堵。

2 施工區(qū)域地質(zhì)概況及存在的主要問題

2.1 施工區(qū)域概況

該孔位于北京海淀區(qū)李四光紀(jì)念館院內(nèi)。本區(qū)屬北京平原西部，自西北向東南微傾斜，地貌單元屬永定河沖、洪積扇中段，永定河古道金鉤河殘留帶狀洼地在本區(qū)呈近東西向分布。

2.2 鉆遇地層特性

場(chǎng)地位于永定河和小清河沖洪積扇上，0～122.51m為第四系的表層壤土、砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、砂、礫、卵石層，屬較軟-稍硬地層；122.51～369.45m為第三系的半膠結(jié)的泥巖、含礫泥巖、安山巖等，層厚246.94m，屬中硬—硬地層，可鉆性級(jí)別為Ⅵ級(jí)；369.45～457.79m為侏羅系中統(tǒng)一套火山碎屑沉積巖，層厚88.34m；369.45～457.79m為侏羅系中統(tǒng)一套火山碎屑沉積巖，層厚88.34m；457.79～600.27m為灰白—灰黃色中元古界薊縣系霧迷山組含燧石條帶白云質(zhì)灰?guī)r，層厚142.48m（未揭穿）。地下水屬潛水，埋深26m左右。

2.3 存在的問題與分析

上部第四系砂層、砂礫石層易坍塌、漏失；粘土層厚度大，粘性與分散性強(qiáng)，易分散造漿，極易引起粘附卡鉆事故；下部第三系淺紅色泥巖地層吸水后造漿、縮徑、且粘性強(qiáng)，易發(fā)生粘附卡鉆現(xiàn)象，同時(shí)砂、礫巖易發(fā)生坍塌、掉塊，導(dǎo)致孔徑擴(kuò)大引發(fā)斷鉆桿現(xiàn)象。

在孔深179.77m以淺地層鉆進(jìn)時(shí)，采用低固相沖洗液，所用泥漿材料為鈉土、純堿、聚丙烯酰胺和CMC，泥漿配方為：水+3%膨潤土+0.5%純堿+0.2%PHP+0.1%CMC?，F(xiàn)場(chǎng)按配方配制的沖洗液，粘度在30s左右，經(jīng)孔內(nèi)循環(huán)后，快速上升至100余秒，出現(xiàn)泥漿增稠速度快（圖1），排漿頻繁現(xiàn)象，降低了鉆進(jìn)效率，造成沖洗液增稠的主要原因，一是粘土層吸水后易分散，二是沖洗液對(duì)水敏性地層的抑制性較差，三是泥漿靜止后靜切力大，不利于巖粉沉淀，再加上現(xiàn)場(chǎng)無固控設(shè)備、循環(huán)槽較短等原因，巖屑沉降效果差（圖2）。另外砂層、砂礫石層膠結(jié)性差，泥漿護(hù)壁性能無法滿足要求，導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中掉塊嚴(yán)重。再次，孔壁有明顯縮徑現(xiàn)象，提下鉆阻力大，分析原因可能與粘土層吸水膨脹以及泥漿濾失量大、固相含量高、粘度高形成的厚泥皮、孔壁清潔度差、潤滑性差有關(guān)。同時(shí)由于地應(yīng)力鉆孔要安放測(cè)試儀器，要求孔壁不要過于光滑，因此無法使用瀝青類防塌劑，也增加了防塌的難度。

圖1 孔口流出來的泥漿Fig.1 The mud from the drill hole

圖2 經(jīng)過沉淀池沉淀后的泥漿Fig.2 The mud after precipitating in the sedimentation tank

3 成膜抑制沖洗液體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 成膜抑制沖洗液體系材料組成

成模抑制沖洗液體系主要由鈉膨潤土、成膜抑制劑（GCM-1）、包被劑（GBBJ）和水解聚丙烯腈銨鹽等材料組成。鈉膨潤土：用于提高沖洗液粘度，降低沖洗液濾失量；成膜抑制劑（GCM-1）：用于抑制泥頁巖地層膨脹縮徑、分散造漿，同時(shí)對(duì)松散、破碎地層具有較強(qiáng)的膠結(jié)作用；包被劑（GBBJ）：具有選擇性絮凝和包裹巖屑的作用，抑制地層造漿，防止巖屑分散，有利于泥漿的固相控制，同時(shí)調(diào)節(jié)沖洗液流型，使其具有良好的剪切稀釋作用；水解聚丙烯腈銨鹽：提供NH4+，提高沖洗液的抑制性能，防止粘土層水化膨脹，同時(shí)兼具降失水作用（陶士先等，2014；陶士先等，2015）。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)沖洗液的配制

現(xiàn)場(chǎng)沖洗液配方為：1m3水+20kg鈉膨潤土+ 2～3kg包被劑+10kg成膜抑制劑（GCM-1）+10kg銨鹽+5kg降失水劑。

沖洗液配制時(shí)先將鈉膨潤土、GCM-1、銨鹽、降失水劑、包被劑依次加入到配漿罐中，待充分溶解或分散均勻后，倒入泥漿池中攪拌均勻。新配制的沖洗液性能應(yīng)達(dá)到：密度，1.02～1.03g/cm3；粘度，18～25s；濾失量，≤8mL/30min（鄢捷年，2001）。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)沖洗液維護(hù)與處理

由于現(xiàn)場(chǎng)沒有固控設(shè)備及場(chǎng)地有限導(dǎo)致泥漿循環(huán)槽很短，不利于巖屑沉淀，因此現(xiàn)場(chǎng)增挖了一個(gè)沉淀池。鉆遇造漿地層時(shí)，為控制沖洗液粘度，配制新漿時(shí)不再添加鈉膨潤土，直接用其它處理劑配制成膠液加入到泥漿池，并攪拌均勻，由于包被劑消耗較快，現(xiàn)場(chǎng)將包被劑預(yù)先配制成膠液，隨時(shí)補(bǔ)充，以保證沖洗液中包被劑的含量。當(dāng)鉆進(jìn)松散、破碎的砂層、砂礫石層時(shí)，提高鈉膨潤土加量。鉆進(jìn)時(shí)要及時(shí)清除沉淀池和循環(huán)槽中的巖粉，經(jīng)常測(cè)量、調(diào)整沖洗液性能，使其密度、粘度分別維持在1.03～1.10g/cm3和18～30s之間，失水量≤810mL/30min。

3.4 成膜抑制沖洗液體系現(xiàn)場(chǎng)使用效果

鉆孔自孔深179.77m開始使用成膜抑制體系，又鉆遇多層粘性土層、松散和破碎地層，但施工過程中孔壁穩(wěn)定，無縮徑及坍塌、掉塊現(xiàn)象發(fā)生，提下鉆時(shí)孔內(nèi)阻力明顯減小。共施工了400m，取得了比較理想的效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是護(hù)壁效果好，盡管鉆遇多層粘土層、松散地層和破碎地層，但施工過程中孔壁穩(wěn)定，無縮徑及坍塌、掉塊現(xiàn)象，提下鉆時(shí)孔內(nèi)阻力?。欢悄酀{流動(dòng)性好，巖粉攜帶能力強(qiáng)，鉆進(jìn)速度明顯提高，由0.5m/h提高至1.1m/h，鉆具也能一次下鉆到底；三是抑制造漿能力強(qiáng)，沉砂效果好，只要現(xiàn)場(chǎng)按時(shí)清理泥漿槽和沉渣池，即可避免泥漿排放；四是泵壓明顯減少，從3MPa降低到1.5MPa；五是配制方法簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

4 結(jié)論

成膜抑制沖洗液體系在該地應(yīng)力鉆探項(xiàng)目中的應(yīng)用，使得該鉆孔得以順利施工，主要的效果有以下幾方面：

（1）成膜抑制沖洗液體系，護(hù)壁效果好；

（2）成膜抑制沖洗液體系抑制造漿能力強(qiáng)，可減少現(xiàn)場(chǎng)泥漿排放；

（3）成膜抑制沖洗液體系，配制簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，減輕了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

該成膜抑制沖洗液體系的使用，為類似復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔施工提供有益的參考和指導(dǎo)。

北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，2012. 北京西南地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)鉆探工程竣工報(bào)告[R].

陳禮儀，李浩，袁學(xué)武，等，2009. 低滲透成膜鉆探泥漿體系的研究與應(yīng)用[J]. 成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然版），36(5)：498-503.

胡繼良，陶士先，紀(jì)衛(wèi)軍，2011. 破碎地層孔壁穩(wěn)定技術(shù)的探討和實(shí)踐[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），38(9)：30-32.

劉允芳，劉元坤，羅超文，1999. 深鉆孔地應(yīng)力測(cè)量的崛起和發(fā)展[J]. 地下空間，19(5)：692-698.

陶士先，單文軍，2012. 深部地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液使用的認(rèn)識(shí)與思考[J]. 探礦工程（巖土鉆掘工程），39(2)：149-152.

陶士先，李曉東，吳召明，2014. 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系的研究與應(yīng)用[J]. 地質(zhì)與勘探，50(6)：1147-1154.

陶士先，付帆，2015. 地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)[M]. 北京：地質(zhì)出版社.

秦俊生，譚成軒，劉春生，2016. 地應(yīng)力鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 城市地質(zhì)，11(4)：54-58.

秦俊生，劉春生，譚成軒，2017. 地應(yīng)力鉆孔成果質(zhì)量評(píng)價(jià)探討[J]. 城市地質(zhì)，12 (1)：5-10.

鄢捷年，2001. 鉆井液工藝學(xué)[M]. 山東東營：中國石油大學(xué)出版社.

App lication of the Film Formation Inhibition Flushing Liquid System in Geostress Drilling

LIU Chunsheng, ZHANG Jianjie, JIA Changcheng

(Beijing Geological Engineering Design and Research Institute, Beijing 101500)

Geostress drilling is the basic site of geostress measurement. The requirement of the quality of drill hole wall is higher. When there are some problems such as crushing, expansion and shrinkage, it seriously affected the normal drilling, so that it needs to prepare a special fushing fuid to solve above problems, to ensure the smooth construction of drilling. In this paper, the formulation, preparation, maintenance methods and application effect of the f lm formation inhibition fushing liquid system to deal w ith such problems are introduced in detail. The fushing fuid system is made up of f lm-form ing inhibitor, grafted starch and ammonium salt, it plays an important role in inhibiting the expansion of shale formation and the dispersion, at the same time, it has good cementation to loose and broken strata and effectively act on the drill hole wall, and solve the technical problems of the complex formation drilling, and it provides useful reference and guidance for drilling construction of sim ilar complex geological condition.

Geostress; drilling; Loose stratum; Flushing liquid; Film form ing property

A

1007-1903（2017）02-0102-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.020

劉春生（1969- ），男，工程師，從事探礦工程與巖土工程施工，E-mail：778174091@qq.com