植物胶冲洗液在岩溶区复杂地层钻探中的应用

胡俊凯 何 鑫

（中南林业科技大学土木工程学院 湖南长沙 410004）

1 概述

随着我国改革开放的不断扩大，高速公作为引领区域经济发展的先行条件和重要手段，其重要性不言而喻，特别是地处山区，是引领当地发展的迫切需要。在岩溶区地质勘察中，利用钻探技术查明工程地质条件则是修建高速公路的先决条件，岩溶地区地形、地貌复杂，在钻探施工中极易遇到破碎地层，钻进的过程中易出现钻孔垮塌、取芯率低、延误工期和增加施工成本等问题，严重者则需要重新钻孔，通过使用植物胶冲洗液，对破碎地带提高岩芯取芯率、防止钻孔坍塌效果显著。

2 项目概况

2.1 项目区域

该项目是成都至遵义国家高速公路，地处贵州省遵义市，地处西部高原山地第二阶梯向东部丘陵平原第三阶梯过渡地带，其地势特点是中部高，东、西部较低；北部较高，南部稍低，即中北部向东、南、西三面倾斜。项目区地形地貌复杂，工程地质条件差，在勘察中的钻探施工难度大。

2.1 地层岩性

项目区域主要出露地层，有古生界的寒武系、奥陶系、志留系、二叠系；中生界的三叠系；新生界的第四系。其中碳酸盐地层在区内展布范围广（约占路线长度90%），项目区绝大部分地区属裸露型或覆盖型岩溶地带，岩性以白云岩、灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、粉砂岩和泥岩夹煤层，第四系（Q4）在全线均分布，组成成分为粘土、粉质黏土夹少量碎石，后0～5m不等。

地形复杂，地质构造多，岩性变化次数达35余次，断层数量达21条，岩性变化快，岩性复杂，岩体破碎，工程地质条件差是该项目区域的典型特点。

2.2 地质构造

项目区所在区地质构造复杂，在地质构造单元上，项目区大地构造位于扬子准台地中的黔北台隆二级单元，区内构造主要形成于中生代中晚期的燕山构造期，在漫长的地质发展过程中，先成体系控制、制约后生体系，同时后生体系改造、破坏先成体系，产生了构造体系间的多种复合关系；因扭动构造体系中“多”字型构造、棋盘格式构造等十分发育，加之褶皱、断裂广布，形成了极其复杂的地质构造形迹。

3 钻探施工难点

3.1 地形不利于钻探作业

在项目区部分路段地貌类型以岩溶峰丛谷地、洼地及向、背斜与紧密褶皱带相间形成的垄岗槽谷为主，在组合及展布上除与岩性有关外，主要受构造控制。由于碳酸盐类与碎屑岩类相间分布，可溶岩呈谷，非可溶岩程脊，山脉多呈脊状，展布方向与构造线方向一致。地形起伏大，坡度一般20～40°，相对高差20～50m。且植被茂密，部分钻孔距离水源较远，需人工托运水袋至孔位处。

3.2 易发生孔内事故

K34+000～K62+350路段：地貌类型以溶蚀峰丛谷及侵蚀低中山为主，地形起伏大，地面横坡陡峻，受河谷溪沟冲刷及机械搬运，岩石切割破碎严重，坡度一般为40～80°，相对高差50～150m。河流上游切割深度高于100m，侧蚀和下切河谷能力强，形成深切V型河谷地貌。在前期钻探施工过程中遇到破碎地层，破碎、掉块、漏失、塌孔等现象经常发生，并且岩芯采取率低，岩芯采取质量低，钻进效率低下，轻者造成卡钻，严重者造成埋钻、废孔等问题。

3.3 岩芯采取率低

由于项目区域破碎地层广泛分布，在钻探施工的过程中岩芯采取率只有50～60%，在破碎严重区域只有20～30%，远远不能满足地质勘察取芯要求。

4 植物胶冲洗液作用机制

4.1 作用特点

因冲洗液在钻探施工中不可或缺的重要作用，又被成为钻进施工中的“血液”。传统冲洗液的作用有：①清洗孔底，悬浮和携带岩粉；②冷却钻头、提高钻头寿命；③润滑钻头和钻具，减弱钻具震动；④形成泥皮，保护孔壁；植物胶冲洗液属于天然高分子聚合物主要的性能特点：①溶剂单一；植物胶只溶解于水。②低密度、高流动性有利于提高钻进效率。③具有粘弹性、流变性起润滑减振的作用。④生态环保；因植物胶由多种天然植物制成，可自然降解对生态环境没有影响。

4.2 护壁

植物胶是亲水性强的天然物质，能够迅速溶于水形成胶体，植物胶胶液对岩层具有较强较强的物理和化学吸附性和粘弹性，在孔壁表面产生一层薄而韧的胶膜，保护胶膜形成后能有效防止水分的渗入，防止植物胶冲洗液中的自由水的流失，同时冲洗液具有的粘弹性对孔壁和岩芯起到减振的作用，从而达到保护岩芯、稳定孔壁的作用。

4.3 防止孔内事故

植物胶冲洗液一方面具有能够在孔壁形成胶膜，会降低钻杆与孔壁的摩擦力，达到润滑减阻减振效果，进而防止钻孔坍塌事故的发生，另一方面植物胶冲洗液流变特性，非常强的岩屑粘结力和絮凝清除功能，防止岩粉在孔底的积累，清洗孔底，从而能够大幅提高钻进效率，并能提高岩芯质量，防止卡钻、埋钻事故。

4.4 保护岩芯

植物胶冲洗液的表面张力的存在，较好的成膜性，可在岩芯的形成一层保护膜，可对岩芯形成有效的保护，进而提高了岩芯的采取质量。

5 植物胶冲洗液的配制

植物胶冲洗液凭借着其特有的性质特点，在地质勘察的钻探施工中的到了广泛的使用，但是植物胶液在未经过处理时，并不能直接用于钻探施工中，并且达到保护孔壁、携带岩粉和润滑减阻的作用。通过添加有机物、桥接作用和交联作用对植物胶冲洗液的性能得以有效控制，使其满足钻探施工的需要，常用的植物胶主要化学组成见表1。

表1 常用植物胶主要化学成分

本项目所采用的是SM植物胶冲洗液的配制方式为：将土粉5～10%和SM植物胶粉混合后同时加入NaOH水溶液中搅拌或先将土粉在NaOH水溶液中搅匀后，再加入植物胶搅拌约30min，然后浸泡待稠化后使用。亦可将分别泡好的2种浆液按比例混合并加水稀释，搅拌均匀即可使用。NaOH加量为土粉和SM植物胶总重量的约5%，PHP干粉加量为约为220PPm。

通过对NaOH的控制，可改变对植物胶冲洗液粘弹性性能的改变，在不同地层类型，不同岩性的情况下，改变NaOH的用量加强冲洗液携带岩粉的能力。

6 应用效果

通过在该项目区复杂地层中相同地层岩性的情况下分别使用植物胶冲洗液和普通冲洗液分别在相同岩性地层破碎带与非破碎带的60m钻孔作了对比分析见表2。

表2 岩芯钻探功效对比

从表1可以看出在相同破碎、漏失地层类型的情况下，植物胶对提高岩芯采取率有显著提高，对钻探施工效率提高30%，更能有效稳定孔壁，避免孔壁掉块、坍塌，进而防止发生卡钻、埋钻等事故，同时在使用植物胶冲洗液的情况下岩芯较完整，采取植物胶冲洗液后岩芯采取率同比提高20～30%，且全部满足地质勘察取芯要求。

7 结语

通过在复杂地层岩溶区钻探施工中植物胶冲洗液的使用，有效的避免了岩芯破碎，采取率低的情况，防止了钻孔坍塌，对成孔效率得到了大幅度的提高，降低了钻孔成本，总之植物胶冲洗液充分满足了该区域复杂地层钻探对钻孔液的要求，并且有以下性能：

（1）可控制的粘弹性和流变性，通过改变冲洗液的粘弹性和流变性达到携带岩粉的目的。

（2）良好的润滑减阻性能，以此可大幅度提高钻进效率。

（3）稳定孔壁的作用，降低卡钻、埋钻等的孔内事故的发生。

（4）低密度、高流动性，孔底压力差小，有利于提高钻进速度。

（5）无固相体系，对钻孔设备损耗低，在钻杆内不易形成泥皮。

（6）生态环保，可在自然中自然降解，对生态环境没有破坏。

针对复杂地层钻探施工中植物胶的应用，由于复杂地层的成因不同，对提高植物胶冲洗液在钻探施工中的作用可从以下方面着手：①配制，例如通过改变NaOH的用量可改变冲洗液粘弹性的特点，以此满足钻探施工的实际需要。②在不同的地层、覆盖层厚度不同等的情况下，在钻探施工中还可在孔中使用单层套管或双层套管。③钻进方式，在不同类型地层中选择合适的钻进方式对提高钻进效率起重要作用。④选择适合本地层岩性的钻孔设备，对提高成孔率、降低施工成本起着重要作用。