破碎坍塌漏失地层施工措施

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  【摘 要】 通过对甘肃省平凉至武都高速公路第CWST3合同段勘察项目钻探施工中遇到的复杂地层情况进行分析,解决了项目中破碎漏失地层施工难点问题,介绍了该地区地层特点、钻孔结构、钻井液类型、护壁堵漏技术的应用等,保证了该地区钻探施工的顺利实施。
  【关键词】 高速公路隧道勘察;钻探;破碎漏失地层;钻井液;护壁堵漏措施
  一、工程概况
  甘肃省平凉至武都高速公路是甘肃省高速公路网规划的一条南北纵向线,该线北起平凉市四十里铺与青岛—兰州、福州—银川、连云港—霍尔里斯、十堰—天水等国家高等级公路相连接,止于武都西,是甘肃南部经济带的公路运输大动脉。线路设计分为三个合同段,我队施工段为第CWST3合同段,里程桩号K60+500,起点位于甘泉乡朱家沟,途径安化镇柏林乡、马街镇。最后以隧道群穿越石坪里、姜家山和上没水山止于武都西,两水镇桑家湾村,终点桩号89+485全线长28.985KM。
  1.地层情况
  该地层为第四纪冲洪积卵石、漂石和砾砂,泥质堆积覆盖风化黄土的陆湖相沉积地层厚度为10~21.5米,灰岩厚度为53.5~263米,泥岩厚度为30~163米,页岩厚度为20~132.65米,由于岩石破碎、裂隙溶洞发育,地下水与钻孔冲洗液之间的压差影响;在岩层裂隙愈发育、连通性越好的地层、漏水越严重,反之,漏水则轻。本地区岩层属于漏水严重岩层,钻探无法正常施工。
  2.钻探施工难点
  由于是隧道孔勘察施工,钻孔定位则正常定在断裂构造带上。第四纪胶结性非常差,结构松散,钻进时孔壁极易坍塌,很难形成孔眼,且漏失严重;灰岩地层破碎,裂隙溶洞发育,而且孔段长、点多、面广,漏失性质确定困难,堵漏施工难度大,处理时间长;页岩很容易发生水化膨胀,扩径,而且泥岩砂岩之间交替频繁,形成大小不等的孔径,形成糖葫芦串井眼,轻者易造成取芯困难,重者会造成卡钻、埋钻等复杂事故。
  3.破碎漏失地层施工措施
  3.1合理设计井深结构:
  合理设计钻孔结构,对胶结性差,漏失、垮塌程度不同的地层,分别用表层套管、技术套管封隔,以减少上部地层复杂情况对下部施工的影响,这是顺利钻进完成钻孔的技术关键,也是直接影响钻探效率和成本的关键。
  3.1.1对结构简单、钻孔较浅岩石比较完整的钻孔,一般选用2~3级钻孔结构,下1~2层技术套管来防护。如采用一级孔径Φ130mm,二级孔径Φ110mm,三级孔径Φ91mm的钻孔结构。
  3.1.2对上部比较复杂,钻孔较深,岩石破碎或存在灰岩,裂隙发育,有溶洞的钻孔,一般选用4~6级钻孔结构,利用技术套管将上部复杂地层隔离后,用Φ75钻具钻进至终孔层位。即一级孔径Φ170mm,二级孔径Φ150mm,三级孔径Φ130mm,四级孔径Φ110mm,五级孔径Φ91mm,六级孔径用Φ75mm终孔。
  3.2优选钻井液
  钻井液是钻探的血液,是保证钻探技术能否顺利应用的关键技术,针对平凉至武都高速公路地层及岩石情况,又能满足复杂地层护壁要求的需要,我们经过多次试验,最终选择了无固相钻进液、低固相钻进液及磺化沥青防坍塌事故钻井液进行钻探。
  3.2.1无固相钻进液:与清水相比,无固相钻进液具有较好的携带和悬浮岩粉的能力,有较好的润滑和减阻作用,而且配制简单、成本低,钻进效率高等特点。主要用于较完整地层,无固相钻进液是在清水中添加聚丙烯酰胺(PHP)。配比附表1
  3.2.2低固相钻进液:以优质钠膨润土为基本造浆材料,添加适量的处理剂调整性能以适应高转速和护壁需要,适应于破碎带、岩石胶结性差的泥岩、泥质砂岩等遇水膨胀、坍塌水敏性地层。配比附表2
  3.2.3磺化沥青防坍塌钻井液:磺化沥青是钻井液处理剂中很强的一种页岩抑制剂,能阻止页岩水化膨胀和分散,封堵裂缝,防止孔壁剥落性坍塌。主要作用泥页岩微裂缝及破碎带的封闭,而起防塌作用,并有较好的润滑能力和降滤失能力,在破碎地层、页岩、泥岩等易塌地层,采用磺化沥青钻井液护孔,具有较好的防塌护壁效果。配比附表3
  3.3护壁措施
  3.3.1轻微坍塌:循环槽内可见上部地层的碎块、颗粒,起下钻时遇阻或下不到孔底,必须扫孔方能到底,钻具转动时有阻力,可确定为轻微坍塌。这类地层,一般采用优质泥浆冲孔护孔,泥浆比重应比正常钻进的高,使泥浆液柱压力能平衡地层压力或稍大于地层压力;同时,应尽量缩短钻进时间,避免孔壁受冲洗液浸泡时间过长。
  3.3.2中等坍塌:循环槽内:出现较多上部地层的碎块、颗粒,冲洗液循环时泵压升高或蹩泵,提钻时阻力大,下钻时“搁浅”,多次扫孔才能到底,确定为中等坍塌。此类地层在优质泥浆护孔无效的情况下,可酌情采用泥球护孔或水泥浆液护孔。
  3.3.3严重坍塌:泵压猛增,冲洗液循环停止,钻具往往被埋在孔内,造成孔内事故,可确定为严重坍塌。当孔壁坍塌掉块现象十分严重,采用投泥球、水泥浆液护孔均无效时,可用套管护壁。
  3.4堵漏措施
  该地区漏失情况复杂,段长、点多,多数钻孔在开孔就漏水,乃至全孔段漏水,应根据不同漏水孔段采取相应的措施方法。但是,在孔口不返水、顶漏钻进时,要密切注意水泵的工作情况,时刻观察泵压、柴油机声音等情况来判断是否有不正常的情况,以免发生烧钻事故。
  3.4.1轻微漏失:钻孔能保持冲洗液循环,但是孔口返水量小于送入孔内的水量。,一般不必专门采用堵漏措施。顶漏钻进或优质泥浆冲孔并不断调整泥浆的性能来解决。如降低泥浆比重;提高粘度和切力;或在泥浆中加入少量惰性物此类地层多属渗透性漏失质(例如细锯末)等。
  3.4.1.1增加泥浆粘度、降低密度、降低失水量,减少对漏水地层压差,在轻微破碎地层的泥浆漏失处形成泥皮,达到阻塞泥漿漏失通道,保证正常钻进的方法。具体采用无、低固相钻进液。   3.4.1.2针对无、低固相钻进液无法使用时,采用膨润土和锯末制备一定数量的粘土球,配比按粘土和锯末搅拌到一起能搓成球就行,锯末要求细不堵泵为原则,提钻后将粘土球投入到孔内,投入粘土球时要慢慢投,不能投的太快,防止架桥,投的粘土球要超过初始漏失处2~3m,然后下钻具,底口要用脑袋堵死,拉动钻具上下捣,把粘土球捣挤入到破碎漏水岩石裂隙中,捣实后采用小泵量、泵压钻进扫孔至原孔底后方可正常钻进。
  3.4.2中等漏失:钻孔冲洗液的循环已经停止,孔口不再返水,但孔内仍保持有一定的液面高度。此类地层多属裂隙及溶洞漏失,按程度不同可分别采用石灰泥浆、水泥泥浆或粘土球与纤维物、水泥浆液、化学浆液等进行堵漏处理。
  采用膨润土、水泥、锯末制备一定数量的水泥粘土球或泵送浆液。泵送浆液锯末要求细不堵泵为原则,配方:膨润土4~6%、锯末3~6%、水泥(根据密度需要加),浆液密度1.5~1.7 g/cm3,孔内停待12h后扫孔。膨润土、水泥、锯末搅拌到一起能搓成球就行,提钻后将粘土球投入到孔内,投入粘土球时要慢慢投,不能投的太快,防止架桥,投的粘土球要超过初始漏失处2~3m,然后下钻具,底口要用脑袋堵死,拉动钻具上下捣,把粘土球捣挤入到破碎漏水岩石裂隙中,捣实后停待6小时进行扫孔,扫孔前要调整泥浆性能,泥浆密度控制在1.02 g/cm3、粘度控制在25秒,采用小泵量、泵压钻进扫孔至原孔底后方可正常钻进。
  3.4.3严重漏失:送入孔内的冲洗液,全部渗漏到地层中去,整个钻孔内无冲洗液保存,或只保存有很小的液面高度。这类地层是一些大裂隙、大溶洞地层。对付这类地层,在水源充足、孔内条件允许(上部岩层稳定)的情况下,可以清水
  冲孔顶漏钻进,清水钻进过程中发现孔内沉渣多每班用优质泥浆冲孔一到二次,如果有探头石、掉块、卡钻必须立即提钻封孔。封孔方法采用布袋灌注水泥法、套管堵漏法(孔较浅时用)等进行处理。
  采用水泥、水玻璃混合浆液作为封孔材料封孔作业,封孔技术要点如下:
  1、穿过漏失地层后或漏水地层很厚要保证孔内沉渣不超过0.5m,如沉渣过多要带取粉管或专门下钻清渣,然后进行封孔作业,特殊情况直接进行封孔。
  2、在封孔之前要进行水泥浆与水玻璃量的配比实验,根据实验结果确定水泥浆与水玻璃量的配比和初凝、终凝时间;
  3、检查水泵、管道,保证水泵性能完良好和管道畅通;
  4、采用搅拌桶按一定比例配制水泥浆,并加入水玻璃。水玻璃加量经验值是水泥浆量5%~10%,在封孔前一定要做配比试验,以实验数据为准;
  5、钻具提离孔底1~2m,首先用清水冲孔到底;
  6、然后把按一定比例配制好混合浆液用泵通过钻杆送入孔内漏失地层,边送浆边提钻具,抓紧时间,防止钻具被凝固到孔内;
  7、钻具提出来后要立即用清水清洗钻具和水泵管道;
  8、停待一定时间待封孔浆液凝固,停待时间以浆液配比试验终凝时间+ 4h,停待时间到达后方可进行扫孔钻进。
  9、重新下钻扫孔,宜轻压慢转,小泵量、控制进尺为宜。穿过封孔孔段后方可进行正常钻进;
  3.5破碎漏失地层钻进注意事项
  1、配制流动性能好的泥浆,保证泥浆性能。
  2、控制提下钻速度,防止抽吸作用造成孔壁坍塌掉块,提完钻具后立即将性能优良的泥浆往孔内回灌,保持孔内地层压力平衡。
  3、使用双管单动钻具时要调整好钻头与内管卡簧座水口间隙控制在3-4mm,防止岩心堵管时憋泵。
  4、钻进时通过钻压、转速、泵量、泥浆性能指标等参数的调节,来控制钻进成孔速度,防孔斜、防缩径等,
  5、钻具逢堵必提,不打懒钻,以防出现烧钻事故。
  4.应用效果分析
  该项目共施工7孔,完成工程量2405.63m,孔深在121~524米之间,2/3的钻孔都漏水,漏水量有大有小,漏水量最大的钻孔是樊家山ZK01孔,达到60L/min。在施工过程中,我们经过摸索、总结、针对不同漏水地层,分别采用顶漏钻进、粘土球、水泥堵漏等施工措施,克服了漏水施工的重大难题,完成了钻探生产任务。大大地缩短了施工工期,降低了成本,取得了较好的效果,保证了钻孔施工质量,各项指标满足地质设计要求,获得较好的经济效益和社会效益,受到业主的好评。
  5、认识和建议
  1、由于复杂漏失地层较厚、段长、点多,有的钻机在施工中见漏就堵,堵了钻进时有漏,漏失后又再堵,重复钻探与堵漏工作,反复处理,占用了较多的时间,浪费很多的堵漏材料。所钻进尺都不多,效率极低。建议在见漏后要尽量顶漏钻进,或加深漏失孔段,以减少堵漏次数,达到缩短堵漏的时间,减少堵漏材料的浪费。
  2、孔身结构上有的钻孔不合理,不能千篇一律,增大施工的复杂性。在钻探施工前,一定要分析所钻钻孔的地质构造和地层特征,充分结合已施工的钻孔经验,有针对性的采取一些有效的技术措施,制定符合于本孔的钻孔直径结构,以提高钻进效率。
  3、在扩孔方面,建议一定要按扩孔钻具的有效组合使用,下部导向的直径要合理,上部的导向管总长至少要达到6~8m,以保证所扩孔孔径能顺利下入套管。
  4、在钻井液的选型和使用上:一定要根据地层岩性特征和构造破碎程度、厚度等因素,选择钻井液类型(或配方),确保钻孔安全,防止孔壁坍塌,杜绝孔内事故,提高钻进效率、降低成本的有效途径。建议在钻进液的管理工作中,要加強对循环系统的规范化,在使用上的制度化,在配制上的科学化。
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