绳索取芯钻进中钻井液与套管护壁技术在破碎地层中的研究应用.pdf

铁道勘察 2 0 1 2年第 6期 文章编号 1 6 7 2 7 4 7 9 2 0 1 2 0 6 0 0 4 40 3 绳索取芯钻进中钻井液与套管护壁技术 在破碎地层 中的研 究应用 顾立刚 铁道第三勘察设计集团有限公司， 天津3 0 0 1 4 2 Th e Dr i l l i n g Fl u i d a n d Dr i v e p i pe Da d o Te c h n i q u e Ap p l i c a t i o n i n Ra v e l l y Gr o u n d Du r i n g t h e W i r e l i n e Co r i n g Dr i l l i ng Pr o c e s s GU Li g a n g 摘要大瑞线福星隧道深孔勘察钻进片岩及断层破碎带过程 中， 遇地层松散 、 易坍塌、 掉块 、 缩径 等问题 ， 采用低 固相钻 井液与井管护壁技术和金 刚石绳索取芯钻进工艺等综合 治理 ， 取得 了效率高、 成 本低 、 效益好 的成果。 关键词 隧道勘探断层破碎带钻井液井管 中图分类号P 6 3 4 ． 5 文献标识码B 大理至瑞丽铁路全长 3 5 0 k m， 由云南省大理 白族 自治州大理市漾濞县 、 永平县 ， 保 山市隆阳区 、 龙陵县 ， 德宏傣族 景颇族 自治 州潞西市 到达瑞 丽市。是我 国 中长期铁路网规划 中完善路网布局和西部开发性 新线项 目， 也是我国西南进出境通道 泛亚铁路 之一 的中缅 国际铁路通道的重要组成部分。该项 目投 资 1 4 7亿元， 按国铁 I 级单线、 电气化铁路标准修建， 设 计目标速度 1 4 0 k m ／ h ， 其 中隧道总长 占线路全长 的 6 6 ． 8 ％ 。 福星隧道进 口为大瑞铁路 的起点大理站 ， 出口为 西洱河特大桥 ， 隧道全长5 1 0 0 1T I ， 设计洞高 9 m， 洞宽 5 ． 5 I n。 大瑞铁路的建成将对云南 省经济社会发展 ， 开发 滇西矿产及旅游资源 ， 打通我 国通往印度洋周边 国家 的陆地大通道 ， 加快连接 中国、 东南亚 、 南亚三大市场 的独特区位优势， 改变云南处于全国综合交通运输体 系末梢的状况 ， 奠定云南成为我国面向东南亚 、 南亚对 外开放的枢纽地位， 提升云南在全国的经济地位具有 重大战略意义。 收稿 日期 2 0 1 20 91 3 作者简介 顾立刚 1 9 7 7 一 ， 男 ， 2 0 0 8年毕业于哈 尔滨 铁路工程学 院铁 道工程专业 ， 助理工程师。 1 大瑞线福星隧道地层概况 1 ． 1地质及地层条件 福星隧道地处横 断山脉西段点苍 山以西 大理州 下关市西南边 ， 山脉多呈北 西走 向， 地势 呈西高 东 低 。将 军 庙 以 西 是 区 内 最 高 点 ， 海 拔 高 程 为 2 7 8 0 ． 0 m， 测区西南边 的西洱河是 区内最低点 ， 海拔 高程为1 9 6 0 ． 0 m， 相对高差约 8 0 0 m。地形西南高东 北低 ， 属高原构造剥蚀中低山地貌。 区内地层 上部为侏罗系上统坝注路组砂岩夹泥 岩 ， 下部是下元古界沟头箐岩群黄龙潭岩组片岩、 变质 砂岩 。沟谷发育 ， 切割较深。主要河流有西洱河 ， 沟谷 有向阳箐 、 金星河等 ， 西洱河呈南西向穿越测区。区内 斜坡地表大部分植被发育 ， 仅在村镇附近有部分旱地。 在测区中部海拔1 9 6 0 2 0 3 0 1T I 高程附近 ， 有大保 高速及楚大高速通过， 大理一漾濞老 3 2 0国道由东而 西横 穿测 区， 交 通方便 。主要 岩石物 理性质 如表 1 所示。 1 ． 2 地层稳定性及影响钻进 因素 1 第四系及不稳定地层 第 四系主要为角砾土、 碎石 块石 土 Q 紫 红、 黄褐、 等色 ， 中密一密实。 上部基岩为砂岩夹泥岩， 紫红、 灰绿、 褐黄色等， 绳索取芯钻进中钻井液与套管护壁技术在破碎地层 中的研究应用 顾立刚45 细一粗粒结构 ， 薄一中厚层状 ， 节理发育。强风化层厚 3 0～7 0 m， 岩石破碎 ， 钻进过程中， 常导致孔壁坍塌 、 掉 块 、 缩径 ， 取芯困难。 下部基岩主要为片岩及变质砂岩 ， 深灰色、 灰绿色 夹紫红色， 片岩片理很发育， 片状、 砂状， 性脆， 受构造 影响， 岩体完整性及稳定性差 受外力作用后， 岩芯呈 片状、 砂状 ， 取芯 困难 。变质砂岩受构造影 响， 岩芯 呈块状 、 短柱状。 黄龙潭岩组地层钻进过程中， 常导致孔壁坍塌、 掉 块 、 超径 、 埋钻 、 断钻事故。 2 断层破碎带 测段属漾江中生代褶 断区之洱海深 大 断裂西 侧 ， 受区域构造影响 ， 区内次级断层及褶皱 构造较发 育 ， 次级断层 有深长村断层 、 天生桥断层和西 洱河断 层。断层破碎带较宽 ， 岩性主要为构造角砾岩 ， 胶结较 差 ， 岩芯破碎 ， 常发生卡钻 、 埋钻事故 。 2 钻进方法和钻孔结构 根据福星隧道地层特点 ， 第 四系和强风砂泥岩地 层必须采用与该地层相适应的泥浆护壁 ， 保证成孑 L 』 顷 利为前提， 采用 b 1 5 0 m m合金钻过第四系进入强风化 地层 ， 下入井管。改用 4 , 1 5 o m m P D C复合片钻头钻进 穿过强风化地层后下入技术套管 1 4 6 m m护壁 ， 改用 P Q 1 2 2 mm 金刚石绳索取芯钻进至相对完整岩层或 穿透断层破碎带后 ， 下入 P Q钻杆 留作 护壁管 ， 改用 H Q 9 6 m m 金 刚石绳索取芯钻进 至终孔 ， 留 N Q 7 6 m m 口径作为储备， 钻孔结构及井管程序如图 1 。 3不同孔段钻井液的配置与使用 根据地层情况和钻进工艺 ， 所配置的钻井液应具 有携带和悬浮岩屑、 润滑钻具 、 稳定孑 L 壁 、 平衡地层压 力等功能 ， 防止孔壁垮塌 、 掉块 、 缩径现象发生 。 3 ． 1 砂 泥岩地层浆液配方 可选用较为廉价的无固相冲洗液或不分散低固相 泥浆， 钻井液中加少量 K C I 。K C I 的作用主要是抑制 砂泥岩 的水化膨胀 ， 防止孔壁缩径。 性能要求 密度 1～1 ． 0 2 g ／ c m ； 漏 斗黏度 1 7～ 1 8 s ； 表观黏度 2～ 4 MP a s ； 流性指数 n值 0 ． 8～1 ． 0； 1 一导流盖 2 一补浆管 3 一塞线 4 第四系黏土层 5 一技术套管 6 一砂泥岩 7 一泥浆 8 一P Q 套管 二 量 变亟 堂 1 O 一管靴U 型密封圈 图 1 钻孔结构 失水量 保持 0 ． 6 9 MP a压 差。对 于 泥浆 ≤1 5 mL ／ 3 0 m in ， 对于无固相聚合物冲洗液， 可以是全失水， 但岩样 浸泡时间应 比泥浆长 ； p H值 8 ． 5～ 9 。 l 号低 固相配方 黏土 2 02 5 k g 碳 酸钠 0 ． 30 ． 6 k g N a C MC 2 3 k g K P共聚物 4 k g 水解 聚丙烯酰胺 P H P 适量 2号无 固相配方如表 2所示 。 表2 2号无固相配方 注 K C 1 在钻进含黏土矿物的水敏性地层 时加入 ， 乳化油 在高转速 金 刚石钻进时加入 ， 其他情况 下可不加这 两种成分 。聚合物钾 盐是防 塌剂 ， 有一定降失水和增黏作用。 3 ． 2 片岩、 变质砂岩地层无固相钻井液配方 D WYU型 无 固相 冲 洗 液 聚 乙烯 醇 P V A 为 0 ． 5 ％ ～1 ． O ％ ； P HP为 0 ． 0 5 ％ 一 0 ． 1 5 ％ ； 交联剂一 A为 0 ． 0 2 ％ ～ 0 ． 0 3 ％ ； 交联剂一 B为 0 ． 0 8 ％ 一 0 ． 1 5 ％。高 转速钻进时可加入乳化油作润滑剂。 3 ． 3 下井管前固井液配置 钠土 2 0 2 5 k g 广谱护壁剂 G S P 4～ 6 k g 植 物胶 S D一2 3～5 k g N a - C MC 3 k g K P共聚物 铁道勘察 2 0 1 2年第 6期 4 k g 。 固井液性能 密度为 1 ． 1～1 ． 1 8 k g ／ L ； 失水量 6～ 8 mL ／ 3 0 ra i n ； 黏度 3 0 3 3 s ； p H值 8～9 。 3 。 4 钻井液配置应注意事项 1 钻井液处理剂必须采用分别溶解 ， 分别水化 ， 搅拌均匀 ， 按照先无机物后有机物 ， 先小分子量后大分 子量的顺序依次加入。 2 黏土的水化 在容器 中先加入清水 ， 在搅拌过 程中逐步加入钠土搅匀 ， 摆放浸泡 5 h待用。 3 植物胶的溶解 容器 中先加入清水 ， 再加入一 定量 的 N a O H控制水中的高价离子 ， 促进植物胶溶解 。 加入植物胶后搅拌均匀， 摆放 5 h再加入泥浆中。 4 交联剂 A、 B分别使用容器溶解备用。 5 水 解 聚 丙 烯 酰 胺 将 H P H 粉 末 按 水 解 度 3 0 ％ 、 浓度 0 ． 8 ％配置成液体。使用时从井 口回浆处 缓慢滴加 ， 总量控制在 0 ． 2～ 0 ． 5 k g ／ I n 。 ， 过多会导致钻 井液水解分离。 水解聚丙烯酰胺作用是对钻井 液进行 选择性絮 凝， 使钻屑和劣质土絮凝沉淀、 排除， 从而维护钻井液 的性能。 6 聚乙烯醇 容器中先加入清水 ， 再加入聚乙烯 醇后搅拌搅匀 ， 待其溶解 。 3 ． 5 钻 井液 的维护 根据调整 的 目的和要求 ， 确定调整方案。如泥浆 因固相含量高而引起黏度、 切力增高， 可选取加入低固 相泥浆或加水和降失水剂的调整方案。 按调整方案进行调整试验。取一定量 常取 1 L 的冲洗液 ， 加剂处理和测试性 能， 直到性能达 到要求 时 ， 得 出处理 1 L原浆需要各处理剂的加量 ， 再计算需 调整性能的冲洗液量和所需处理剂量。 4 井管护壁 钻进过程中一般使用上述浆液配方均能得到较好 的效果 ， 但遇断层破碎带时， 因裂隙发育， 钻井液漏失 严重 ， 堵漏难度较大 ， 漏失以后给上部采用泥浆护壁孔 段的稳定性影响很大 ， 所以钻进至断层破碎带地层后， 下入井管护壁隔离是最好的办法 。 井管下入后 ， 该段相对密封 ， 孔壁得不到钻井液补 充 ， 施工一段时间后 ， 原存入井管与孔壁 中的钻井液会 变化和遗失 ， 成为空隙， 失去压力平衡。钻进时钻杆柱 对井管的震动和敲击会同时震动孔壁 ， 造成井壁垮塌 ， 夹包井管 ， 终孔后套管起拔困难。 井管护壁可靠 ， 效果好 ， 但起拔井管难度较大 ， 常 常造成大量套管遗留孔 内， 成本较高。解决办法有 ①对下入井管相对密封段用原配方 的浆液通过图 1中的 2补浆管进行 回补 ， 保持该孔段压力平衡 。 ②采用提动循环法， 调整钻井液性能， 保持浆液畅 通 ， 形成胶液体 。用主动钻杆对上井管 8 ， 使管靴 u型 圈 1 0上升 0 ． 4 m， 开动泥浆泵循环浆液 ， 每 7 2 h循环 一 次 ， 每次 1 5～ 2 0 mi n 。 5 低固相泥浆与井壁应用效果 该隧道共施 工钻孔 4孔 ， 2孔采用清水钻进 ， 2孑 L 应用低 固相泥浆与井管护壁工艺方法。在解决破碎地 层及断层破碎带钻进过程中， 低固相泥浆与井管护壁 工艺方法与使用清水钻进套管护壁相比， 具有台效高 、 事故率低 、 井管损耗小 、 成本低 、 经济效益高 等特点。 特别是 D WY一Ⅱ型无 固相 冲洗液具有很强 的胶结岩 石性能， 解决了绳索取芯钻进曾无法通过的坍、 掉、 漏 地层的钻进护壁与取芯问题。在坍 、 漏层交替出现 的 钻孔中， 用该冲洗液钻过坍塌层后， 下人套管护壁再钻 进， 能顺利钻完钻孔 ， 岩芯采取率由不足 5 0 ％提高到 9 5 ％ 以上 。 福星隧道各孔经济、 技术指标见表 3 。 表 3福星隧道钻孔主要经济技术指标对 比 6结束语 冲洗 液性 能是 解决 复 杂地 层钻 进成 孔 的关 键 因素。 钻孔结构要选择合理， 根据该隧道地层特点， 断层 破碎带较厚 ， 下入套管后 ， 改用 P Q、 HQ绳索取芯钻进 方法 ， 是解决上部破碎地层成孔的关键。 多级套管护壁能提高成孑 L 率 ， 但 回收风险高。利 用提动循环法， 保证了套管回收率， 降低了施工成本。 参考文献 [ 1 ] 中铁第一勘察设计院集团有限公司． 铁路工程地质手册[ M] ． 北 京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 7 [ 2 ] T B1 0 0 1 4 - - 9 8 铁路工程地质钻探规程 [ S ] [ 3 ] 马洪伟． 碎石类土地层钻探 的钻进 方法[ J ] ． 铁 道勘察 ， 2 0 1 2 5 4 95 O f 4] G B 5 0 0 2 1 --2 0 0 1 岩土工程勘察规范f S ]