兰渝铁路深孔隧道勘察碳质泥岩防塌孔钻井液技术.pdf

2 0 1 0年第 2 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 4l 文章编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 0 0 2 0 0 4 1 0 3 兰渝铁路深孔隧道勘察碳质 泥岩 防塌孔钻井液技术 郑 秀华 ， 王 军 ， 蔡福 民 ， 杨冬培 ， 张天 笑 1 ．中国地质大学 北 京 ， 北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．陕西省地矿局 西安地勘 院， 西安7 1 0 1 0 0 摘要 兰渝铁路深孔隧道勘察 B D S Z 一 2 5钻孔位 于西秦岭 北支海西褶皱 带， 地层为侏 罗 系前浅 变质的砂 岩、 碳质泥岩 ， 断层、 褶皱、 节理等构造发育。钻进过程 中塌孔、 缩径、 掉块等频繁 出现， 提下钻不畅， 岩芯 采取 率极 低 ， 严重影 响 了施 工进 度和 钻 探 质 量 。 同时 ， 铁 路 勘 察 要 求 不 能使 用水 泥 等材 料 封 堵 复 杂地 层 ， 以获取 真 实的工程／ 水 文地质 资料 。为 B D S Z 一 2 5钻 孔的碳 质 泥 岩 而研 究的 防塌 孔钻 井液成 套技 术 ， 解决 了上 述钻进 问题 ， 同时提 高 了钻进速 度 。 关键 词 碳 质泥岩 塌 孔 防塌钻 井液 中图分类 号 T E 2 5 4 ； U 4 5 2 ． 1 1文献标 识码 B 0 前言 在铁路跨越式发展的大好形势下， 许多铁路基建 项 目上马 ， 铁路设计任务非常饱满 ， 铁路钻探任务每年 都 高达百万 延米 ⋯ 。铁 路 勘察 特 点 比较 突 出 ， 钻 遇地 层复杂， 井壁坍塌 、 缩径和漏失严重等钻进问题时有发 生 。同时 ， 为 了满足 工程／ 水 文地 质资 料获取 与评 价要 求 ， 铁路 勘察 对复杂 地层 的处理 有相对 严格 的要 求 ， 如 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 7 - 2 0； 修回 日期 2 0 0 9 - 0 9 - 2 1 作者简介 郑 秀华 1 9 6 5 一 ， 女 ， 辽宁省康平县 ， 教授 ， 博士。 避免使用水泥封孔等。铁路钻探 的这些特点对钻井液 技术提出了新的要求 ， 采用先进的泥浆技术稳定孔壁 、 解决 漏失 等复 杂 问题 ， 保 证钻进顺 利 进行 ， 同时 提高勘 察质量， 提高钻进效率。 1 兰渝铁路深孔隧道勘察 B DS Z ． 2 5钻孔碳 质 泥岩坍塌机理 钻进过程中遇到 ①处于强地应力作用地区， ②倾 角大易发生井斜 ， ③厚度大的泥岩层， ④层理裂隙发育 或破碎 ， ⑤孔隙压力异常的泥页岩等复杂地层 ， 会造成 井壁失稳， 发生坍塌、 缩径 、 掉块和地层破裂等井壁失 3 对 于水平 近 接 隧道 ， 最大 地 表沉 降发 生在 两 隧 道 中心所对 应 的地表 处 ， 且 地 表 最大 沉 降 随 两 隧道 净 距 的减小而 增大 。 4 对于上下重叠隧道 ， 地表最大沉降发生在 2号 隧道上 方 ， 其 量值 随两 隧道 相对 位置 的变化 而变 化 ， 两 隧道水平间距越大 ， 地表最大沉降越小。 5 上 下重 叠 盾 构 隧道 施 工 对 地 表 沉 降造 成 的影 响大于水 平盾 构近接 隧道 。 6 为控制地表位移 ， 要严格控制施工措施 ， 同时， 施工过程中应加强对地表、 建筑物和邻近既有隧道的 监控量测。 参 考 文 献 [ 1 ] 周小文， 濮家骝， 包承钢．隧洞拱冠砂土位移与破坏的离心 模型试验研究 [ J ] ．岩土力学 ， 1 9 9 9 ， 2 0 2 3 2 - 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2 5钻孔 位 于甘肃省 彰县 与岷 县交 界处 木寨 岭处 ， 孑 L 口海拔 3 0 0 0 m左 右 ， 由陕西 省 地 矿局 西安 地 勘 院负 责施 工 。 区域 地 质 属 于 西 秦 岭 北 支 海 西 褶 皱 带 ， 断层 、 褶皱 、 节理等构造发育， 地层是侏罗系前浅变 质 的砂岩 、 炭质 泥岩 ， 表 1描述 了 B D S Z 一 2 5钻孔地 层岩 性及 钻进 问题 。 表 1 B D S Z - 2 5钻孔地层岩性及钻进 问题 以上分 析表 明 ， B D S Z ． 2 5孔钻 进 问题 突 出 ， 表 现为 漏失 、 坍塌 、 缩径 、 掉块 ， 钻进困难， 不能满足取心要求 。 其原因主要是 ①构造破碎， ②裂 隙发育， ③泥页岩水 化等 ， 造成 了井壁 失稳 。为 了满 足 铁路 隧 道勘 察 对 工 程／ 水 文地质 资料获 取与评 价要 求 ， 甲方 要求不 能用水 泥封孔。同时， 进行水泥封孔施工， 将增加钻探工作量 和钻探成本。最后 也是最重要的一点 ， 水泥封孔不能 彻底 解决 几乎近 于直立 的全 孔破碎 的碳质 泥岩钻进 问 题 。在这 种情况 下 ， 研 究 新 型 防塌 钻井 液 成 为解 决 问 题 的关键技 术 。 2兰渝铁路深孔 隧道勘察 钻孔碳 质泥岩 防塌 钻井液的研究 针对坍塌地层特点和坍塌机理 ， 防塌钻井液应具 有 以下 性能 1 强抑 制性 钻 井 液抑 制 性 强 ， 可 以 防止 或 降低 泥页岩 地层水化 膨胀 和分 散 ， 采 用无 机 钾盐 、 铵 盐 、 阳 离子 聚合物等处 理剂 可 以抑 制泥 页岩膨胀 ， 稳定孔 壁 。 2 好 的造壁 性 与封堵 能 力 对于 裂缝 发 育 的坍 塌 地 层 ， 在 井壁周 围形成 渗透率 接近零 的封堵 带 ， 将井 筒 中钻井 液与井壁 地层 隔 绝 的两 个 系统 ， 控 制 和减 少 钻 井 液滤液 沿微裂 隙侵入 地层 。利用 沥青类 和褐煤树 脂 类 等封堵 剂在近 井壁形 成致 密泥饼 ， 封堵地 层 ， 可 以达 到稳 定井 壁 目的 。 3 合适 的流 型和优 良的 流变 参数 钻 井 液流 型 和 流 变参数 对井壁 稳定和 携带岩 屑效果 有很 大影响 。钻 井液 具有合 适 的切力 ， 有 利 于钻 井液悬 浮 和携 带岩 屑。 将钻 井 液 的动 塑 比保 持 在 0 ． 3 6～ 0 ． 4 8 P a ／ m P a s时 ， 可 实现平板 型层 流 ， 用 较 低 的环 空 返 速 和较低 的黏度 有效 地携 带岩屑 ， 避免 了钻井 液 处 于紊 流 状 态时 对井 壁 的冲蚀 ， 有利 于保持井 壁稳定 。 4 合理 的密 度 合 理 的钻 井 液 密 度 ， 与合 适 的钻 井液 流型及 流变参 数 ， 规 范 的钻 井工程 措施 ， 确保在任 何工况下 ， 井底压力不低于地层坍塌压力， 维持地层力 学稳 定 。同时 ， 不 超过地 层 的破 裂压力 ， 避免 产生人工 裂缝 ， 造成 漏失 。 综 合上 述分 析 ， B D S Z 一 2 5孔 防 塌钻 井 液 研 究从 以 下几个方面人手 ①合理密度以维护井壁稳定 ， ②较低 失水 ， 减少滤液进入地层 ， 同时提高滤液矿化度， ③ 良 好的封堵能力， ④优化钻井液的流变特性， 保持良好的 携带岩屑能力 ， 降低激动压力。确定采用具有封堵能 力钻井液体系， 主要成分包括膨润土， 氯化钾 ， 钠羧甲 基纤维素 ， 水解聚丙烯酰胺和无渗透处理剂等。其中， 膨润土造浆 ， 为体系提供黏度和一定的密度 ； 氯化钾提 供钾离子 ， K 能够进入到黏土和页岩的晶层间， 使黏 土颗粒连接在一起 ， 从而降低页岩在水 中的分散作用 ； 钠羧 甲基纤维素 C MC - N a 起降低失水 的作用 ； 水解 聚丙烯 酰胺 P H P 对 泥页 岩 具有 包 被 作用 ， 可 以有效 抑制泥 页岩水 化 ； 无 渗透处 理剂 能够有效 封堵微 裂 隙。 通过实 验其 配 方 如下 4 ． 0 ％膨 润 土 3 ％ K C I 0 ． 2 ％ C MC N a 8 01 0 P HP1 ． 5 2 ． 0 ％ 无 渗 透 处 理剂 0 ． 3 ％ N a C O ， 。其性 能如下 i 密度 1 ． 0 5 g ／ c m ， p H 2 0 1 0年第 2期 兰渝铁路深孔隧道勘察碳质泥岩防塌孔钻井液技术 4 3 值 8 ， 失水 9 ． 6 m L ／ 3 0 mi n ， 表观黏度 2 5 ． 5 MP a s ， 塑性 黏度 1 5 MP a s ， 动切 力 1 0 ． 7 3 P a ， 六转 读 数 8 ， 三转 读 数 6 。该体 系具有 优 良的流变 特性 和封堵 能力 。 利用 F A无渗透钻井液滤失仪、 可视化渗透仪对 所研究 的钻井 液进行 了封 堵实验 。在 实验过 程 中可 以 清晰观察到流体在砂层 中的渗漏情况 ， 同时可以观察 到超低渗透钻井液体系在孔隙性地层 中的架桥行为。 F A型无渗 透钻井 液滤失 仪实 验结 果如表 2所示 ， 从 表 中可 以看 出无 渗透 处理 剂 对 于砂 床 有很 好 的封 堵 、 降 滤失作用， 能够实现无渗透。同时可知 中压砂床滤失 量与 A P I 失水量没有对应关 系， 砂 床滤失量不是时间 的平方 根 的函数 。每 次 做完 实 验 后 ， 将 钻 井液 换 成 清 水 ， 按同样的方法测定加入无渗透处理剂所形成泥饼 对清水的封堵能力。通过实验可知 ， 加人无渗透处理 剂 后 ， 加 压 7 ． 5 m i n形成 滤饼 能够 完 全封 堵清 水 ， 而 不 加 入无 渗透 处理 剂 时 ， 加 压 3 0 m i n形 成 的滤饼 不能 封 堵 清水 。 表 2 F A无渗透钻井液滤失实验 注 表 中基浆①配方 为 4 ． O ％膨润土 0 ． 2 ％C MC N a 8 01 0“ P HP0 ． 3 ％N a 2 C O 3 ； 基浆② 配方 为 3 ． O ％膨润土 0 ． 2 ％C MC - N a 8 01 0 P HP 0 ． 3 ％N a 2 C O 3 ， 实验中所用仪器为 F A型无渗透滤失仪， 加压 0 ， 6 9 MP a ， 所用砂粒粒径为 0 ， 2 51 ， 0 0 m m。 3 防塌钻 井液在 B DS Z- 2 5钻孔 的应用 B D S Z ． 2 5钻孔 于 2 0 0 9年 2月 1 1日开孔 ， 其 钻 孔 施 工情 况如下 第一 阶 段 ， 由于气 候 寒 冷 原 因 ， 施 工 环 境 等 ， 施 工用水 不 能保 证 ， 钻 孑 L 漏水 ， 封 孔 停 待 。采 用 微 泡沫 泥浆和 常规 泥浆 钻 进 ， 0～ 5 0 m 用 时 2 0 d 。第 二阶段， 穿透裂隙带 ， 封孔堵漏， 5 0～1 6 0 m用时 1 5 d 。 第三阶段 ， 钻进 1 3 5 m时， 遇到碳质泥岩 ， 断层发育 ， 孔 内情况复杂， 出现塌孑 L 、 缩径 、 掉块 ， 提下钻不畅， 岩心 采取率极低。常规泥浆钻进 ， 进尺缓慢， 每天 1 2 m。 使 用 中国地质 大学 北 京 研究 的 防塌 泥浆 方 案 ， 取得可很好的效果。金刚石复合 片钻进 ， 钻孔逐 步正 常。1 6 0～ 4 8 0 m钻进顺利， 机械钻速提高， 平均每天 进 尺 1 3 ． 3 m， 钻井 效率 提高 了 约 6倍 多 ， 直 至终 孔 ， 用 时 2 4 d ， 2 0 0 9年 4月 1 1日钻 孑 L 结 束 。第 四阶段 ， 孔 内 试验 ， 钻孔 质量好 。 在碳质泥岩 、 碳质板岩断层破碎带发育的地层中， 泥浆 方案为 水 1 m。 膨 润土 4 0 k g 无渗 透泥浆 处 理 剂 1 2 ． 5 k g氯化钾 3 O k g 广谱护壁剂 1 5 k g C MC 3 k g ， 泥浆性 能 密度 1 ． 2 2 g ／ c m ， 漏 斗黏度 3 2 s ， p H值 8 。 4结论与建议 兰渝铁路深孔隧道勘察碳质泥岩防塌钻井液研究 与应用表 明 ， 钻井 液是 构造 复 杂 、 地 层破 碎 、 裂 隙发 育 、 大段泥页岩层钻进 的关键技术 ， 不但可以解决坍塌、 缩 径 、 掉块等突 出问题 ， 还 可 以提高钻进速 度和钻探质量 。 本 文研究 的防塌 钻井 液 体 系 性 能优 良 ， 通 过 封堵 裂隙和无机盐的抑制特性共 同作用 ， 可以解决构造复 杂 的泥 页岩钻 进 问题 。 建议 ， 随着西部 开发进 程加 快 ， 地质 资源找 矿和工 程地 质勘 察钻 探量 增加 ， 研 究 先进 的钻井 液技术 ， 解决 复杂 地层 钻探 问题是 必要 的 ， 也 是 可行 的。 参 考 文 献 [ 1 ] 袁维瑜．当前 铁路 工程 地质 钻探 中常见 的几 个 问题 [ J ] ． 甘肃科技 ， 2 0 0 7 6 1 9 2 1 9 4 ． [ 2 ] 鄢捷 年．钻井液工艺学 [ M] ．北京 中国石 油大学 出版社 ， 2 0 06． [ 3 ] 徐 同 台， 崔 茂荣 ， 王允 良， 等．钻井 工 程井 壁 稳定 新技 术 [ M] ．北京 石油工业 出版社 ， 1 9 9 9 1 4 1 5 ． [ 4 ] 孙东 山， 左凤 江 ， 杨学梅 ， 等 ．超低 渗透 处理剂 的研制 与应 用 [ J ] ．钻井液与完井液 ， 2 0 0 7 4 2 1 2 3 ． [ 5 ] H o w s a m P ，H o l l a m b y R ． D r i l l i n g fl u i d i n v a s i o n a n d p e r m e a b i l i t y i mp a i r me n t i n g r a n u l a r f o r m a t i o n s[ J ] ． Q u a r t e r l y j o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Ge o l o g y ，L o n d o n ，1 9 9 0， 2 3 1 6 1 1 6 8 ． [ 6 ] 孙 金声 ， 林喜斌 ， 张斌 ， 等 ．国外超低 渗透 钻井液技 术综述 [ J ] ．钻井液与完井液 ， 2 0 0 5 1 5 7 ． 5 9 ． [ 7 ] 郑 秀华 ， 王军 ， 詹 美萍 ， 等．微 泡钻井 液在 岩心钻探 中 的多 重功效 [ J ] ．地质与勘探 ， 2 0 0 9 3 3 2 1 3 2 4 ． 责任 审编 赵其文