摘要：唐山乐亭鲁家坨矿区第四系、第三系覆盖层厚，基岩地层破碎，钻探施工过程中易出现坍塌、缩径和涌漏现象。2013年施工2708.92m m/2孔，采用钻头加大钻头直径、套管护壁、优质之化学泥浆护壁、高压注浆护壁器灌注水泥浆护壁等有机结合综合护壁治理措施，做到预防为主，护壁效果良好保证施工顺利进行，避免孔内事故的发生，超额完成施工任务，被评为优质孔。
关键词：复杂地层；套管护壁；泥浆护壁；水泥浆护壁；高压注浆护壁器；综合护壁治理
1 矿区概况及钻探难点
1.1矿区地层概况
矿区位于河北省唐山市乐亭县，属于铁矿普查项目，地处滦河改道前古河床上，施工场地地形条件较好，易于搬迁，但是覆盖层较深，700m以上为第四系地层，700m-900m为第三系地层，900m以深为基岩层。地下水丰富，地层易坍塌、掉块，不稳定。
1.2 钻探存在的难点
施工过程中主要遇到的钻探难题：
（1）风化覆盖层厚度大，岩性较松散、胶结不良。在这种复杂地层中钻进过程中碎块不能稳定受力，容易发生滚动，产生多个切削面，使得破岩效率降低，岩心采取率低，容易出现塌孔、掉块和卡钻等事故；再者因为破碎地层渗透性强，孔壁极易坍塌。
（2）泥包卵石地层糊钻，局部缩径现象；
（3）第三系地层漏水、掉块等情况；
（4）基岩破碎、缩径、涌漏水严重。
2 主要钻探设备、机具
（1）设备：HXY-6B型钻机（配75kW电动机），BW-320型泥浆泵（配30kW电动机），SG23型钻塔，SJ-1500型绞车，振动筛，拧管机，泥浆搅拌机。
（2）主要钻具：Ф150mm普通单管钻具、单动双管钻具Ф110mm、Ф91mm；S75mm绳索取心钻具；套管为Ф146mm、Ф108mm、Ф89mm；SФ71mm绳索取心钻杆、Ф150mm硬质合金钻头和跟管金刚石钻头、Ф114mm、Ф94mm及SФ77.8mm金刚石钻头。
3 工艺方法与钻孔结构
3.1 工艺方法
施工采取全孔正循环回转钻进方法。覆盖层主要采取可靠的普通单管钻具取心配合常规和特殊金刚石钻头，避免双管钻进易糊钻和堵塞问题。基岩钻进采用加大钻头直径、优质化学泥浆护壁及护孔堵漏相结合等措施进行金刚石绳索取心钻进。全孔强化泥浆性能调节和维护，结合不同孔段岩层特性，及时调配相适应的泥浆，控制泥浆质量，确保钻孔孔壁完整。提高操作水平，保证岩心采取率和预防孔内事故发生。施工过程中使用了加大直径的金刚石钻头钻进，增大钻杆和孔壁间的环状间隙，使泵压降低，减少地层压漏的概率，大幅度减少了钻孔的事故率，提高了成孔率。
3.2 孔身结构
采用四级口径施工，钻孔结构设计为：Ф150mm-Ф114mm-Ф94mm-Ф77.8mm四径成孔。下入三级套管护壁，即Ф150mm口径开孔，跟管钻进至一定深度后，分别采用Ф114mm和Ф94mm钻头钻进，对应下入Ф108mm和Ф89mm的两级套管护住上部覆盖层，进入基岩后，改用Ф77mm绳索取心钻进方法进行施工至终孔。
4 复杂地层护壁综合治理
4.1 护壁方法的选择
采取适宜的套管层次+优质泥浆护壁+高压注浆护壁器灌注水泥浆护壁堵漏+其它堵漏综合治理措施。采用恰当的综合护壁措施，保护孔壁完整，预防孔内事故的发生，保证了鲁家坨矿区施工复杂地层顺利进行。
4.2 套管的应用及注意事项
4.2.1 套管护壁
多级套管护孔以其成本低、见效快为优点。套管层次的设计具体依据地质提供的钻孔柱状图、地层分布情况及以往施工经验，结合当前先进的钻进工艺和优质泥浆护壁堵漏技术等选择确定。套管护壁具体实施方案如下：一级Ф146mm孔口管隔离、下入二级Ф108mm套管护孔、下入三级Ф89mm套管保护不稳定地层。于2013年 8月下旬开始施工ZK23-3号钻孔，终孔深度1408.59m，钻进总回次333次，下入三级套管，使用套管总长度1855.30m。2013年9月中旬开始施工ZK24-2号钻孔，终孔深度为1300.59m，钻进281回次，下入三级套管护壁，使用套管总长度1594.20m。有效预防了孔壁坍塌、缩径的发生，为下部顺利施工创造条件。
4.2 .2 多级套管护壁注意事项
（1）认真做好钻孔设计，明确各级套管下入目的与深度；
（2）周全考虑套管的起拔难度，制定套管事故的处理办法；
（3）仔细检查套管丝扣的完好性和拧紧程度，把丝扣较差的套管调整到上部；
（4）准确判断坐管条件，如岩面风化程度、沉渣厚度和残留岩心长度，要求套管坐稳坐实；
（5）下套管隔离破碎带时，如孔内有大量坍塌物不便清除，不应将套管作为钻具使用，强行开车扫孔到底，否则会发生卡埋套管事故，清理孔底的正确方法是：从未坐稳的套管内下钻具扫孔，当钻具进尺数米后，不论套管是否坐稳，都应提升钻具提动套管，使套管外坍塌物掉入钻孔内，确保套管到位。（参考文献2）
（6）切实做好套管上端管口的密封工作，采用麻布、棉丝及纤维素等缠绕密塞措施，防止钻渣岩屑沉积在套管与孔壁之间，增加拔管阻力。
4.3 优质化学泥浆护壁
泥浆是钻探的血液，是保证能否顺利施工的关键技术，选择好泥浆性能与地层特点相符。在复杂地层内钻进，正确选用不同配方泥浆并维持泥浆性能是保证正常施工的前提。根据鲁家坨矿区覆盖层较厚，多为砂层，泥岩、卵砾石层，易坍塌、漏水、糊钻等的特点，配制了几种不同性能的泥浆，并在施工中严格控制泥浆的失水量、粘度、密度和含砂量等。
在同一钻孔中，出现对泥浆要求相互矛盾的情况，我们首先采用套管隔离松散砂层和漏失层，然后采用较低比重、低失水量的稠泥浆护壁，砂卵砾石层胶结性差，采用跟管轻压慢转钻进通过上部较厚的覆盖层。绳索取心钻进采用流动性能和润滑性能好、排渣能力强而不在钻杆壁上结垢的聚合物不分散低固相泥浆，配制的化学浆液中添加了适当的磺化沥青、腐植酸钾、护壁剂和聚丙烯酰胺等泥浆处理剂。该泥浆体系稳定护壁能力强，合适的结构粘度，流变性能好，较强的流变性和携带岩粉的能力，较低的密度，减轻液柱压力造成的漏失减少，提高泥浆护壁效果。（参考文献3）
4.3.1泥浆中处理剂的护壁机理
（1）磺化沥青（DLSAS）的护壁防坍塌机理
磺化沥青是一种有效地降低失水，改善泥浆质量的防坍塌剂和润滑剂。磺化沥青加入泥浆后主要起到护壁防塌的作用，由于孔内压差，和孔壁固有的渗透性，泥浆失水后形成的粘土颗粒、吸附有沥青磺酸基团的粘土颗粒、磺化沥青颗粒等一起紧密的附着在孔壁上形成一层致密、薄而韧的泥饼，这种泥饼能隔离自由水与孔壁之间的联系，从而达到降失水的目的。（参考文献4）
（2）腐植酸钾（KHm）护壁机理
腐植酸钾（KHm）中的K+具有将泥质成分亲水基密封的作用，达到抑制其水化和坍塌的效果；其分子能吸附在粘土颗粒表面形成水化层，使粘土颗粒保持细分散状态，形成薄而致密的泥皮降低泥浆失水量；腐植酸钾分子的特殊结构，能阻止了粘土颗粒边角处的相互连接和网状结构的形成，降低泥浆静切力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
（3）水解聚丙烯酰胺（HPAM）具有选择性絮凝作用，对负电弱的粘土及岩屑等矿物絮凝，有降失水和增粘作用，具有一定的抗盐、钙能力，有利于防止水敏岩石的水化膨胀，起防坍塌稳定孔壁作用。
4.3.2 覆盖层泥浆基本配方及性能
针对本钻孔超厚覆盖层及大部分基岩缩径、破碎、涌漏结合的不稳定性，配制了适宜钻进覆盖层的泥浆，泥浆基本配方：白钠土（8%-10%）、磺化沥青（1‰-2‰）、高粘CMC（2‰-3‰）、腐植酸钾（0.5%-1%）。适宜砂层钻进泥浆性能参数：密度1.05-1.13 g/ cm3、粘度30-50s、失水量≯10 ml/30min、PH=9-12、含砂量＜1%；适宜卵砾层钻进泥浆性能参数：密度1.08-1.15 g/ cm3、粘度50-70s、失水量≯10 ml/30min、PH=9-12、含砂量＜1%；适宜第三系、泥岩钻进泥浆性能参数：密度1.02-1.10 g/ cm3、粘度25-30s、失水量≯15 ml/30min、PH=8-11、含砂量＜1%。
4.3.3 绳索取心钻进泥浆配方及性能
绳索取心钻进破碎地层因地下水丰富，地层坍塌、掉块、不稳定。采用防漏防塌低固相聚合物化学泥浆。该类型泥浆达到了较好的护壁效果,保证孔壁的完整性，能顺利穿过深部破碎层。绳索取心钻进破碎层泥浆基本配方：磺化沥青（0.5‰-1‰）、腐植酸钾（0.5‰-1‰）、护壁剂（0.5‰-1‰）、聚丙烯酰铵(2300万分子量) 0.5‰-2‰。
泥浆性能参数：密度1.02-1.05 g/ cm3、粘度25-30s、失水量≯15 ml/30min、PH=8-11。
4.3.4 第三系地层漏水、掉块
绳索取心完成后调整泥浆，破碎孔段提高泥浆粘度，加入部分惰性材料，在钻进较小裂隙地层时，在泥浆中加入2%-3%的801堵漏剂和3%-4%的细锯末，随泥浆循环堵漏。多用于钻孔深部和部分返水的中小裂隙堵漏，锯末较细，防止在钻具上部矛头处聚集造成打捞失败。要减少上钻抽吸和减少孔口回灌，防止惰性材料吸入孔内破坏堵漏效果。（参考文献5）
4.3.5基岩破碎，缩径、涌漏水严重
施工钻孔ZK23-3孔840-960m，钻遇较大裂隙，破碎，严重漏水。采用锯末+砂子+CMC直接灌注，堵漏效果明显。停钻时漏水改为涌水，用水高度自孔口高达6-7m，钻进时适当加大冲洗液粘度，提大钻后搅拌大粘度泥浆注满全孔，泥浆密度达1.14-1.16g/cm3,抑制涌水，重新钻进时，调整泥浆首先进行冲孔。（参考文献1）
4.3.6泥浆管理与维护
（1）现场循环槽、沉淀池要高出地面，严防污水、雨水流入泥浆中，破坏泥浆体系。浆液的维护管理。
（2）按“严格计量、分别溶解、依次加入，性能调整、充分搅拌”的要求，精确计量。分别溶解各种处理剂，并根据各处理剂的特性，按照分散、增稠、增粘的顺序依次加入充分搅拌。调整泥浆配方必须先做室内试验。（参考文献6）
（3）及时除砂。及时除掉循环槽中沉淀的岩粉和砂子；安装了离心除砂器；在浆液中加入聚丙烯酰胺水溶液加速岩屑沉降。
（4）有专人及时测量泥浆性能，为了保持泥浆性能稳定及时补充新的浆液。
（5）聚合物一般不能速溶，一定预先浸泡。
4.4 水泥护壁
水泥浆护壁也是我院常用的护壁措施之一，据历年数据资料显示，护孔成功率达87%以上。
钻孔ZK23-3钻进49回次，钻至孔深716.34m处，孔壁坍塌破碎严重，无法正常钻进施工，采取高压注浆护壁器固壁灌浆。采用普通快干水泥，水灰比0.50-0.60。
4.4.1 高压注浆护壁器结构
高压注浆护壁器结构尽量简化设计，主要由变径接头、连接管、喷嘴体等构成。高压注浆护壁器结构简单组装方便，易操作易维修。（参考文献7）
4.4.2 高压注浆护壁器灌注水泥浆护壁
于2013年9月27日，在施工钻孔ZK23-3，自713m钻至孔深716.34m处孔壁坍塌严重，采用高压注浆护壁器注浆护壁。当高压注浆器送入预定护壁孔段，即可开泵注入水泥浆，水泥浆通过高压注浆护壁器的喷嘴高速喷射而出，强力冲刷破碎带和蚀变带，使孔壁坍塌范围扩大，将水泥浆与孔底坍塌物充分搅拌混合后，形成强度较大水泥柱，缓慢旋转喷射注浆，旋转速度20-30r/s,同时以较缓慢的提升速度向上提升，注浆要一次完成，注浆完毕后，45h后取出水泥灰心3.50m，注浆效果较为理想达到护壁目的。
钻具穿过注浆层后，没有发生孔壁坍塌，该孔终孔深度为1408.33m。
5 钻进技术效果
通过采取恰当的护壁措施，做到预防为主多种护壁措施有机结合综合运用，未发生孔内事故，超额完成了施工任务。全孔岩心采取率覆盖层平均高达80%，岩层100%，矿层100%，完全满足设计任务书要求，被评为优质孔。把多种护壁措施进行有机结合综合利用，预防为主综合治理，防止孔内事故的发生，保证施工的正常进行，综合钻探效率较高，取得了显著的经济效益。
6 结论
小口径岩心钻探施工有很强的实践性，每到一个矿区，施工前要充分收集相关地质资料，了解地层特征，选用适当的施工工艺，采取针对性护壁措施，预防孔内事故的发生，提高施工效率降低施工成本，通过对鲁家坨矿区施工总结综合治理实践，获得如下心得体会：
（1）到达任何一个矿区施工，首先充分了解矿区地层特征，采取正确的施工处理措施，预防孔内事故发生为主；
（2）要合理设计钻孔结构，预留必要的技术套管口径。对于孔内复杂情况预防为主，套管封堵是简单有效的方式。任何时候都不能放弃套管护孔这一可靠的护壁技术手段，充分利用技术套管的隔离作用，将复杂地层隔离，为下部施工创造条件。（参考文献8）
（3）跟管钻进的施工工艺，保证了岩心采取率及下套管的深度；
（4）采取适用的综合治理措施是保证正常施工的重要条件，能够最大限度地降低施工成本，提高钻进效率；
（5）使用高压注浆护壁器灌注水泥进行堵漏操作简便，成本低，进度快，减少人工浪费；
参考文献：
[1] 任晓顺，太武，刘建福，王建兴等.河北省乐亭县滦河古河道深覆盖层钻探施工工艺[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（1）：22-26.
[2] 曾石文.嵩县多金属矿区复杂地层岩心钻探施工综合技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（11）：17.
[3] 肖丰伟，郑晓良，李超等.嵩县槐树坪大型金矿复杂地层泥浆及护壁堵漏技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（2）：31.
[4] 李勇，陈怡，王虎，吴晓兰.磺化沥青钻井液在贵州地热勘探井中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（1）：28.
[5] 习辉，王政敏，杨增智.陕西金龙山矿区复杂地层典型钻孔施工工艺[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（8）：30-31.
[6] 蒙鸿飞.荆山矿区深孔多孔段漏失破碎地层的综合治理[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（9）：15.
[7]郭峰，杨惠琴，刘淑春等.水利水电工程钻探工具图册[M]，1991-04，（385）
[8] 秦如雷，段隆臣.地质钻探中孔内复杂情况的应对措施[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（10）：7.
论文作者:叶兰肃
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/25
标签：泥浆论文; 套管论文; 地层论文; 钻孔论文; 矿区论文; 水泥浆论文; 注浆论文; 《基层建设》2017年第10期论文;