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1、兰渝线隧道深孔钻探泥浆护壁技术探讨与实践摘要 本文结合笔者近年来进行深孔钻探所遇到的问题，对复杂地层深孔钻进泥浆护壁技术进行了较深入的探讨，并在生产实践中对 PHP 泥浆和新型 LBM 泥浆进行了试验应用，取得了较好的效果，对深孔钻探施工具有一定的借鉴意义。关键词 隧道 深孔钻探 复杂地层 LBM 泥浆一、兰渝铁路概况兰渝铁路北起甘肃省兰州市，向南经甘肃省榆中、渭源、岷县、陇南、四川省广元、苍溪、阆中、南充、武胜、终止重庆市的合川市、线路全长约 789km。线路穿越秦岭山脉，桥隧相连，地质条件复杂。隧道埋深一般较大，隧道工程钻探深度也随之加大，这就给钻探技术提出了更高的要求。钻孔越深，钻穿的地
2、层越多，施工周期越长，孔内会越复杂，施工难度会越大，在复杂地层进行深孔钻探更是如此。二、复杂地层深孔钻探存在的主要问题1孔壁失稳，护壁困难。复杂地层钻进，孔越深，地层越复杂，钻进时间越长，孔壁越容易失稳。也就是说复杂地层深孔钻探，保护孔壁是十分重要的一环，必须解决好护壁问题。2回转阻力大，动力和材料消耗大，孔内事故多。随孔深的增加，孔内钻杆增长，摩擦阻力增大。必须采取润滑措施，有效减少钻杆的回转阻力。3钻头寿命缩短。深孔钻进，钻压难以准确控制，加上钻杆接头密封不良易产生泄漏，难以保证将冲洗液全部送到孔底，形成假循环，容易造成钻头微烧，影响钻头寿命。4钻进效率低，成本高。在复杂地层进行深孔钻进，
3、施工周期长，若护壁措施不当，孔内事故增多，钻进效率降低，成本增高。三、复杂地层深孔钻探对冲洗液的要求上述问题的解决大都与冲洗液有关，冲洗液在复杂地层钻探起着至关重要的作用。目前，深孔钻探较先进的工艺方法是金刚石和复合片(PDC)单管及单动双管取心钻进。深孔、复杂地层金刚石和复合片(PDC)单管及单动双管取心钻进的工艺特点对冲洗液性能提出了更高的要求。1具有良好的护壁性能。冲洗液具有较低的滤失量和较强的造壁性，具有吸附、黏结孔壁作用，形成的泥皮薄而韧性强，能有效保护壁稳定。2具有良好的润滑性能。黏附系数小，能有效降低摩擦阻力，降低回转阻力，防止黏附卡钻等，减少动力和材料消耗，延长钻具寿命。3能防
4、止钻具结垢。冲洗液应具有超低固相和极细分散性，流变性能好，能有效防止钻具结垢，避免内管打捞失败。4具有良好的携带岩粉、清洗孔底和冷却钻头的性能。冲洗液的黏度、切力、动塑比等应适中。四、PHP 系列泥浆护壁技术1.PHP 冲洗液性能特点。水解聚丙烯酰胺(PHP)是由聚丙烯酰胺(PAM)水解而成。PAM 是非离子型高分子聚合物，分子量大且变化范围广，分子链长并由多个链节组成，柔性强。由于 PHP 是伸展的长链高分子化合物，具有多种非离子吸附基团，如 JCONH:等，可通过氢键吸附黏土表面，在岩层表面因多点吸附而形成薄的吸附膜，不仅对水敏性地层可减轻泥浆滤液对地层的侵蚀作用，而且对破碎地层，也可因阻
5、止滤液渗入裂缝和多点吸附膜的保护而不易产生坍塌掉块，故 PHP 泥浆具有较好的护壁性能。2.PHP 系列泥浆的应用。在兰渝线葫麻岭及木寨岭隧道工点钻探中，地层主要为砾岩、砂岩夹板岩、压碎岩、碳质板等受断层构造影响，岩石破碎、裂隙发育，部分地层漏失严重，施工中常发生坍塌、掉块、漏失现象，属典型的硬、脆、碎、漏力学不稳定复杂地层。伴随金刚石和复合片(PDC)单动及单动双管取心钻进工艺的推广应用，为防止取心管壁结垢，主要采用 PHP 及其复配型 PHP+PVA、PHP+KHm 等无固相冲洗液进行护壁。现场用 PHP:分子量 800 万1200 万，水解度 30%：PVA:醇解度 97%，溶解时要加温
6、到 8090并不停搅拌，主要性能指标见表 1。多年生产实践证明，普遍采用 PHP 系列无固相冲洗液后，在一般破碎地层钻进，基本能够解决孔壁稳定、润滑和防止金刚石和复合片(PDC)单管及单动双管取心管壁结垢问题，取得了较好的使用效果：有效提高了钻进效率和钻探工程质量，平均班效率由原来采用普通泥浆时的 6m 提高到 10 孔内事故明显减少，孔内事故及停待率由原来的 31.25%下降为20.49%；优质孔率由原来的 70%。80%提高到 90%以上。这也是目前国内岩心钻探中仍大量使用 PHP 系列泥浆的重要原因。但是对严重破碎、漏失地层，这一问题一直没有得到很好的解决。随着深部钻探的开展，钻孔越来越
7、深，完孔周期越来越长，这一问题愈加突出。五、LBM 泥浆护壁技术1低黏增效粉 LBM。新型低黏增效粉 LBM 是由膨润土经过化学改造升级而成的高级造浆材料，具有低黏度和低滤矢量的特点，现场配制简单，维护方便，是一种集造浆与泥浆处理剂功能于一体的多功能式复合材料。2.LBM 泥浆特性与护壁机理。LBM 中含有大量-CONH:、-COONa、-CN 等基团，配制的泥浆具有低密度、低黏度、低切力、低失水和高分散性等“四低一高”特性，并且可通过改变其加量任意调节其性能，室内试验及机理分析证明，LBM 泥浆具有以下特点：(1)LBM 泥浆具有良好的流变性能。用 3%LBM 配制的泥浆，其黏度、动塑比都很
8、小。这一特性有利于降低环空压降，避免因泥浆黏稠导致过高的环空压力波动，防止憋泵和压垮不稳定地层，有利表 2 LBM 泥浆性能于保护孔壁。此外，良好的流变性能，能够使泥浆保持紊流状态，从而有效地防止和消除金刚石和复合片(PDC)单管及单动双管取心管壁结垢现象，对金刚石和复合片(PDC)单管及单动双管取心钻进是非常有利的。(2)具有较低的滤失量。泥浆滤失量大，不但会引起水敏性地层的膨胀与分散，造成缩径、坍塌等孔内事故，而且不利于松散、破碎地层的稳定。这是由于泥浆滤液侵入到地层较深，除引起地层中矿物成分产生水化作用以外，还对地层浸泡，使岩石的机械强度大大降低，在地层压力、波动压力等因素影响下极易造成
9、孔壁坍塌。LBM 泥浆的滤失量比 PHP无固相冲洗液低得多，可有效阻止泥浆中自由水或滤液进入地层隙、微裂隙、节理之中，从而防止孔壁坍塌，其护壁性能更好。(3)具有较强的造壁性能。造壁性一般指泥皮的厚度、强度和对地层的黏结特性。LBM泥浆中含有聚合物成分，聚合物较低的分子量以及 LBM 特殊的加工工艺，使得聚合物能够以极细的状态均匀的分散于泥浆中，形成高质量的泥皮。室内试验证明：LBM 泥浆泥皮薄，一般厚度0.3mm；韧性好，反复折叠，不破裂；对滤纸的附着力强，不易被水冲刷掉。这一特性有利于保护破碎、松散地层的稳定。(4)具有较强的抑制性。泥浆的抑制性强，对保护水敏性地层非常有利。泥浆的抑制性可
10、通过膨胀试验和坍塌试验来说明。采用 HP-01 页岩膨胀仪、标准钠土岩心，通过对蒸馏水、3%LBM 和 0.09%PHP(分子量 12000 万)6 h 膨胀量的测定，计算出各自的相对膨胀降低率。(5)LBM 泥浆泥皮质量好，黏附系数低。试验得知 3%普通膨润土泥浆的黏附系数为0.45，而相同加量的 LBM 泥浆的黏附系数仅为 0.1。这主要是由于 LBM 泥浆泥饼具有优良的质量。观察试验后的泥饼可以发现，该泥浆泥饼厚度薄，表面光滑细腻，韧性强，因而其黏附系数低。这一特性对深孔钻进非常有利。 六、结束语1复杂地层深孔钻进，泥浆性能至关重要，低密度、低黏度、低切力、低失水和高分散性泥浆能有效保护孔壁的稳定性，并且对提高钻进效率、防止钻杆内壁结垢都非常有利。2与 PHP 系列泥浆相比，LBM 泥浆具有较小的滤失量和良好的造壁性能，不仅能有效解决水敏性地层由于水化作用而引起的膨胀缩径及分散造浆问题，而且对裂隙发育不稳定地层具有良好的稳定孔壁作用。3.LBM 泥浆黏附系数小，具有较强的减摩降阻效果，对钻具具有良好的保护作用，明显提高钻具的使用寿命并降低能耗，有利于进行深孔钻进。4.LBM 泥浆具有较低的密度和较小的切力，有利于提高钻进速度。
