红层钻探施工中护壁堵漏泥浆的选取

赵留华，张成楠，张 准

（1.云南省有色地质局楚雄勘查院，云南楚雄675000；2.云南国土资源学院，云南昆明650000；3.云南省有色地质局勘测设计院，云南昆明650000）

1 概述

红层以白垩系和侏罗系陆相碎屑沉积岩及少量古近系地层为主。红层因以泥岩、粉砂岩和砂岩的可钻性一般为4～7级，钻探相对较容易；长久以来因泥质岩类系隔水层，不易引起广大钻探工作者的高度注视；20世纪60～70年代，先辈们在找矿过程中因施工器具限制而采用的钻探方法极为简单，导致钻探质量较差；再经20世纪90年代地质工作的萧条，钻探工作者的断代，使后来的钻探工作者经验不足，照搬过去矿区钻探经验，多采用清水钻进，造成频繁出现孔内事故导致经济损失。以云南某新建铁路隧道深孔施工为例，地层结构为上覆第四系全新统坡残积层粉质粘土、细角砾土或粗角砾土；下伏基岩为侏罗系上统坝注路组泥岩夹粉砂岩及钙质砾岩、砂岩，中统花开左组泥岩夹泥灰岩、粉砂岩、石英砂岩，下统漾江组泥岩夹砂岩、粉砂岩，三叠系上统麦初箐组砂岩、泥质粉砂岩夹灰岩、炭质泥岩及褐煤线等。隧道5号孔（孔深730m）在钻孔上部地层采用清水钻进，到280m时遇到孔内坍塌、掉块、漏失，开始使用泥浆进行堵漏，结果多数堵漏不成功，造成钻孔质量差、效率低、钻进成本高，个别甚至导致钻孔报废，在泥岩与砂岩分界线上，接连出了3次事故，施工时间前后花了近一年时间；2号孔（160m）因雨季道路不通，泥浆材料不到位，钻进到90m时采用了清水钻进，导致该孔施工时间花了3个月。

2 红层形成复杂地层的机制

红层主要由泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、长石砂岩、石英砂岩等碎屑沉积岩组成，矿物成分主要由高岭石、水云母、蒙脱石等粘土矿物和长石、石英、云母等碎屑矿物组成、含少量绿泥石、绿帘石等后生矿物及铁锰质和有机质。上述岩层具备工程性质较差的特征，其中粘土矿物具有极强的亲水性，易形成层间软弱带、层间挤压带，以至于断层；粘土矿物含量高，岩体软，亲水性强，抗风化能力越弱，反之则强。

主导地位的泥岩岩性软弱，固结性差，逆变性强，呈厚层状，碎片、碎石状，强度低、软化系数低，遇水软化，在内外动力地质作用影响下形成较厚的软弱泥化夹层，稳定性极差。强风化泥岩结构松散，整体性差，裂隙发育，抗剪强度低。岩性组成虽以泥岩为主但间夹砂岩，岩层在受构造影响后，因砂岩性脆，泥岩性柔，导致砂岩破碎，形成透水层。砂岩、泥岩间的层面形成层间软弱结构面或层间挤压带；砂岩裂隙发育形成的破碎带。

红层钻进过程中，如若采用浆液技术不当，常常会引起井壁坍塌垮孔、埋钻、严重漏失、涌水等各种事故，而停钻处理。因此红层施工钻探往往钻孔质量差、效率低、钻进成本高，有时候甚至导致钻孔报废。

3 浆液的功用

浆液在钻孔中的冲洗液介质又称钻探的“血液”一旦钻孔中冲洗液介质停止循环或选择不当时就会发生烧钻，钻进时被破碎的岩粉不能及时排出孔外，甚至不能进尺，同时还会发生孔壁坍塌夹埋钻具等一系列孔内事故，因此正确选择和合理使用冲洗液介质是提高钻探效率和降低钻探成本的必要手段。钻孔冲洗液介质的主要功用有冷却钻头、清洗孔底、保护孔壁、润滑钻具等功能。

4 浆液的选取

优质膨润土的选取：一般钠质膨润土的造浆性能比钙质膨润土要好，但我国的膨润土一般以钙质膨润土为主，我公司采购的膨润土为湖南省常德醴县膨润土厂。生产的一级钠基膨润土，具有良好的造浆率其造浆率不小于16m3/t。滤失量不大于15mL/30min。钠土所含水分湿度不大于10%。湿筛分析200目筛余不大于4%，钠土是基础配浆材料之一，适用于淡水和矿化度小于20g/L的咸水钻井液也可作为降滤失剂、增粘剂和堵漏剂。

聚丙烯酰胺PHP的选取：聚丙烯酰胺根据分子量的不同分为：PHP2000万分子量；PHP1600万分子量；PHP1200万分子量；通过单位泥浆工程师室内试验选择的聚丙烯酰胺为江西省萍乡市江燕矿山设备材料有限公司生产的聚丙烯酰胺PHP1600万分子量的比较适用。

植物胶选取：江西省萍乡市江燕矿山设备材料有限公司生产的牌植物胶XC，其中包括XM型、XT-1型植物胶进行试验，我单位采用的是XC型植物胶。钠土与植物胶8:3的比例混合均匀后，加入片碱配成的水溶液搅拌20分钟即可。

5 外加剂选取

适量的纯碱可改善泥浆的性能，但加入过量的纯碱会产生压缩双电层的聚结作用，而影响泥浆性能。

烧碱（NaOH）加入后，可促进植物胶中的蛋白质分解为氨基酸，氨基酸中氨基为强吸附基，可增强对孔壁的吸附作用，提高浆液的护壁效果。外添加济有，高粘羧甲基纤维素800～1000粘度、磺化沥青粉、防塌润滑剂、护壁王、成膜剂X-A。

最后确定的护壁浆液优化配方为：7.5%膨润土+0.3%高效植物胶+0.3%护壁王+0.25%成膜剂X-A。

该浆液配方性能：比重1.03g/cm3、漏斗粘度30s、pH值10、胶体率100%、失水量11mL/30m、泥皮厚度0.8mm。

使用后效果：松散岩层、红层使用次低固相泥浆后钻孔稳定性好，返浆基本正常且岩芯采取率达90%。

6 护壁堵漏浆液的应用

通过该冲洗液配方的现场生产试验，对林保山隧道其他钻孔的实际应用，除2号、5号孔外，1～8号孔均顺利终孔，实现良好的生产效益，证明了该冲洗液配方很好地解决了破碎坍塌、水敏性地层、不易取芯等红层钻进的问题，现场配制方便，减少了孔内事故的发生率，且对人体环境无污染。该护壁冲洗液的优点体现在以下几个方面：

（1）护壁防塌性能好，在1、3、4、6、7、8号孔内钻探试验，未出现严重的垮孔事故，未影响钻进效率，说明该冲洗液防塌性能好，满足了实际的钻探工作需要。

（2）抑制水敏性地层，在该钻孔内，岩层较多为水敏性地层，但未出现钻孔缩径及埋钻事故，体现了该冲洗液很好地抑制了水敏性地层。

（3）优良的携带岩屑和悬浮岩粉的作用，在钻探过程中，孔底基本保持洁净，说明该冲洗液具有较好的剪切稀释作用，携带岩屑和悬浮岩粉效果好。

（4）岩芯质量好、采取率高，该冲洗液具有护芯作用，所采取的岩芯基本保持原状，层位清晰，特别是较好地采取了岩芯。

（5）减振润滑效果好，钻机钻速可以开到高速，钻进仍很平稳，减少了对机械的破坏，延长了钻机钻具的寿命，大大地提高了钻进效率。

7 结语

通过对林保隧道钻孔施工实际使用对浆液有了一个更新的认识，对泥浆处理剂的配比和处理剂的调配需要根据地层的实际情况来调配和使用。虽然在各种浆液材料上投入费用多一些，但是通过合理的浆液调配可以提高钻探施工的效率，减少钻孔垮塌，对钻孔正常钻进中的钻具有良好保护作用，设备及井内的噪音也大大地降低，护壁作用效果明显，保证岩芯基本保持原状，层位清晰，特别是较好地提高岩芯采取效率，对顺利结束钻孔有良好作用。在地勘事业蓬勃发展的今天，我们要与时俱进，不断使用新技术、新工艺、新材料，大胆创新来适应新形势的发展。

[1] 有色金属地质钻探管理暂行规定岩芯钻探技术规程[R].中国有色金属工业总公司，1991.

[2] 武汉地院五院校.钻探工艺学[M].地质出版社，1979.

[3] 曾祥喜，陈志超.钻孔护壁堵漏原理[M].北京：地质出版社，1986.