龔恩德，鄧祖保，張正

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽合肥 230011）

0 引言

在鉆探施工中，可能鉆遇坍塌掉塊、縮徑、超徑、漏水、涌水等復雜情況的地層，且通常多種問題并存。在鉆遇涌水地層時，地層中的涌水會不斷稀釋循環(huán)泥漿，破壞泥漿性能，最后形成“清水”鉆進[2]。涌水鉆孔不僅會增加維護泥漿的工作量，且增加了處理劑的成本投入[3]。在地層復雜的鉆孔中，泥漿性能變差還會影響孔眼清潔，導致孔壁失穩(wěn)，從而引發(fā)一系列的孔內事故[4-6]。涌水量過大時還會造成內管投放困難[7]，降低巖心采取率[8]，嚴重時甚至影響機臺地基穩(wěn)定[9]。因此，調配并維持合適性能的泥漿有其必要性。

對于涌水嚴重的鉆孔，一般采取下套管阻隔或漿液封堵等方法止涌。對于涌水量不大，但在較深孔段有多處涌水點的鉆孔中，如果采取下套管阻隔，不僅施工成本上升，而且無法一次性止涌。在小口徑繩索取心鉆孔中，如果采取水泥封堵，水泥固結后，在鉆進過程中易被鉆具敲打破壞，封堵效果有限，此時通過泥漿工藝進行處理更加經濟高效。

1 工程概況

1.1 項目概況

某礦區(qū)勘查鉆孔施工項目，設計孔深580 m，要求全孔連續(xù)取心鉆進，取心鉆進口徑不小于Φ76 mm。實際施工為581.46 m，開孔采用Φ110 mm 鉆具鉆進，下入Φ108 mm 表層套管，換Φ95 mm 繩索取心鉆具取心鉆進至71.53 m，下入Φ89 mm技術套管，換Φ76 mm繩索取心鉆具取心鉆進至581.46 m。

1.2 地層概況

鉆孔位于廬縱火山巖盆地北東部邊緣，西鄰郯廬斷裂帶[10]，礦區(qū)斷裂構造發(fā)育，地層較為破碎，施工地質條件復雜。地層自上而下依次為第四系（Q）、下白堊統龍門院組（K1l）、中三疊統銅頭尖組（T2t）。鉆探實際揭露地層主要巖性如下：

（1）0～17.57 m黏土夾碎石；

（2）17.57～564.31m 角礫粗安巖、角閃粗安巖、凝灰?guī)r；

（3）564.31～580 m粉砂巖、細粒石英砂巖。

鉆孔結構如圖1所示。

圖1 鉆孔結構圖Figure 1. Borehole structure

2 鉆孔涌水情況

鉆孔在103 m 以深地層經觀測發(fā)現，泥漿損耗開始減少，泥漿稀釋嚴重，甚至泥漿池中泥漿開始增加，判斷孔內輕微涌水。

沖洗液循環(huán)一周的時間的計算公式如下[11]：

根據公式（1）~（3）推導出：

式中：T1為沖洗液下降時間，min；T2為沖洗液上返時間，min；T為沖洗液循環(huán)一周時間，min；Q涌為涌水量，L/min；V環(huán)為鉆桿與孔壁環(huán)狀空間容積，L；Q泵為泥漿泵量，L/min；V桿為鉆桿柱容積，L。

計算涌水量約為2.4 m3/d。涌水量雖不大，但對于該孔泥漿循環(huán)總量來說，已足以嚴重影響泥漿性能，威脅孔內安全，而且地層中隨涌水涌入的細小砂粒可能引起繩索取心鉆具內管卡死，導致難以打撈。

3 涌水原因分析

龍門院組含水層富水性強，主要為火山碎屑巖及熔巖類裂隙孔洞水，且地層裂隙發(fā)育帶及破碎帶節(jié)理發(fā)育，裂隙呈網狀密布，連通性好[12]。發(fā)生涌水時，對比巖心情況發(fā)現，103 m以深地層為碎裂粗安巖，裂隙較多，與含水層存在導水通道，由于泥漿密度低，地層裂隙壓力與孔內泥漿液柱壓力形成壓差，導致孔內涌水。

4 處理方法

鉆孔上部20～70 m孔段有多層凝灰?guī)r及破碎帶，已下入Φ89 mm技術套管，根據以往施工經驗，鉆孔下部孔段還存在多個涌水點，且考慮涌水量不大，從經濟效益綜合考慮，采取調整泥漿工藝的方法進行處理。

4.1 提高泥漿密度平衡地層壓力

涌水前池中泥漿配方：

清水+3%膨潤土+4%~5%純堿（膨潤土質量）+0.5%KPAM（聚丙烯酸鉀）+0.3%~0.5%CMC（羧甲基纖維素）。

泥漿性能參數：密度為1.04 g/cm3，漏斗黏度為23~26 s，pH 為9.5，失水量為7～10 mL/30 min，泥餅厚度為0.5 mm。

涌水后測試發(fā)現，泥漿密度不斷下降，黏度降低，失水量上升，性能破壞明顯。

現場利用壓力表測得地下水在孔口處壓力為0.06 MPa，計算平衡地層壓力所需泥漿密度可根據下列公式[13]：

式中：Y為平衡地層壓力所需泥漿密度，g/cm3；H為涌水層距孔口垂直距離，m；ρ1為當前泥漿密度，數值為1.04 g/cm3；P為孔口壓力，MPa。

計算得出Y為1.10 g/cm3。泥漿中的固相顆粒在回轉離心力的作用下，在鉆桿內壁不斷附著和沉積，形成延伸式結垢，影響打撈器和內管總成運行[14]，因此繩索取心鉆進通常采用無固相或低固相泥漿，泥漿密度一般不大于1.06 g/cm3。現場決定先將密度逐步提高，根據涌水情況變化，再采取處理措施。

泥漿配方：清水＋10%膨潤土＋4%～5%純堿（膨潤土質量）＋0.5%KPAM（聚丙烯酸鉀）＋0.3%～0.5%CMC（羧甲基纖維素）＋1%T-80（乳化劑）。

處理后泥漿性能參數：密度為1.08 g/cm3，漏斗黏度為29 s，pH 為8.5～9.0，失水量為6.7 mL/30 min，泥餅厚度為0.4～0.5 mm。

處理后涌水量得到有效控制，約為0.3 m3/d。

4.2 直接調節(jié)凈化后的池中泥漿頂涌鉆進

受涌水影響，泥漿池出現越打越滿的情況，再配置新漿會增加廢漿的處理壓力，且泥漿密度提高后鉆桿已經出現輕微結垢現象，從鉆進安全和鉆進效率等綜合考慮，不再繼續(xù)提高泥漿密度。

在提高泥漿密度后，涌水量已經有所控制，隨著鉆孔加深，孔內容積不斷增加，加上正常泥漿損耗，也抵消了一部分涌水量。因此現場采取方法為：排出一部分沉淀池上部被稀釋的泥漿，維持池中泥漿總量的平衡，然后抽取泥漿池中凈化后的泥漿直接添加泥漿處理劑，并適當增加CMC（羧甲基纖維素）以及PAC-141(包被劑)的用量，以降低涌水對泥漿性能的劣化影響。

現場泥漿配方為：

破碎地層：池中泥漿+0～8%膨潤土+1%高黏防塌劑+0.5%～1%PAC-141（包被劑）。

處理后泥漿性能參數：密度維持在1.06～1.07 g/cm3之間，漏斗黏度為25～28 s，pH 為8.5～9.0，失水量為6～8 mL/30 min，泥餅厚度為0.4～0.5 mm。

相對完整地層：池中泥漿+0 ～4% 膨潤土+0.6%CMC（羧甲基纖維素）+0.5%PAC-141（包被劑）。

處理后泥漿性能參數：密度維持在1.06～1.07 g/cm3之間，漏斗黏度為21～24 s，pH 為8.5～9.0，失水量為8～11 mL/30 min，泥餅厚度為0.5 mm。

5 處理方法及應用

現場先通過適當提高泥漿密度抑制涌水量，再通過直接抽取池中凈化后的泥漿代替清水進行攪拌，保障了該孔安全快速終孔。這種處理方法的好處有：

（1）切實有效地抑制了涌水。

（2）在起到止涌效果的同時，也避免了因膨潤土加量過多導致鉆桿內壁結垢的情況。

（3）減少了廢棄漿液的排放和處理。通過加入新泥漿調整原泥漿性能和涌水必然增加循環(huán)的泥漿體積，而增加出來的體積又需要通過排出性能已被破壞的泥漿來平衡，排放和處理泥漿不僅增加了工作量，而且還需要更多泥漿池或泥漿罐，使成本上升。

（4）減少了處理劑的浪費。涌水雖然破壞了泥漿的性能，但是并未導致泥漿中材料的降解或失效，排放的泥漿越多等于是浪費了越多的處理劑。

當然，該方法在應用中也存在一些問題：在正常攪拌泥漿時，很多處理劑需要按一定先后順序來添加。而池中的泥漿雖然已經被地層涌水所稀釋，但始終不是清水，其中含有各種之前添加的處理劑，對于原本泥漿黏度就很高的泥漿，雖然經過凈化，但再用來加入黏土攪拌時，黏土粉難以攪拌均勻，無法利用。

6 結語

（1）抽取凈化后的泥漿調節(jié)性能頂涌鉆進，實際使用效果良好，能夠適用涌水量較少的地層。

（2）對于采用繩索取心鉆進工藝的鉆孔通過調整泥漿密度平衡地層壓力來進行止涌，對比下套管阻隔或漿液封堵等方法止涌，有更好的經濟效果。

（3）對于不同的復雜地層，還應根據實際情況一孔一策，靈活采取技術措施。