松散破碎地层钻探泥浆研究与应用

黄 河，张安平

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040)

1 概述

在架空输电线路大跨越工程勘测中，勘测工作的技术要求、内容和深度，以及工程质量有了更高的要求。大跨越工程很多情况都是江河、湖泊大跨越，跨越塔往往位于河流阶地地貌或河漫滩地貌中，这些地貌分布较厚的松散破碎岩土体，如砂层、卵(砾)石等。松散地层主要是指破碎带地层、第四系的砂层、砾石、卵石地层等，此类地层具有共同的特点即颗粒之间缺乏胶结或胶结性能差。

在河流阶地及河漫滩地貌勘察过程中，钻探是必不可少的基本手段，由于河流阶地、河漫滩所处地层中存在较厚砂、砾、卵石层、岩石风化带和破碎带。此类岩石结构呈散粒或散块状态，散粒散块之间胶结弱或无胶结，结构完整性很差，故称其为松散破碎地层。在此类层段中钻进，井壁极易掉块、坍塌，容易诱发卡钻、埋钻事故，而且钻屑颗粒较大，钻井液携带其困难。

通常通过下长套管穿越松散破碎地层，除了下长导管预防孔壁掉块、坍塌、渗漏外，运用泥浆来解决松散破碎地层钻进困难问题，也是一项重要的工艺措施。将钻井泥浆的黏度和切力提高，可以有效粘结散状井壁，也有利于悬浮较大尺寸的钻屑。中国地质大学(武汉)钻井与完井实验室通过对比不同黏度钻井液浸泡的砂堆自然堆砌角度，可以清楚地认识到，提高黏度对防止松散破碎井壁垮塌具有重要作用，用清水(黏度1 mPa·s)浸泡的砂堆角度为30°，采用黏度为15 mPa·s泥浆浸泡的砂堆角度为45°，黏度为30 mPa·s泥浆的则可达到60°[1-3]。

松散破碎地层泥浆要突出较高的黏度、强剪切稀释性以及强携砂能力。主要原因在于，此类地层中的卵石、砾石等尺寸较大且缺乏胶结，部分胶结物为黏土质成分。一旦钻孔打开此类地产，孔壁周围的大尺寸松散破碎物因失去力学平衡而发生失稳。为此，我们提出了通过提高泥浆黏度以增强孔壁周围岩石胶结力的处理思路。当高黏度的泥浆在压差作用下进入松散体间的间隙内后，能够在松散体间形成一定的结构，起到稳定孔壁的作用。具体措施包括：1)增加膨润土粉的用量；2)使用并提高提黏性处理剂的加量；3)添加无机阳离子导致膨润土浆液絮凝等等，确保所配制的泥浆漏斗黏度不低于20 s。

2 针对松散破碎地层的泥浆配方设计

根据中国地质大学(武汉)钻井液与完井液实验室关于复杂地层钻井液推荐的配方，松散破碎地层典型泥浆配方如下：

1)Na-CMC(钠羧甲基纤维素)泥浆。

配方：优质造浆黏土70 kg～100 kg，水1 m3，纯碱6 kg～10 kg，Na-CMC 10 kg～15 kg。

性能：比重1.07～1.1，黏度28 s～40 s，失水量小于18 mL/30 min，pH值约9.5。

2)LG植物胶泥浆(4合1复配泥浆)。

配方：1 m3水，55 kg膨润土，20 kg LG，纯碱2 kg，XC 1 kg。

性能：表观黏度22 mPa·s，失水量14 mL/30 min，pH值7～9，比重1.08，漏斗黏度28 s。

其中，LG为一种新型植物胶钻井液处理剂，其主要成分是多糖、植物纤维和精油等，具有增黏、降滤失、抑制性和润滑性等优点[4-5]；XC为高分子生物聚合物，是一种高效提黏剂。

在湖北汉江大跨越勘察施工中，考虑到现场泥浆配置条件，要求选用的泥浆配方具有配制简便、泥浆性能优、绿色环保等特点，对典型泥浆配方进行优化设计。

首先配置充足基浆(8%普通膨润土+0.2%纯碱+0.1%烧碱)，将基浆充分预水化，使其有足够的预水化时间，确保膨润土在水中充分分散。其次在基浆基础上添加不同配比处理剂，经过大量室内实验，筛选出如下配方：

1)预水化基浆；2)预水化基浆+0.05%CMC+1%LG；3)预水化基浆+0.1%CMC+1%LG；4)预水化基浆+0.05%XC+1%LG。

针对松散破碎地层泥浆选用，优先选用高黏度、强悬渣、易流动的泥浆配方。根据实验测试结果，不同配方泥浆性能见表1。

表1 推荐的泥浆配方性能测试结果

现场拟采用配方4)LG植物胶泥浆，在勘察现场将普通膨润土改用为优质钠基膨润土，从而减少纯碱、烧碱用量。最终配方为：8%优质钠基膨润土+0.05%XC+1%LG。

3 现场应用效果

3.1 工程简介

白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电线路工程钟祥汉江大跨越工程，跨越地点为磷矿镇刘家庄村，杆塔采用“耐—直—直—耐”跨越方式，跨越档距1 750 m。两岸跨越塔立在堤外背水侧河漫滩，锚塔立在堤内背水侧。右岸跨越塔高程地面47.19 m，左岸跨越塔地面高程48.59 m。根据岩土勘测任务书要求，对拟建跨越塔基进行逐腿钻探。

3.2 地层分布情况

根据勘察资料，拟建长江大跨越段的地层分布如下：

3.3 泥浆体系应用

现场采用XY-150型钻机，开钻前一日，现场开挖泥浆池，泥浆池底部铺防水布，泥浆池中加入1 m3，倒入80 kg钠基膨润土，采用人力搅拌，确保膨润土预水化充足，膨润土充分预水化后加入10 kg LG植物胶，最后加入0.5 kg XC，充分搅拌后对泥浆进行循环[6]。

3.4 效果评价

通过使用LG植物胶泥浆，收获了良好的钻进效果，收获岩心的完整度以及收获率等均较之前有了显著改善，尤其是在粉细砂等松散地层中使用时，由于其出色的护壁效果，钻进过程中未出现塌孔等复杂情况，起下钻过程中也比较顺畅，整体施工效率得到极大改善。即便是在卵石层中施工，泥皮尽管较厚，但是随着新配浆液的补充，其质量也获得明显提高。

现白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流输电线路工程钟祥汉江大跨越工程勘察已圆满完成。

4 结语

1)针对松散破碎地层，采用8%优质钠基膨润土+0.05%XC+1%LG泥浆配方，材料用量少，配制简单，配浆效率高，此体系具有较为理想的流变参数，流动性好，悬浮钻屑能力强。

2)该泥浆配方具有强降滤失能力，润滑效果好，能防止孔内复杂事故的发生，保证钻进工作的安全顺利进行，并提高钻进效率。

3)LG植物胶与XC的配合应用提高了钻井液的润滑性及泥皮的胶结性，在孔壁形成致密的保护层，护壁效果较好，降低了孔内事故率，加快了施工进度。

4)该泥浆配方所用处理剂效果优良，而且不含对环境有害的组分，降解产物也符合环保要求，具有良好的推广价值。