绳索取芯钻进中钻井液与套管护壁技术在破碎地层中的研究应用

2012-11-29顾立刚

铁道勘察 2012年6期

顾立刚

(铁道第三勘察设计集团有限公司，天津 300142)

大理至瑞丽铁路全长350 km，由云南省大理白族自治州大理市漾濞县、永平县，保山市隆阳区、龙陵县，德宏傣族景颇族自治州潞西市到达瑞丽市。是我国《中长期铁路网规划》中完善路网布局和西部开发性新线项目，也是我国西南进出境通道(泛亚铁路)之一的中缅国际铁路通道的重要组成部分。该项目投资147亿元，按国铁Ⅰ级单线、电气化铁路标准修建，设计目标速度140 km/h，其中隧道总长占线路全长的66.8%。

福星隧道进口为大瑞铁路的起点大理站，出口为西洱河特大桥，隧道全长5 100m，设计洞高9m，洞宽5.5m。

大瑞铁路的建成将对云南省经济社会发展，开发滇西矿产及旅游资源，打通我国通往印度洋周边国家的陆地大通道，加快连接中国、东南亚、南亚三大市场的独特区位优势，改变云南处于全国综合交通运输体系末梢的状况，奠定云南成为我国面向东南亚、南亚对外开放的枢纽地位，提升云南在全国的经济地位具有重大战略意义。

1 大瑞线福星隧道地层概况

1.1 地质及地层条件

福星隧道地处横断山脉西段点苍山以西(大理州下关市西南边)，山脉多呈北西走向，地势呈西高东低。将军庙以西是区内最高点，海拔高程为2 780.0m，测区西南边的西洱河是区内最低点，海拔高程为1 960.0m，相对高差约800m。地形西南高东北低，属高原构造剥蚀中低山地貌。

区内地层:上部为侏罗系上统坝注路组砂岩夹泥岩，下部是下元古界沟头箐岩群黄龙潭岩组片岩、变质砂岩。沟谷发育，切割较深。主要河流有西洱河，沟谷有向阳箐、金星河等，西洱河呈南西向穿越测区。区内斜坡地表大部分植被发育，仅在村镇附近有部分旱地。

在测区中部海拔1 960～2 030m高程附近，有大保高速及楚大高速通过，大理—漾濞老320国道由东而西横穿测区，交通方便。主要岩石物理性质如表1所示。

1.2 地层稳定性及影响钻进因素

(1)第四系及不稳定地层

由此可见，由式(13)可对权值进行调整和计算。采用NeuroSolutions 7.1.0.0软件建立BP人工神经网络的天然气中重组分不利影响预测模型。

上部基岩为砂岩夹泥岩，紫红、灰绿、褐黄色等，细—粗粒结构，薄—中厚层状，节理发育。强风化层厚30～70m，岩石破碎，钻进过程中，常导致孔壁坍塌、掉块、缩径，取芯困难。

表1 主要岩石物理机械性质

下部基岩主要为片岩及变质砂岩，深灰色、灰绿色夹紫红色，片岩片理很发育，片状、砂状，性脆，受构造影响，岩体完整性及稳定性差(受外力作用后，岩芯呈片状、砂状)，取芯困难。变质砂岩受构造影响，岩芯呈块状、短柱状。

黄龙潭岩组地层钻进过程中，常导致孔壁坍塌、掉块、超径、埋钻、断钻事故。

(2)断层破碎带

测段属漾江中生代褶断区之洱海深(大)断裂西侧，受区域构造影响，区内次级断层及褶皱构造较发育，次级断层有深长村断层、天生桥断层和西洱河断层。断层破碎带较宽，岩性主要为构造角砾岩，胶结较差，岩芯破碎，常发生卡钻、埋钻事故。

2 钻进方法和钻孔结构

根据福星隧道地层特点，第四系和强风砂泥岩地层必须采用与该地层相适应的泥浆护壁，保证成孔顺利为前提，采用φ150 mm合金钻过第四系进入强风化地层，下入井管。改用φ150 mmPDC复合片钻头钻进穿过强风化地层后下入技术套管φ146 mm护壁，改用PQ(122 mm)金刚石绳索取芯钻进至相对完整岩层或穿透断层破碎带后，下入PQ钻杆留作护壁管，改用HQ(96 mm)金刚石绳索取芯钻进至终孔，留NQ(76 mm)口径作为储备，钻孔结构及井管程序如图1。

3 不同孔段钻井液的配置与使用

根据地层情况和钻进工艺，所配置的钻井液应具有携带和悬浮岩屑、润滑钻具、稳定孔壁、平衡地层压力等功能，防止孔壁垮塌、掉块、缩径现象发生。

3.1 砂泥岩地层浆液配方

可选用较为廉价的无固相冲洗液或不分散低固相泥浆，钻井液中加少量KCI。KCI的作用主要是抑制砂泥岩的水化膨胀，防止孔壁缩径。

图1 钻孔结构

性能要求:密度1～1.02 g/cm3;漏斗黏度17～18 s;表观黏度2～4 MPa·s;流性指数n值0.8～1.0;失水量保持0.69 MPa压差。对于泥浆≤15 mL/30 min，对于无固相聚合物冲洗液，可以是全失水，但岩样浸泡时间应比泥浆长;pH值8.5～9。

1号低固相配方:

黏土(20～25 kg)+碳酸钠(0.3～0.6 kg)+Na－CMC(2～3 kg)+KP共聚物(4 kg)+水解聚丙烯酰胺PHP(适量)

2号无固相配方如表2所示。

表2 2号无固相配方

3.2 片岩、变质砂岩地层无固相钻井液配方

DWY－Ⅱ型无固相冲洗液:聚乙烯醇 PVA为0.5%～1.0%;PHP为0.05%～0.15%;交联剂－A为0.02%～0.03%;交联剂－B为0.08%～0.15%。高转速钻进时可加入乳化油作润滑剂。

3.3 下井管前固井液配置

钠土(20～25 kg)+广谱护壁剂GSP(4～6 kg)+植物胶SD－2(3～5 kg)+Na－CMC(3 kg)+KP共聚物(4 kg)。

固井液性能:

密度为1.1～1.18 kg/L;失水量6～8 mL/30 min;黏度:30～33 s;pH值8～9。

3.4 钻井液配置应注意事项

(1)钻井液处理剂必须采用分别溶解，分别水化，搅拌均匀，按照先无机物后有机物，先小分子量后大分子量的顺序依次加入。

(2)黏土的水化:在容器中先加入清水，在搅拌过程中逐步加入钠土搅匀，摆放浸泡5 h待用。

(3)植物胶的溶解:容器中先加入清水，再加入一定量的NaOH控制水中的高价离子，促进植物胶溶解。加入植物胶后搅拌均匀，摆放5 h再加入泥浆中。

(4)交联剂A、B分别使用容器溶解备用。

(5)水解聚丙烯酰胺:将 HPH粉末按水解度30%、浓度0.8%配置成液体。使用时从井口回浆处缓慢滴加，总量控制在0.2～0.5 kg/m3，过多会导致钻井液水解分离。

水解聚丙烯酰胺作用是对钻井液进行选择性絮凝，使钻屑和劣质土絮凝沉淀、排除，从而维护钻井液的性能。

(6)聚乙烯醇:容器中先加入清水，再加入聚乙烯醇后搅拌搅匀，待其溶解。

3.5 钻井液的维护

根据调整的目的和要求，确定调整方案。如泥浆因固相含量高而引起黏度、切力增高，可选取加入低固相泥浆或加水和降失水剂的调整方案。

按调整方案进行调整试验。取一定量(常取1 L)的冲洗液，加剂处理和测试性能，直到性能达到要求时，得出处理1 L原浆需要各处理剂的加量，再计算需调整性能的冲洗液量和所需处理剂量。

4 井管护壁

钻进过程中一般使用上述浆液配方均能得到较好的效果，但遇断层破碎带时，因裂隙发育，钻井液漏失严重，堵漏难度较大，漏失以后给上部采用泥浆护壁孔段的稳定性影响很大，所以钻进至断层破碎带地层后，下入井管护壁隔离是最好的办法。

井管下入后，该段相对密封，孔壁得不到钻井液补充，施工一段时间后，原存入井管与孔壁中的钻井液会变化和遗失，成为空隙，失去压力平衡。钻进时钻杆柱对井管的震动和敲击会同时震动孔壁，造成井壁垮塌，夹包井管，终孔后套管起拔困难。

井管护壁可靠，效果好，但起拔井管难度较大，常常造成大量套管遗留孔内，成本较高。解决办法有:

①对下入井管相对密封段用原配方的浆液通过图1中的2补浆管进行回补，保持该孔段压力平衡。

②采用提动循环法，调整钻井液性能，保持浆液畅通，形成胶液体。用主动钻杆对上井管8，使管靴U型圈10上升0.4m，开动泥浆泵循环浆液，每72 h循环一次，每次15～20 min。

5 低固相泥浆与井壁应用效果

该隧道共施工钻孔4孔，2孔采用清水钻进，2孔应用低固相泥浆与井管护壁工艺方法。在解决破碎地层及断层破碎带钻进过程中，低固相泥浆与井管护壁工艺方法与使用清水钻进套管护壁相比，具有台效高、事故率低、井管损耗小、成本低、经济效益高等特点。特别是DWY－Ⅱ型无固相冲洗液具有很强的胶结岩石性能，解决了绳索取芯钻进曾无法通过的坍、掉、漏地层的钻进护壁与取芯问题。在坍、漏层交替出现的钻孔中，用该冲洗液钻过坍塌层后，下入套管护壁再钻进，能顺利钻完钻孔，岩芯采取率由不足50%提高到95%以上。

福星隧道各孔经济、技术指标见表3。