地质钻探中坍塌破碎地层钻进护壁方法初探

白闰平 谷宏海 刘海宇

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

工业化带来了人类的现代文明，而现代工业化的基础是各类能源，如：石油、煤、天然气、铁等。各种能源矿床的勘探离不开地质钻探。因此，地质钻探对现代工业化的进程起着非常重要的作用。

在坍塌破碎岩层中开展地质钻探是一个难点，例如：坍塌破碎层中的岩块脱落造成卡钻等，严重影响钻探工作的开展，甚至造成钻具无法从地层中提取，造成钻孔和钻具的废弃，给钻探工作带来非常巨大的经济损失。

据统计，钻探行业内钻孔的护壁成本占总成本的20%，占单孔成本的30%，随着钻探技术的发展，钻探深度在不断加深，钻探区域也从陆地向海洋发展，护壁成本仍然在攀升中[1-5]。

归纳当今国内外的护壁措施，简单分为两种情况：物理措施方面和化学措施方面。物理措施主要就是运用套管来达到护壁的要求，化学措施就是使用各种浆液和冲洗液来保证孔内的润滑和粘稠度。目前，化学措施方面已经发展了近一个世纪，相对比较成熟。可是物理措施方面，仅有套管这个措施比较常用，急需提出新的物理措施来满足日益增长的钻探护壁要求[6-11]。

笔者将提出一套物理措施和化学措施相结合的新型钻孔护壁方法，文中主要从物理措施和化学措施两个方面着手来分析该钻孔护壁方法。

2 物理措施

钻探护壁方法的主要思路为：当钻探中遇到坍塌破碎岩层时，将本方法中发明的装置放入坍塌破碎岩层的钻孔中，高压喷射浆液到孔壁，通过浆液凝固来达到护壁的作用。浆液喷射装置示意图，见图1。

图1中，喷射装置上部的橡胶塞作用是分隔钻孔中胶塞上部空间和下部空间，以便于将胶塞下部空间的水体抽出。图1中，喷射装置下部的反向钻头是为了便于将浆液喷射装置提出钻孔，在从孔中提出该装置时，下方的反向钻头将处于旋转中，达到反向修孔的效果。

3 化学措施

目前，国内外主要的护壁方式，是在钻探作业中加入各类钻探泥浆和冲洗液，来起到护壁作用。国外钻探泥浆和冲洗液的研究和发展比较早，已有数百家冲洗液公司、化学公司及钻井公司为石油钻探、水井钻探、岩心钻探、工程钻探提供泥浆材料和冲洗液。每年将近有2 000多种冲洗液在World Oil杂志刊登，而且这些材料均实现了大规模的商业化生产[8-10]。

各种粘土冲洗液被广泛的使用，如瓜尔豆胶、生物聚合物、径乙基纤维素、海藻胶为基本原料，同时对紊流减阻液也进行了研究。目前，俄罗斯在新型护壁材料的研究中走在世界前列，已成功开发出多种速凝、高强度和高膨胀性能的特种水泥。此外，速凝混合浆液和水泥聚合物浆液，在护壁中的应用也均取得了很好的效果[11-14]。

20世纪40年代，我国使用的护壁材料主要是普通硅酸盐水泥浆液，以后逐渐开始使用泥浆与水泥按一定比例配制的胶质水泥浆。20世纪50年代和60年代，开始使用冻胶泥浆、纤维浆、快干水泥浆和油井水泥等作为钻孔的护壁材料。近些年，对改变水泥性能的各种添加剂研究较为广泛，如早强剂、减水剂、比重降低剂等，如FA水泥减重剂，可使水泥浆比重降低到1.25～1.40左右。现在，我国也已研制出既保证有足够流动度，而凝结时间又较短的复合速凝剂，这些水泥的外加剂可以很大程度的调节水泥的特性，以满足各种护壁工作的要求[15-17]。

随着化工技术的不断发展，目前可供选择的浆液范围越来越广泛。可是，水泥仍然是一种比较好用的护壁浆液，而且成本低廉。

本文护壁方法中的化学措施主要难点在于，依据护壁浆液的凝固特性和浆液的物理特性，选择可靠的浆液，浆液的选择要视钻孔所处状况而定。

4 结语

该方法主要包括两个部分：第一部分为喷浆设备的发明；第二部分为浆液的选择。图2为该方法的技术要点图。

该钻进护壁方法可以简单介绍如下：喷浆设备的喷头为表面布满孔的柱状圆筒，在喷头的末尾带有橡胶塞，该橡胶塞的主要作用为密封喷头长度范围内的钻孔，隔离钻孔中橡胶塞上下两端的水体。待喷浆设备放入孔底后，开始给橡胶塞加压，让其与孔壁紧紧压在一起，然后将橡胶塞下端的水抽出，保证橡胶塞下端孔内无水，再从孔口高压泵送浆液到孔底，并从喷浆设备的喷头喷出，喷出的浆液附着在钻孔的孔壁，待浆液凝固，即可保证孔壁的碎岩块不落入孔中，从而达到护壁的效果。

本文初步探讨了一种新型的地质钻探钻孔护壁方法，笔者在后续的研究中会不断的加以完善。