松嫩盆地西缘巨厚砂砾层钻探施工技术方法研究

鹿传磊 张朋伟 刘占宁

(1.中国地质调查局 哈尔滨自然资源综合调查中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2.安阳工学院，河南 安阳 455000)

钻探施工是从普查阶段到勘探阶段最重要的过程之一。巨厚砂砾层在各类地质施工中面临诸多问题[1-2]，巨厚砂砾层裸孔钻进施工会出现塌孔、取芯困难等问题[3-4]。该研究针对西缘巨厚砂砾层钻探施工时存在的问题展开分析，提出解决方案。

1 概述

研究区位于黑龙江省与内蒙古自治区交界处，区内大地构造位于兴蒙造山带东段，横跨兴安地块与松嫩地块，是古亚洲构造域的重要组成部分。工作区属于大兴安岭北段东坡向松嫩盆地过渡地带，地势西北高东南低，西北最高海拔429 m，东南最低海拔170 m。所施工地层为新生界第四系，是现代河床、高低河漫滩积层、心滩堆积而成，主要物质组成为砂砾石、粉细砂、砂质粘土、淤泥，如图1、图2。

图1 第四纪砂砾石岩心

图2 第四纪剖面河流相堆积物特征

2 钻探施工中的问题及其原因分析

钻探施工过程中出现了钻头与钻具连接处断裂、需要反复扫孔、泵压增高、转阻力变大等现象，推测钻进中出现了坍塌、掉块、缩径问题。

2.1 钻头脱落问题及原因

施工ZK12 号孔过程中，当钻进至12 m 时，钻头与钻具连接处断裂，钻头掉进孔内。出现钻头脱落的主要原因是钻头水口小，大颗粒砂砾石不能及时从孔底排除，在钻头与钻具连接处狭小空间越积越多，造成快速磨损。当此处砂砾石累积到一定程度，出现钻具旋转阻力加大，磨损加快，钻头与钻机接触面被逐渐磨薄，最终导致钻头与钻具完全分离，钻头掉入孔底。

2.2 钻孔坍塌、掉块、缩径问题及原因

钻进ZK18 钻孔时，在20～45 m 处上钻后再下钻下不去，需要反复扫孔，同时出现泵压增高、回转阻力变大。以上情况在该孔段反复出现。根据施工经验判断在此孔段出现坍塌、掉块、缩径，分析认为出现上述问题的原因有以下4 点：

（1）冲洗液性能指标调配不合理。施工地层为砂砾石层，覆盖厚度大于40 m，颗粒粒径大小不均，有的甚至大于20 cm，调配的膨润土泥浆的性能指标没有完全达到将所有砂砾石完全排除到孔外的效果，导致岩粉在孔内越积越多，在有限孔壁环状间隙产生“滞涩”，阻碍泥浆正常循环，泵压升高，造成憋泵。大量水分被压入孔壁，破坏孔壁稳定，孔内压力失去平衡，结构松散、无胶结、大小不均的砂砾石失去平衡从孔壁脱落形成坍塌、掉块等。

（2）操作不当。人员操作不当，上下钻速度过快，抽吸压力过大，在孔壁狭小环状间隙内形成负压，超常的激动压力破坏了孔壁的压力平衡，造成钻孔缩径、坍塌。

（3）地下动水压力大。该区含水层浅，地下裂隙、暗河发育，动水压力对孔壁稳定造成不利影响。地下水动水压力及孔隙水压力大于孔内冲洗液自重压力时，引起孔壁失稳钻孔坍塌。

（4）泥浆泵的性能参数与地层不匹配。所使用的泥浆泵为BW-200 型，钻进地层的颗粒粒径较大，现有水泵的泵压和泵量不能满足将孔内所有岩屑完全排出的条件，造成排不出的岩粉在孔内大量堆积，从而影响正常钻进造成埋钻事故。

3 施工工艺参数改进方案

3.1 调整钻头类型

研究调整钻头类型，购进了湖北长钻公司生产的六齿复合片肋骨钻头，规格为Φ110 mm/133 mm，形状为六齿阶梯肋骨球片，适用于破碎泥岩、砂砾石层、细分砂层、土层及较软的岩层。该钻头特点是：（1）保径好、耐磨（主要是加工过程中加入了加强石油片）、抗冲击。（2）钻头阶梯式设计，采用错位焊接工艺，能提高钻进效率。（3）大水口、高胎体设计，扩大了砂砾石的流通通道，提升了冲洗液携带碎屑的能力。

图3 为改进后六齿复合片肋骨钻头，图4 为改进前普通金刚石钻头。

图3 复合片肋骨钻头

图4 金刚石钻头

3.2 泥浆护壁技术

在第四系松散深厚砂砾石层施工，优质泥浆护壁起到关键作用[5]，该层对泥浆的性能要求为高固相、高粘度30～40 s、比重1.2 左右、低失水量9～13 mL/min、胶体率97%、含砂量小于5%、pH 值为7～8。

泥 浆 配 方：1 0%～1 5% 膨 润 土+1%～3%CMC+0.3%～0.5% 火碱（膨润土要选择造浆效果好、含沙量低的，CMC 选择分子量大于2300 万速溶型）。

配置方法：准备好一个1000 L 和100 L 的搅拌桶，分别用来配置基浆和CMC。

（1）配置基浆。配方为水:膨润土（钠基）:火碱=780:120:4（重量比）。

（2）配置CMC。配方为水: CMC=90:10（重量比）。

（3）将配置好的CMC 溶液倒入基浆搅拌均匀即可使用。

（4）现场测定性能参数。将基浆和CMC 通过充分搅拌使其溶解，现场测定其性能参数为：失水量10 mL/30 min，粘度35 s，pH 值为10，含沙量1%。用该性能泥浆施工的4 个钻孔，砂砾层厚度均大于40 m，终孔深度最深182 m，采取裸眼钻进，都安全顺利终孔，达到了预期地质效果。

3.3 泥浆参数动态优化与孔口泥浆回灌

钻进过程中发现孔口返出的泥浆变稀，应对泥浆指标及时测定，性能下降必须停钻对泥浆重新配置，使泥浆的各项性能参数满足要求后方可钻进。在上钻后和下钻前，从孔口向孔内回灌泥浆，保持孔内压力平衡，防止动水流冲垮孔壁，造成钻孔坍塌。

3.4 匹配大功率泥浆泵

将BW-200 型单作用泥浆泵换成450 型三缸双作用泥浆泵，更换后新泵的泵压和泵量同时增大，能将孔内大颗粒的砂砾石完全排出，保持孔内干净，避免埋钻事故发生。

4 结论

分析钻头断裂脱落的主要原因是大颗粒砂砾石在钻头与钻具连接处集聚，钻具旋转阻力增大，磨损加剧，最终导致钻头断裂脱落。造成钻进中出现坍塌、掉块、缩径的主要原因是冲洗液性能指标调配不合理，地下动水压力大，泥浆泵的性能参数与地层不匹配。研究采用了有保径、大水口、错位焊接的高胎体复合片肋骨钻头解决钻头断裂脱落问题，通过改性泥浆材料性质增强泥浆护壁效果；通过调整泥浆参数配合泥浆回灌保持孔内压力平衡，防止水流冲垮孔壁；通过更换高效泥浆泵充分排出大颗粒砂砾石，最终解决了钻头断裂脱落、钻孔崩塌、缩径等施工问题。研究使得钻进施工效率不断提高，保证了钻进施工安全经济高效。

研究显示，施工工艺改变前每班进尺7～8 m，改变施工工艺后每班进尺12～15 m。改变工艺前，Zk15 号孔设计孔深110 m，终孔深度113.80 m，施工用时13 d，平均每天进尺8.75 m；改变施工工艺后，施工ZK16 号钻孔，设计孔深100 m，终孔孔深105.30 m，用时7 d，平均每天进尺18.04 m。改进后日施工效率提升106.2%，施工效率得到了极大提高，解决了钻进施工缓慢的现状。施工成本由原来350 元/ m，降低到260 元/ m。