昆明工程勘察公司 云南昆明 650034
摘要：在长期的工程地质钻探过程中，考虑到地质条件和相关环境较为复杂，很多情况下，由于选用的钻探技术不当，导致钻探困难和取芯质量不满足要求。考虑到复杂地质条件下的钻探技术本身，必须着重加强地质因素分析能力，针对常见的问题提出必要的解决措施，以指导后续的工程地质钻探工作顺利进行。
关键词：工程地质；钻探技术；复杂地层；综合治理
1 加强对地质环境因素对钻探工艺选取的影响关注
复杂地层钻探施工之所以困难，主要原因在于对前期的复杂地层形成因素把握不准确，很多时候仅将注意力放在钻探工艺本身，忽略了地层因素的影响。对于地质钻探工程而言，地层因素属于本质原因，而钻探工艺技术是表面原因，本质原因决定了其钻探的复杂程度。只有在具体钻探前，对地层基本构造、岩石特性及岩石矿物组成成分进行详细分析，才能确定最终的钻探工艺，并配置符合实际情况的加强泥浆，保证钻探工程的顺利进行，降低内部事故出现的概率。
此外，对于出现孔道内壁失稳的问题和故障，在采取必要措施前，必须先对失稳事故出现的原因进行仔细分析后，方可选用对应的处治措施，尤其要处理好防垮塌方法及加固泥浆的选取。对于结构不稳定的岩层而言，考虑到岩层破损及松散的影响和干扰，加剧了地层侧向的压力，若要有效阻止岩层垮塌，确保正常钻进，必须控制号加固泥浆比例，通过适当增加泥浆的比重可以达到平衡岩层侧向压应力的目的。对于遇水较为敏感的地层而言，其主要体现在地层表面水化及渗透问题。在熟悉了地层水化的基本理论后，在该类型的地层钻探过程中，必须考虑泥浆的配比，尤其要考虑泥浆的失水性、矿化度及粘度等特性。当前，防垮塌泥浆的具体配比及类型种类繁多，在具体的生产阶段，如遇到垮塌和卡钻问题，必须先判断和分析具体的诱因，做到具体事故具体处治，提升孔内故障的解决效率。
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2 关于水化程度显著、伴有明显缩径地层的钻探技术分析
在具体的岩层勘探过程中，经常遭遇钻探遇阻、泥浆质砂岩、灰岩及侵蚀性岩层分布广泛的情况，此外，在断层分布明显的地层上，经常密布有塑性黏土矿物水敏感地层。上述地层在水环境的综合影响下，会出现膨胀开裂、分离及剥离等变化情况，最终削减岩层承载能力，导致大面积垮塌情况出现，最终酿成严重的孔道内壁不稳定事故。除此以外，孔道内壁的缩径问题也不容忽视，由于孔道内壁出现缩径，导致钻探杆与孔道内部的接触面积增加，由于接触面积增加，进而引起摩擦加剧，由于摩擦加剧，钻探杆的磨损程度较正常情况下明显严重，严重影响了钻探杆的正常钻进速度。在某项目中的隧道内部钻探施工过程中，由于钻头遭遇地质褶皱和断裂带，导致内部构造发育显著，由于钻孔岩石大面积破碎，引起断层带上的可塑性断层泥和蚀变带普遍绿泥石化，地层吸水膨胀、缩径、坍塌、掉块极为严重。选用CPAN-KHm低固相钻井液和相应的工艺措施，可有效地解决复杂地层钻进向题。对各种常用处理剂进行了优选和配方试验，基浆为高阳土3%～4%加纯碱6%（占粘土重量），分别加入聚丙烯睛钙（CPAN）0.15%，CMC0.1%，磺化沥青（SAS），腐植酸钾（KHm）等处理剂。在这种缩径、坍塌地层使用了不分散防塌钻井液后，效果明显，孔壁稳定，孔内事故明显减少，孔径变化小，减轻了钻杆的摩擦。
3 关于钻探井液钻探杆振动及磨损疲劳问题分析
在具体的工程勘探实践中，尤其在遭遇地层中富集卵砾岩石问题，考虑到地层中的卵砾岩石同胶凝物体的软硬程度分布不均匀，在钻探杆钻探过程中往往会因遇到硬度较大的卵石而出现钻头破损及钻头扰动问题，由于长期的碰撞和磨损导致钻头部位出现较为严重的疲劳破坏。考虑到卵砾岩石在地层钻探过程中被破损后的颗粒直径依旧较大，如果不能及时清理钻头，将导致钻头阻塞，钻具设备无法直接进入孔底，最终导致设备卡钻及钻头磨损过快的问题和故障。因此，为了更好地解决该问题，必须使用质量达标的钻井液，从而发挥其降低振动和悬浮颗粒物的作用，通过钻井液的冲洗，保证破损和残存的颗粒能够随着钻井液一同流走，从而更好地解决卡钻问题。此外，在在卵砾石密布的地层，考虑到卵砾石和胶凝物体的软硬程度分布不均匀，导致钻杆振动频率过高，最终引起钻杆疲劳破坏，导致钻杆的取芯质量偏低。为了解决钻探杆振动问题，必须保证选用的钻探液具备较强的吸附和降低摩阻力的能力。
除此以外，在钻探实践中，若选用金刚石钻探，如遇到钻探杆钻速超过一定限度后，随着钻杆转速的提升，则内部的振动作用力作用到孔内的冲洗液上的反馈值则越大，二者呈现明显的正相关关系，钻井液在受到外荷载作用下，将产生一定的抵抗力，作用力越大则相应的摩阻力也就越高，由于钻探液的阻抗作用，导致钻探杆的振动变形显著缩小，钻探液体的抵抗作用得到发挥。同时，也为钻探钻杆在卵砾岩石密集的区域顺利钻进奠定了基本条件，进一步改进了钻探杆在该环境下的工作性能和效率，提升了钻探杆寿命。考虑到钻探速度的不断增加，在钻探液总行程不变的条件下，钻探液在钻杆核心位置停留及清洗的时间将大幅度缩短，降低了钻探液对钻芯部位的清洗质量，但需要注意的是，清洗时间的缩短利于提升岩芯取样的速率。
4 关于钻井液体在井下悬浮及携岩的其他问题分析
在具体的地质钻探过程中，所配制的钻井液体粘度较高，但在具体的钻井过程中，经过长期的工程实践发现，钻井设备内部的钻井液体泵吸收能力较高，且在高压吸收状态下，泵内的压强较低，无需担心设备在高速吸收的过程中出现“爆缸”问题。之所以泵内压强能够始终维持在低位，主要原因在于钻探液体本身具备植物特性，植物胶凝材料的摩擦削减作用显著。对于地层中富集砂卵砾石的情况而言，为了保证钻井设备的正常钻探，必须选用强度更高的金刚钻头进行钻进，考虑到地质构成和卵石分布的基本特点及钻探井下钻探液的特点及钻探取样的基本目的，其钻井参数的选取同金刚石钻探存在较大的出入。
此外，在选用高粘度值的植物成分类的钻井液体时，为了提升钻井设备的转速，并未钻探头的高速转动营造条件，考虑到地层下卵砾类砂石的不平整性，选用高粘度钻井液恰能迎合这种工况。考虑到植物类钻井液体的粘度普遍较高，且属于弹性物体，其在钻井过程中能够发挥其减震功能，减震能力伴随转速的增加而呈正向增长，减震能力越来越高，在具体钻探过程中，只要严格遵循设备和材料的施工流程，一般情况下不会出现钻头卡崩的问题。通常情况下，钻探钻速的大小还应该参考钻井孔内的返浆效率及孔道内的孔壁稳定情况及钻井设备的负荷大小。在遇到孔内的返浆及孔道内壁加固的过程中，必须保证孔道内的清洁，宜选用高转速，若孔内漏浆不显著时，可以适当降低钻头转速。在常见的工程钻探过程中，由于钻探位置的不可预见性和复杂性，钻探卵石地层经常遭遇钻具不能下到孔底、无法进行原位测试等。由于在卵砾石地层钻进所破碎的颗粒比较大，需要钻井液具有良好的悬浮和携带岩屑的能力。如果钻井液不能很好的悬浮、携带破碎的岩屑，并且卵石一般都较硬，可能会造成钻杆的严重磨损。
参考文献
[1]张昊.复杂地质条件下铁路隧道勘探钻孔问题及其处理[J].现代隧道技术，2010（4）：34.
[2]王承花.工程地质钻探复杂地层综合治理[J].西部探矿工程，2011（11）：109.
论文作者:张正云
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
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