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[摘 要]钻探工程作为工程、地质等工作的一个重要手段不断向纵深发展，钻孔孔深由几百米增至上千米，施工条件也更为复杂，本文结合工程实例，探讨水敏性红砂岩覆盖区域钻探工程的施工方法、要点，以供参考。
[关键词]钻探工程 红砂岩 泥浆 降失水
中图分类号：T2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0137-01
一、工程简介
本钻探工程位于江西省九江市某矿区，为探测红盆覆盖下炭质、泥质硅岩中铀、钒等多金属含量进行钻探工作。总钻探工作量4500米，水敏性红砂岩覆盖层厚度为230米-500米。施工主体方案为多层套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆护壁。
二、地质特征
（一）地层
区内大部分被新近系和白垩系红砂岩覆盖，仅在红砂岩边缘出露震旦系下统硐门组、南沱组。但根据以往钻孔揭露成果，白垩系红砂岩覆盖下存在含铀地层，即上震旦系-下寒武系碳硅泥岩。
（二）构造
1、断裂构造
断裂构造发育，区内有3条主干断裂（F1、F2、F3）。其中F1构造长约2km，宽约3～5m，倾向NW，倾角大于70°，构造面扭曲变形，对地层错动很大，构造成份与其切割的地层有关，表现为泥质、硅质岩破碎，并充填大量硅质脉，该构造使地层发生拖拽褶皱，地层产状变化较大。F2构造为NNE向构造，构造产状280°∠85°，长度大于400m，宽2m，构造两侧地层有错动，构造岩为泥质、硅质碎块，该构造被F2构造错动。F3纵贯全区，近南北向延伸，倾向西，倾角较陡，∠75°～∠80°，长2km～5km，主要表现为硅化角砾岩带及构造破碎角砾岩带，反映了构造的多期次活动特征。
2、层间构造
由于不同地层岩石物理性质的差异，在不同岩性接触部位，常易形成层间破碎带，区域内主要有：
（1）王音铺组底部第一岩性段（？1w1）与灯影组上部（Z2dn3）层间破碎带，该层间破碎带为区域性，在预查区内稳定发育。
（2）王音铺组第三层下部，中厚层炭质泥岩与中薄层炭质泥岩与薄层含硅炭质泥岩互层间的层间破碎带。
（3）王音铺组第四层（？1w4）与第三层（？1w3）之间层间破碎带。
上述三条层间破碎带，产状与地层一致，严格受层位控制，未见跨（小分）层或穿层产出。
三、施工组织
（一）地质信息分析
通过矿区地质特征的介绍可以研判出以下信息：
1、矿区岩石主要由各类砂岩（其中红砂岩占主导）、各种炭质泥岩、硅质白云岩构成，岩石多数致密、坚硬脆。岩石研磨性为中强。
2、矿层厚度大，存在几个岩性段内。矿层岩石主要以各种炭质泥岩为主。泥岩具有吸水膨胀、分散的特性，易造成缩径和孔内固体物质（钻进产生的岩粉和泥岩水化产生的残渣）过多的现象。孔内岩粉过多影响钻头的使用寿命、磨损钻杆柱和扩孔器。
3、存在3个区域性的破碎带，分界面上的岩心不好采取，也容易造成孔迹偏斜。
4、第四系、砂岩上部风化层及破碎带在钻进过程中需要满足护壁堵漏的要求；各类炭质泥岩段钻进需要防止泥岩水化满足低失水量（<10ml/30min）的要求。
（二）孔身结构设计
根据地层情况，采用两种方案对比施工。1、Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆。2、Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆。目的在于进行对比分析摸清红砂岩地层钻探施工的最优方案，为后续施工积累现场经验并做工艺改进。
（三）钻进工艺及钻头的选择
全程拟采用金刚石绳索取心钻进工艺。钻头使用天津长发生产金刚石钻头：HRC25-30；金刚石目数60—80目，浓度75%。
（四）钻孔弯曲度的预防和控制
1、确保安装到位，保证“天车、回转器、孔口”三点一线。
2、确保钻具的同心度，弯曲的钻杆不得下入孔内。
3、扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器。
4、在地质部门告知的重要岩层分界面、预见矿位置、破碎带位置提前20m，适当的降低钻压、钻速和钻进效率。
（五）泥浆体系的选择
泥浆需要满足润滑护壁、堵漏、防缩径垮塌（降低失水量）三大功能。根据泥页岩地层施工经验，初步设计配比为：1000kg水+10.5kg植物胶+2kg纯碱+0.7kg防塌剂+0.5kg润滑剂
四、施工情况对比分析
（一）Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆方案施工主要问题：
1、泥浆携带岩粉的能力不足，孔内岩粉残留过多。
2、返上地表的泥浆中岩粉沉降不好。
3、钻头消耗过快，孔深500米内平均寿命约50m/个，孔深500米后平均寿命30m/个。说明孔内泥浆排渣（红砂岩分散产生的沙粒）能力不足，泥浆性能有待调整提高。
4、出现缩径、垮孔现象：在每次换钻头下钻后，钻具不能一次到底，需要扫孔，对新钻头的消耗大。随钻孔深度的增加，劳动效率、钻进速度明显降低，孔内事故风险增大。
（二）Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆施工出现的问题：
1、返上地表的泥浆中岩粉沉降不好。
2、Φ95绳索钻具起拔过程被膨胀的红砂岩夹紧，不便起拔。
现场解决方案：1、增大植物胶的用量至3%，同时延长循环水路加修2个小沉淀坑。岩粉携带能力提高，岩粉沉降效果提升。2、使用2台50T千斤顶顺利将Φ95绳索钻具全部取出。 （三）对比分析
1、从两套方案施工情况反应来看，泥浆体系调配不合理，存在同样的问题。需要改进泥浆配方。
2、方案一钻进情况说明在该地层使用优质泥浆采用裸眼钻进工艺，必须遵循快速通过，减少扰动的原则，一旦覆盖层过厚或孔深过深，反复起下钻后，施工强度、难度迅速增大，风险水平迅速提高，必须加强控制管理。此方案的优点是：节省了Φ95绳索取心钻具的配置和运输管理，减少了工艺流程，能够在一定范围内加快工程进度提高钻进效率。缺点是：泥浆体系需要时刻监控、测量，要随孔内变化增减泥浆物质用量，对泥浆调配人员技术水平要求较高；泥浆质量出现问题容易引起红砂岩层的不稳定反应造成孔内事故，随着孔深的增加劳动强度和操作风险明显增大。
3、方案二的优点：红砂岩层钻进速度快，穿越后Φ95钻杆兼做套管，后续工作较为简单，成孔风险小。缺点：需要配备大量Φ95绳索取心钻具、钻杆，设备成本高，损耗大；终孔后兼做套管的Φ95钻杆起拔困难，需配备工具起拔。
4、2种方案都需要优质的防水化+护壁+堵漏+低失水量效果的泥浆配合，也反映了在此矿区施工泥浆工艺是重中之重。
五、优化泥浆配方
由于植物胶易受温度影响，所以建议在500m以内地层使用。金刚石钻进易于选用无固相或低固相泥浆，在水敏性地层中可采用以下配方：
SH（植物胶）：水：钠土：火碱：Na-CMC = 1：100：5：0.08：0.3
注意：植物胶先配成浆，再加火碱，然后加钠土。这里只能用火碱不能用纯碱代替。
在500m以外的孔中可以采用PAM-KCl泥浆，它也是专门用于水敏性地层的配方：
泥浆体积比3%-5%的粘土 + 1.43-3.58kg/m3PAM（水解度30%，分子量300万以上） + 3%-15%KCl
六、结论
综合以上条件分析：在钻进深度500m以内地层时，适用于Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆的施工方案；在钻进深度500m以外地层时，适用于Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆的施工方案。
参考文献：
[1] 乌效鸣 胡郁乐 贺冰新 蔡记华编著.钻井液与岩土工程浆液.中国地质大学出版社。
[2] 鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学.中国地质大学出版社
[3] 高明.钻孔设计指示书
[关键词]钻探工程 红砂岩 泥浆 降失水
中图分类号：T2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0137-01
一、工程简介
本钻探工程位于江西省九江市某矿区，为探测红盆覆盖下炭质、泥质硅岩中铀、钒等多金属含量进行钻探工作。总钻探工作量4500米，水敏性红砂岩覆盖层厚度为230米-500米。施工主体方案为多层套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆护壁。
二、地质特征
（一）地层
区内大部分被新近系和白垩系红砂岩覆盖，仅在红砂岩边缘出露震旦系下统硐门组、南沱组。但根据以往钻孔揭露成果，白垩系红砂岩覆盖下存在含铀地层，即上震旦系-下寒武系碳硅泥岩。
（二）构造
1、断裂构造
断裂构造发育，区内有3条主干断裂（F1、F2、F3）。其中F1构造长约2km，宽约3～5m，倾向NW，倾角大于70°，构造面扭曲变形，对地层错动很大，构造成份与其切割的地层有关，表现为泥质、硅质岩破碎，并充填大量硅质脉，该构造使地层发生拖拽褶皱，地层产状变化较大。F2构造为NNE向构造，构造产状280°∠85°，长度大于400m，宽2m，构造两侧地层有错动，构造岩为泥质、硅质碎块，该构造被F2构造错动。F3纵贯全区，近南北向延伸，倾向西，倾角较陡，∠75°～∠80°，长2km～5km，主要表现为硅化角砾岩带及构造破碎角砾岩带，反映了构造的多期次活动特征。
2、层间构造
由于不同地层岩石物理性质的差异，在不同岩性接触部位，常易形成层间破碎带，区域内主要有：
（1）王音铺组底部第一岩性段（？1w1）与灯影组上部（Z2dn3）层间破碎带，该层间破碎带为区域性，在预查区内稳定发育。
（2）王音铺组第三层下部，中厚层炭质泥岩与中薄层炭质泥岩与薄层含硅炭质泥岩互层间的层间破碎带。
（3）王音铺组第四层（？1w4）与第三层（？1w3）之间层间破碎带。
上述三条层间破碎带，产状与地层一致，严格受层位控制，未见跨（小分）层或穿层产出。
三、施工组织
（一）地质信息分析
通过矿区地质特征的介绍可以研判出以下信息：
1、矿区岩石主要由各类砂岩（其中红砂岩占主导）、各种炭质泥岩、硅质白云岩构成，岩石多数致密、坚硬脆。岩石研磨性为中强。
2、矿层厚度大，存在几个岩性段内。矿层岩石主要以各种炭质泥岩为主。泥岩具有吸水膨胀、分散的特性，易造成缩径和孔内固体物质（钻进产生的岩粉和泥岩水化产生的残渣）过多的现象。孔内岩粉过多影响钻头的使用寿命、磨损钻杆柱和扩孔器。
3、存在3个区域性的破碎带，分界面上的岩心不好采取，也容易造成孔迹偏斜。
4、第四系、砂岩上部风化层及破碎带在钻进过程中需要满足护壁堵漏的要求；各类炭质泥岩段钻进需要防止泥岩水化满足低失水量（<10ml/30min）的要求。
（二）孔身结构设计
根据地层情况，采用两种方案对比施工。1、Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆。2、Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆。目的在于进行对比分析摸清红砂岩地层钻探施工的最优方案，为后续施工积累现场经验并做工艺改进。
（三）钻进工艺及钻头的选择
全程拟采用金刚石绳索取心钻进工艺。钻头使用天津长发生产金刚石钻头：HRC25-30；金刚石目数60—80目，浓度75%。
（四）钻孔弯曲度的预防和控制
1、确保安装到位，保证“天车、回转器、孔口”三点一线。
2、确保钻具的同心度，弯曲的钻杆不得下入孔内。
3、扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器。
4、在地质部门告知的重要岩层分界面、预见矿位置、破碎带位置提前20m，适当的降低钻压、钻速和钻进效率。
（五）泥浆体系的选择
泥浆需要满足润滑护壁、堵漏、防缩径垮塌（降低失水量）三大功能。根据泥页岩地层施工经验，初步设计配比为：1000kg水+10.5kg植物胶+2kg纯碱+0.7kg防塌剂+0.5kg润滑剂
四、施工情况对比分析
（一）Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆方案施工主要问题：
1、泥浆携带岩粉的能力不足，孔内岩粉残留过多。
2、返上地表的泥浆中岩粉沉降不好。
3、钻头消耗过快，孔深500米内平均寿命约50m/个，孔深500米后平均寿命30m/个。说明孔内泥浆排渣（红砂岩分散产生的沙粒）能力不足，泥浆性能有待调整提高。
4、出现缩径、垮孔现象：在每次换钻头下钻后，钻具不能一次到底，需要扫孔，对新钻头的消耗大。随钻孔深度的增加，劳动效率、钻进速度明显降低，孔内事故风险增大。
（二）Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆施工出现的问题：
1、返上地表的泥浆中岩粉沉降不好。
2、Φ95绳索钻具起拔过程被膨胀的红砂岩夹紧，不便起拔。
现场解决方案：1、增大植物胶的用量至3%，同时延长循环水路加修2个小沉淀坑。岩粉携带能力提高，岩粉沉降效果提升。2、使用2台50T千斤顶顺利将Φ95绳索钻具全部取出。 （三）对比分析
1、从两套方案施工情况反应来看，泥浆体系调配不合理，存在同样的问题。需要改进泥浆配方。
2、方案一钻进情况说明在该地层使用优质泥浆采用裸眼钻进工艺，必须遵循快速通过，减少扰动的原则，一旦覆盖层过厚或孔深过深，反复起下钻后，施工强度、难度迅速增大，风险水平迅速提高，必须加强控制管理。此方案的优点是：节省了Φ95绳索取心钻具的配置和运输管理，减少了工艺流程，能够在一定范围内加快工程进度提高钻进效率。缺点是：泥浆体系需要时刻监控、测量，要随孔内变化增减泥浆物质用量，对泥浆调配人员技术水平要求较高；泥浆质量出现问题容易引起红砂岩层的不稳定反应造成孔内事故，随着孔深的增加劳动强度和操作风险明显增大。
3、方案二的优点：红砂岩层钻进速度快，穿越后Φ95钻杆兼做套管，后续工作较为简单，成孔风险小。缺点：需要配备大量Φ95绳索取心钻具、钻杆，设备成本高，损耗大；终孔后兼做套管的Φ95钻杆起拔困难，需配备工具起拔。
4、2种方案都需要优质的防水化+护壁+堵漏+低失水量效果的泥浆配合，也反映了在此矿区施工泥浆工艺是重中之重。
五、优化泥浆配方
由于植物胶易受温度影响，所以建议在500m以内地层使用。金刚石钻进易于选用无固相或低固相泥浆，在水敏性地层中可采用以下配方：
SH（植物胶）：水：钠土：火碱：Na-CMC = 1：100：5：0.08：0.3
注意：植物胶先配成浆，再加火碱，然后加钠土。这里只能用火碱不能用纯碱代替。
在500m以外的孔中可以采用PAM-KCl泥浆，它也是专门用于水敏性地层的配方：
泥浆体积比3%-5%的粘土 + 1.43-3.58kg/m3PAM（水解度30%，分子量300万以上） + 3%-15%KCl
六、结论
综合以上条件分析：在钻进深度500m以内地层时，适用于Φ91开孔至完整基岩+Φ75绳索钻具钻进至终孔+ 化学泥浆的施工方案；在钻进深度500m以外地层时，适用于Φ110开孔至完整基岩+Φ95绳索钻具穿越红砂岩层并做保护套管+Φ75绳索钻具钻进至终孔+化学泥浆的施工方案。
参考文献：
[1] 乌效鸣 胡郁乐 贺冰新 蔡记华编著.钻井液与岩土工程浆液.中国地质大学出版社。
[2] 鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学.中国地质大学出版社
[3] 高明.钻孔设计指示书