复杂地层岩心钻探勘察技术研究

肖雄飞

摘要：矿区地层复杂，经常钻遇漏失、掉块地层以及石墨、沉凝灰岩地层。为解决钻进难的问题，从钻进方法、钻具组合、钻进参数、钻井液的配制与维护等多个方面，在钻孔的钻进过程中，对复杂地层进行了有效处理，维护了井壁的稳定性，最终保障了钻探施工的顺利完成。基于此，结合生产实际，系统总结了钻遇复杂地层时钻进工艺的选择和钻井液的调节与测试，通过采取岩样分析对地层特征进行判断，有效提高了工作效率。

关键词：复杂地层；勘察技术；岩心钻探；技术研究

引言

矿区地质条件复杂，钻探施工中出现孔壁垮塌、缩径、卡钻、埋钻和岩心采取率低等施工难题，分析了复杂地层对钻探施工的影响，在施工工艺技术上进行了有效的探索和改进，克服了矿区复杂地层施工技术难题，确保了施工效率和质量。

1复杂地质条件下岩土钻探勘察目标和原则

1.1勘察目标

在复杂地质条件下，勘察难度大和工作量大，需结合钻探勘察等级，查明钻探所在区域的钻探地质和水文地质条件，准确评价岩土体特性、场地类别等，给出特殊岩土和不良地质的治理建议，并形成详细的勘察报告。

1.2勘察技术选择原则

结合相关研究成果，在地质复杂地区，如果只使用某一个勘察技术，难以反应实际地质分布情况，无法为钻探设计提供依据，可能导致钻探在施工期间存在较大的设计变更，不利于施工质量、安全、进度等方面的控制。因此，地质复杂地区应同时使用钻探、物探、原位测试、室内试验等技术，建立综合勘察体系，以改善岩土钻探勘察水平。

2钻探施工设计与设备优选

2.1钻孔结构设计

钻孔结构设计遵循以下几个原则：为缩短钻进周期、保证钻进安全，应尽可能减少漏失、坍塌掉块等事故；简化钻孔结构，采用泥浆护孔，减少下套管和换径；终孔孔径符合最低地质设计，以获得较高的钻速；设计时，需要考虑设备、工艺技术水平、人员素质等。矿区各孔位设计孔深不超过500m，根据矿区地质特点、前期施工经验、设计孔深，钻孔采用二级成孔结构。

2.2钻探设备优选

便携式全液压钻机拆卸后最重模块可人工搬运，这是该矿区钻探施工首选便携式钻机的主要原因。此外，全液压动力头钻机还具有三个特点：一是钻机工作时的所有动作均由液压系统中的液压元件完成；二是无极调速可对钻压进行精确控制，可根据不同的地层条件和钻具组合，优选钻进参数；三是顶驱式动力头，行程导轨1.83m，增加了纯钻进时间，减少了孔内事故，提高了岩心采取率。

2.3钻进参数

矿区地层复杂，破碎严重，确定金刚石钻进时的钻速后，应主要考虑岩石的类型、钻头类型、钻头直径；次要考虑金刚石粒度、冲洗液类型、钻孔结构、孔深、设备状况，但都不能超过金刚石钻头的最大转速。在实际生产钻进时，因地层破碎且有漏失、石墨层较软、灰岩层段泥沙多，不宜开高转速，转速应控制在203~590rpm之间，以保证冷却钻头和排粉。

金刚石钻头唇面排粉漫流间隙小，极易形成岩屑重复破碎、岩粉堵塞，使孔底排粉、冷却困难；金刚石热稳定性差，高温将导致金刚石石墨化，由于高转速1~2min即可烧钻，泵量的大小必须满足携带岩粉和冷却钻头两个要求。当岩层软、转速高，岩粉颗粒较粗时，都应适当增加泵量。φ95mm金刚石绳索取心钻进时，地层多为角闪片岩与石墨，采用35~50L/min；φ77mm金刚石绳索取心钻进时，沉凝灰岩遇水膨胀，岩粉多，采用40~60L/min。

2.4钻头优选

优选金刚石钻头的原则为：在软至中硬和完整的均质岩层，选用天然表镶钻头、复合片钻头；对于坚硬致密的岩层，选用细粒表镶金刚石钻头；在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，选用尖齿型广谱钻头或耐磨性好的电镀孕镶钻头；在复杂地层，研磨性越强、越硬，选用金刚石晶级越好，粒度相对细的钻头；在强研磨性、破碎的地层，选用金刚石浓度高的钻头。

3复杂地层钻探技术

3.1跟管钻进技术

3.1.1跟管钻进技术原理

针对栖霞茅口组（P1q+m）成孔难度大的技术难题，采用绳索取心跟管钻进技术实现快速成孔的目的。跟管钻进的原理：采用绳索取心与跟管结合相结合的工艺，实现岩心的采取；跟管钻头安装在套管底部实现扩孔；可采用多层套管进行跟管钻进，有效解决跟管钻头寿命短的问题。其钻进原理的实质是钻进、扩孔的一个循环过程，且在扩孔过程中不取出孔内套管，达到稳定孔壁的效果。

3.1.2跟管钻进技术的施工流程

施工过程中选择φ110mm跟管钻具（φ108mm套管、φ110mm金刚石跟管钻头），配合HQ绳索取心钻具使用，施工流程如下：采用φ150mm单管钻具开孔下入φ146mm孔口管；采用PQ绳索取心钻进施工结束后，下入110mm跟管钻具；采用HQ绳索取心钻具正常钻进，遇孔内垮塌、掉块时，取出孔内的HQ绳索取心钻具，换用主动钻杆连接φ108mm套管扩孔至HQ钻具的施工孔深，继续采用HQ绳索钻进取心，并重复该过程，直到钻穿垮塌地层。

3.2高密度低失水泥浆

3.2.1泥浆性能特点

针对梁山组和马平组煤系泥页岩遇水导致的孔壁稳定性技术难题，通过增大泥浆比重来实现压力平衡钻进，同时降低泥页岩的水化程度。这就要求泥浆必须有较高的密度来平衡地层压力，较低的失水量来减少泥页岩的水化膨胀，较强的抑制性能抑制泥岩的水化分散，维护孔壁的稳定性。经过一系列的实验，探索出了适用于矿区施工的高密度低失水泥浆体系。

3.2.2配方及性能参数

高密度低失水泥浆配方：0.25%膨润土、0.4%纯碱、0.4%泥浆稳定剂、0.5%页岩抑制剂、0.5%纤维素、0.4%润滑剂、0.02%聚丙烯酰胺。泥浆性能参数：pH值9、密度1.08～1.15g/cm3、漏斗粘度28～35s、失水量＜8mL。

3.2.3泥浆的使用效果

在钻探施工过程中，根据地层实际情况通过调整页泥浆稳定剂和抑制剂的掺量，来达到调整泥浆比重和失水量的目的。同时，为更好控制泥浆的性能，现场使用了除砂器等固控设备。该泥浆体系在矿区使用后，垮孔、卡钻、缩径和孔内事故大幅度减少。

3.3金刚石底喷钻头钻进

大水井铅锌矿区栖霞茅口组（P1q+m）由于地层松散，胶结较差，导致岩心采取率低。如DZK1091-182-1孔部分回次岩心采取率未达到要求，改用金刚石底喷钻头钻进，通过改变泥浆的流动方向，显著降低泥浆对岩心的冲刷破坏，同时对卡簧座进行改进，在其内径中焊接钢丝等措施来提高岩心采取率，最终岩心采取率达到了设计要求。

3.4绳索取心液动锤钻进技术

3.4.1基本原理

绳索取心液动锤是绳索取心工艺和液动锤钻进技术的结合，是在回转钻探的基础上通过泥浆泵泵送泥浆驱动液动锤对破碎岩石产生冲击能量，钻进时钻头上带有冲击荷载的回转钻探。绳索取心液动锤钻进技术适用于破碎地层的施工，可以增加回次进尺，提高钻进效率。

结语

文章研究了复杂地质条件下，岩土工程勘察目标、勘察原则及钻探、物探、原位测试、室内试验等勘察技术的具体应用，研究成果表明：在复杂地质条件下，岩士工程勘察难度大、工作量大，应同时使用钻探、物探、原位测试、室内试验等手段，建立综合勘察体系，其中钻探技术的应用最广，取样获得的岩土体参数可用于工程计算；探地雷达技术勘察的关键是合理确定勘察参数，并处理好地层信号；静力触探和标贯试验可用于确定地基土承载力、判别液化等。

参考文献

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