摘要：在巖心鉆探施工過(guò)程中時(shí)常會(huì)鉆遇復(fù)雜地層，比如孔壁不穩(wěn)定，孔內(nèi)漏水或涌水，軟硬互層、蝕變發(fā)育的構(gòu)造帶等地層，復(fù)雜地層是影響鉆探施工的重要因素，當(dāng)鉆遇復(fù)雜地層時(shí)需要設(shè)備、工藝的相互結(jié)合及高性能沖洗液的合理運(yùn)用。本文分析了鉆探工藝、沖洗液在處理復(fù)雜地層方面的作用，希望能對(duì)巖心鉆探過(guò)程中處理復(fù)雜地層時(shí)有促進(jìn)和指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜地層；鉆探施工；沖洗液
復(fù)雜地層主要指巖心鉆探過(guò)程中鉆孔漏水或涌水、孔壁不穩(wěn)定（包括孔內(nèi)坍塌、掉塊、遇水膨脹、遇水分解破碎等）及各種蝕變構(gòu)造帶的地層。鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、斷鉆、燒鉆、巖心采取率低、鉆孔跑斜、水路不通導(dǎo)致憋泵、鉆具磨損嚴(yán)重、鉆頭壽命低等問(wèn)題，從而導(dǎo)致施工成本高、鉆進(jìn)時(shí)效低、鉆孔質(zhì)量難以滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求等問(wèn)題。隨著我單位鈾礦找礦工作的逐漸深入，遇到的復(fù)雜地層較多，已成為影響我單位鉆探施工效率的主要因素，急需有效的解決辦法。我單位鉆探施工工作區(qū)主要地層為花崗巖，在鉆進(jìn)過(guò)程均遇到上述復(fù)雜地層，反映在施工方面主要有3個(gè)問(wèn)題：一是孔壁不穩(wěn)定造成的孔內(nèi)坍塌、掉塊及遇水分解造成的鉆孔超徑導(dǎo)致孔內(nèi)事故，造成施工無(wú)法進(jìn)行；二是在鉆遇蝕變構(gòu)造帶過(guò)程中，孔內(nèi)裂隙較發(fā)育，沖洗液損耗大；三是巖心采取率低、鉆孔跑斜不能滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。以下就影響復(fù)雜地層正常鉆進(jìn)的各種因素進(jìn)行分析。
1各類復(fù)雜地層形成的原因
復(fù)雜地層通常是由于巖層本身發(fā)生地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)且與外界相互作用而導(dǎo)致的，具體主要分為以下幾種情況。
（1）巖性本身引起的復(fù)雜地層。構(gòu)造、蝕變較發(fā)育的地層在被沖洗液沖刷和鉆具撞擊作用下，極易發(fā)生破碎及掉塊等問(wèn)題，導(dǎo)致孔壁極不穩(wěn)定，在鉆進(jìn)過(guò)程中，往往導(dǎo)致鉆孔超徑或縮徑，未能及時(shí)處理或處理不當(dāng)，易發(fā)生掉鉆、卡鉆甚至燒鉆、埋鉆等事故。
（2）溶蝕引起的復(fù)雜地層。地下水主要通過(guò)溶蝕作用來(lái)破壞巖石結(jié)構(gòu)。當(dāng)堅(jiān)硬的花崗巖被溶蝕以后，原地層結(jié)構(gòu)存在的溶于水的礦物質(zhì)被流水帶走，最終留下的是不能被水溶解的高嶺土與石英顆粒的混合物，在巖心鉆探過(guò)程中，該類地層發(fā)生機(jī)械破碎，導(dǎo)致巖心采取率低。
（3）地質(zhì)運(yùn)動(dòng)而引起的復(fù)雜地層。地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生壓力、扭力、劇烈震動(dòng)等，這些力相互作用就會(huì)形成扭性、張扭性等多種斷層。如果鉆具進(jìn)入這類地層的破碎區(qū)域，通常會(huì)出現(xiàn)孔壁大面積坍塌和沖洗液漏失現(xiàn)象。
（4）流水引起的復(fù)雜地層。流水會(huì)對(duì)巖石地層起到?jīng)_擊或者沉壓的作用。比如流沙層以及泥質(zhì)地層等都是因?yàn)槌练e所導(dǎo)致的，流失將會(huì)造成巖石穩(wěn)定性降低，牢固性降低，極易引發(fā)縮徑或坍塌等問(wèn)題。
（5）風(fēng)化作用形成的復(fù)雜地層。巖石風(fēng)化將會(huì)破壞巖石中顆粒之間的連接力，漸漸使得巖石出現(xiàn)裂隙、松散、斷裂等情況，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化與其它作用力的影響極易造成巖石坍塌、掉塊等問(wèn)題。
（6）地層中的礦物巖石引起的復(fù)雜地層。一些地層在進(jìn)行鉆進(jìn)工作時(shí)將會(huì)使得原有的礦物巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化進(jìn)而形成復(fù)雜地層。加之在后期鉆探過(guò)程中被反復(fù)沖蝕撞擊，其穩(wěn)定性將會(huì)嚴(yán)重下降，進(jìn)而出現(xiàn)破碎等情況，進(jìn)而產(chǎn)生縮徑，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生孔內(nèi)事故。
2復(fù)雜地層鉆進(jìn)的主要影響因素
一般而言復(fù)雜地層鉆進(jìn)的影響因素主要有鉆機(jī)設(shè)備、地層條件、鉆探施工工藝、沖洗液的合理運(yùn)用等，在巖心鉆探過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同地層進(jìn)行分析，協(xié)調(diào)配合好各方面影響因素，性能先進(jìn)的設(shè)備配合合理的工藝技術(shù)及性能良好的沖洗液，往往能取得事半功倍的效果，高效優(yōu)質(zhì)的完成鉆孔施工任務(wù)。
（1）鉆探設(shè)備。鉆機(jī)及其它配套設(shè)備選型與質(zhì)量的高低直接關(guān)系到復(fù)雜地層鉆探工作的質(zhì)量。假如選用的鉆機(jī)功率較低，額定鉆進(jìn)深度小，在面臨復(fù)雜地層時(shí)就很難調(diào)整其轉(zhuǎn)速以及鉆壓等鉆進(jìn)參數(shù)，從而對(duì)鉆進(jìn)效率與鉆孔質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響。
（2）地質(zhì)條件。復(fù)雜地層包含各種蝕變、構(gòu)造、斷裂以及含有砂礫、流沙的地層，這種地層的巖石在強(qiáng)度、硬度以及水化性、彈塑性都存在復(fù)雜多變的特點(diǎn)，片理、層理發(fā)育，地層（構(gòu)造）產(chǎn)狀變化大，嚴(yán)重阻礙地質(zhì)鉆探施工的順利進(jìn)行，比如在巖層傾向較陡，巖石硬度較大時(shí)，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具順層行進(jìn)，造成鉆孔偏斜。
（3）鉆探施工工藝。復(fù)雜地層鉆探施工質(zhì)量和效率在很大程度上取決于鉆探施工工藝，比如鉆進(jìn)的鉆速太快，將會(huì)增大回轉(zhuǎn)離心力，進(jìn)而使得橫向振動(dòng)變大，從而對(duì)增大了鉆孔直徑；如果鉆機(jī)進(jìn)入到軟弱層，承受壓力過(guò)大，很容易導(dǎo)致鉆桿彎曲，繼而造成鉆孔彎曲。
3復(fù)雜地層中鉆探施工技術(shù)的應(yīng)用
3.1鉆進(jìn)方法的選擇
鉆進(jìn)方法的確定直接關(guān)系著鉆探施工的質(zhì)量與效率，在《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》當(dāng)中，按照地層硬度等級(jí)的不同將地層劃分成軟、中硬、硬、堅(jiān)硬四種類型；根據(jù)巖層的完整程度可將其劃分成完整、較完整、破碎三種。通常在施工期間，主要按照巖石的可鉆性與研磨性來(lái)初步判定鉆頭的選型，其方法主要是：對(duì)于軟、中硬及研磨性弱的巖層,可鉆性高,選擇硬質(zhì)合金或者胎體硬度大的金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，主要施工地層為地表浮土或風(fēng)化層。
3.2鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇
鉆孔結(jié)構(gòu)也是影響鉆探質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其對(duì)施工成本與工作效率等起著重要的影響作用。所以在確定鉆孔結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)綜合考慮鉆孔深度與終孔直徑等對(duì)鉆孔施工質(zhì)量帶來(lái)的影響，通過(guò)科學(xué)判斷換徑深度與開(kāi)孔直徑，為有效提高施工效率提供保障。
3.3注重改進(jìn)施工方法
在實(shí)際的鉆探施工過(guò)程中，需在原有鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，以為更好的鉆探施工提供有力保障。其改進(jìn)方法主要包含以下兩點(diǎn)。
（1）鉆孔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。比如我所在汝城項(xiàng)目某孔的鉆探施工當(dāng)中進(jìn)行了鉆孔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化，將以往的“三級(jí)套管、四級(jí)口徑”經(jīng)過(guò)改進(jìn)成為了“四級(jí)套管、五級(jí)口徑”的鉆孔結(jié)構(gòu)。其具體的操作方法為；首先使用直徑150mm口徑鉆孔，在完成第四系土層鉆進(jìn)工作以后，設(shè)置直徑146mm的套管，其管深控制在16mm~20mm范圍內(nèi)；其次再以130mm口徑穿過(guò)淺部風(fēng)化軟弱地層，并在此設(shè)置127mm的套管，以便完全隔離風(fēng)化軟弱層。
（2）改進(jìn)沖洗液。常用的護(hù)壁沖洗液有泥漿和無(wú)固相沖洗液，泥漿的護(hù)壁機(jī)理是在鉆進(jìn)過(guò)程中在孔壁表面形成泥皮護(hù)壁，泥皮是依靠鉆具內(nèi)液柱壓力與地層側(cè)壓力之間的壓差壓濾作用形成；無(wú)固相沖洗液的護(hù)壁機(jī)理主要靠高分子聚合物吸附膠結(jié)護(hù)壁，聚合物能夠在巖層表面及深入到巖層空隙中吸附產(chǎn)生膠結(jié)。二者護(hù)壁機(jī)理不同，應(yīng)根據(jù)不同地層性質(zhì)選用。
①選材：200目膨潤(rùn)土；高效S系列植物膠；工業(yè)火堿；優(yōu)質(zhì)皂化油。
②配制比例：水：膨潤(rùn)土：植物膠：皂化油=100kg：（4-6）kg：（5-8kg）:1.5kg。
③配制要求：配置前，先加火堿將水的ph值調(diào)整為10~11，其次分別加入膨潤(rùn)土及植物膠粉攪拌充分后，最后加入皂化油，控制配制好的沖洗液漏斗黏度27s~32s。
④優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)實(shí)際使用情況，這種植物膠泥漿具有泥漿和無(wú)固相沖洗液的雙重優(yōu)點(diǎn)，既能形成泥皮護(hù)壁，又對(duì)巖石有膠結(jié)作用。
⑤缺點(diǎn)：由于該沖洗液性能參數(shù)約為密度1.03g/cm3~1.05g/cm3,黏度27s~32s，失水量≤12ml/30min，固相含量≤0.4%，潤(rùn)滑系數(shù)0.20~0.23，導(dǎo)致阻力大，泵壓高，所以在使用這種沖洗液時(shí)，要選用外徑大的鉆頭和擴(kuò)孔器，經(jīng)過(guò)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，一般直徑大于外管3mm左右。此外對(duì)于堵漏技術(shù)的處理，應(yīng)根據(jù)地層的漏失情況合理進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可以通過(guò)添加磺化瀝青等惰性材料來(lái)減少?zèng)_洗液的流失量。
3.4鉆探施工技術(shù)在幾種復(fù)雜地層當(dāng)中的具體應(yīng)用
（1）鉆探施工技術(shù)在流水、風(fēng)化以及礦物巖石引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。由于這種類型的復(fù)雜地層本身就屬于弱膠結(jié)的地層，巖石中顆粒間的膠結(jié)程度比較低，在對(duì)這種類型地層進(jìn)行鉆探施工時(shí)，對(duì)鉆具下鉆的位置與速度一定要掌控好，防止由于壓力激增而引起孔壁掉塊或斷裂。選用的沖洗液也應(yīng)具有較高的黏度，這樣在孔壁破碎的巖石就可以很好的膠結(jié)在一起，提高了巖石的粘結(jié)力度。在鉆進(jìn)破碎程度較大的地層時(shí)，需要提前向地層中注入具有堵塞、膠結(jié)作用的物質(zhì)，以便將松散、破碎的巖石粘結(jié)在一起，以提高鉆孔表面巖石的穩(wěn)定度，在巖石的強(qiáng)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)以后便能重新進(jìn)行鉆探。
（2）鉆探技術(shù)在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的復(fù)雜地層中鉆探的難點(diǎn)在于斷泥層或者構(gòu)造碎裂巖的出現(xiàn)。鉆進(jìn)這種地層時(shí)主要面臨三個(gè)問(wèn)題：首先由于斷泥層或構(gòu)造碎裂巖地段的巖層長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，在鉆具通過(guò)以后，巖層內(nèi)以往的平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，在應(yīng)力和沖洗液沖蝕的作用下，將會(huì)產(chǎn)生塑性流動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)掉鉆、卡鉆或者縮徑等問(wèn)題；其次由于斷泥層當(dāng)中通常存有黏土礦物，極易吸水膨脹，也會(huì)導(dǎo)致卡鉆、縮徑。
（3）鉆探技術(shù)在溶蝕引起的復(fù)雜地層中的應(yīng)用。對(duì)于這種復(fù)雜地層鉆進(jìn)施工時(shí)經(jīng)常會(huì)面臨泥漿流失量大，無(wú)法反漿。這是因?yàn)榈貙又写嬗辛严�，沖洗液沿著裂隙滲入地層。
4結(jié)語(yǔ)
復(fù)雜地層的鉆進(jìn)施工條件惡劣，對(duì)施工工藝和操作人員水平要求均較高，目前沒(méi)有一種萬(wàn)能的辦法解決所有類型的復(fù)雜地層，但有幾項(xiàng)措施對(duì)任何情況下的鉆探施工均是有利的：一是盡可能選用性能優(yōu)越的鉆探設(shè)備；二是配套設(shè)備的優(yōu)選及鉆頭的合理選型，應(yīng)選用高強(qiáng)度鉆桿，盡量避免斷鉆帶來(lái)的問(wèn)題，合理根據(jù)不同地層對(duì)鉆頭進(jìn)行選型，提高鉆探時(shí)效，減少提鉆次數(shù)。以上是筆者對(duì)巖心鉆探復(fù)雜地層治理技術(shù)的一些認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)問(wèn)題有所幫助。
參考文獻(xiàn)
[1]朱益明，張軍，胡飛，等.許家咀礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工技術(shù)方法改進(jìn)[J].資源環(huán)境與工程，2014，28（3）：293-296.
