曹虎麒，陈 凯，段存俊

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

在第四系的地层构造单元中，砂卵石地层的钻探工作一直是个难点，因该地层分布范围小，目前对该层钻探工作的研究较少。国内的研究多是从循环液和钻具两个方面入手，一些研究主要以植物胶为对象着重研究了护壁工艺[1-4]，还有一些研究主要探讨了不同钻头在砂卵石层中钻进的效果[5-7]，肖冬顺等[8]则从矿探出发探讨了深层卵石层的钻探工艺。但国内对该层尚未形成成熟的钻探工艺，境外工程中则鲜有对砂卵石层钻探的研究。

本文结合巴布亚新几内亚的巴新莱城港地区的勘探项目中遇到卵石层的实际问题，为了提高在该区域后续的勘察工作的效率，借鉴国内已有的卵石层钻探经验，并从多因素入手，开展提高该地区砂卵石层钻探效率的试验，以期探寻到一套适合该地区砂卵石层的高效钻探工艺。

1 试验设计

1.1 试验场地地层分布

工程场地中砂卵石层发育在浅部，其上覆土层主要为第四纪黏性土层和砂土层。为尽可能减少不可控制的因素对试验结果对比的影响，试验钻孔选择在相同地点(ZK17号钻孔附近)采用同一班组先后实施钻探试验，以方便对比。

ZK17号钻孔上部地层自上而下的分布：0～2.5 m为松散腐殖物，2.5～6.1 m为松散-稍密粉细砂，6.1～16.8 m为软塑状粉质黏土，16.8～23.0 m为砂卵石层。其中砂卵石层呈密实状，修正后的重型动力触探击数一般为22.0～26.3击，层厚为5.6 m，主要由卵石、砾石及黏性土组成，卵砾石含量约为60%，块径为2.0～9.0 cm。

1.2 方案设计

根据前期钻孔施工经验，在巴布亚新几内亚莱城港区勘察中砂卵石层钻进困难的主要表现有：护壁困难，孔壁卵石极容易掉落卡钻；卵石层孔隙大，钻孔漏水现象严重；沉渣粒径大，传统泥浆等循环液不能有效承载转运以及取样困难等。

针对以上问题，从孔壁支护、钻具、取芯3个方面出发，设计3组对比试验以研究不同因素在改进卵石层钻进方法中起到的作用，据此进行砂卵石层中钻探方法的优化。护壁方法分别采用套管跟进护壁、普通泥浆护壁、植物胶泥浆护壁，钻头分别采用金刚石钻头和复合片钻头，取芯方法分别采用单管岩芯管和单动双管岩芯管。设计的试验方案及施工工艺见表1(对比试验钻进过程取消了取样、原位试验等对观测结果造成影响的工序)。

表1 试验方案及施工工艺

2 试验结果及分析

在各个钻孔的砂卵石层的钻进过程中产生了不同的施工问题，见表2。

表2 砂卵石层钻进施工问题

对比SY1、SY2、SY3钻孔的钻探结果，在卵石层的钻井过程中，3种护壁方法对实际钻进速率的影响较小，但套管护壁的方法，采用清水作为循环液，在卵石层中套管时时跟进困难，极易产生卡钻和漏水等问题，钻进过程花费大量的时间和劳动力处理套管跟进和卡钻、漏水等问题，极大地增加钻进总耗时；采用膨润土泥浆作为循环液，在一定程度上降低卡钻和漏水的概率，但效果有限，卡钻和漏水现象时有发生，在该钻孔的钻进过程中处理此类问题的耗时依然较高；植物胶黏稠度大，采用植物胶浆液作为循环液，相比前两种方法明显抑制住了卡钻现象，同时也有效地封锁了渗水孔隙，漏浆液现象明显下降，从而降低了总耗时。

对比分析SY3、SY4钻孔的钻探结果可看出，植物胶黏稠度高，作为循环液运载能力强，能挟带卵石层内大粒径沉渣。金刚石钻头的齿爪间的过水缝隙小，容易被堵塞，返回液循环系统受阻，增加了其他耗时，复合片钻头的齿间缝隙较大，降低颗粒堵塞的概率，降低其他耗时，整体上提高了钻进的速率。

对比分析SY4、SY5钻孔的钻探结果可看出，采用双管单动的岩芯管，内取芯管不随外管转动，岩芯受扰动小，取芯率高，孔内和循环液中的沉渣少，减少循环系统的堵塞概率，而单管取芯，因岩芯受到的扰动较大，扰动后的岩芯松散，大颗粒沉底，在进行试验或取样时需要先清孔。但此次采用的双管因内管为单一整体圆柱形岩芯管，把岩芯从内管中取出耗费了大量的精力和时间，因而SY5钻孔的总耗时比SY4还多。在以后遇到此问题时可对内管做相应的改进以降低取芯时间。

3 生产效益分析

3.1 时间效益

为了解不同护壁方式、钻头以及取样方式在砂卵石层钻进中起到的作用，绘制了各钻孔钻进总耗时累计图和各钻孔砂卵石层钻进与其他耗时的比例图，见图1。

图1 各钻孔砂卵石层钻进耗时与其他耗时

由图1可看出，在采用套管护臂、膨润土泥浆护臂和植物胶护壁，以及采用不同的钻头对在砂卵石层实际钻进效率的影响很小，影响钻进效率的直接因素主要在其他耗时上，为此绘制了砂卵石层钻进总耗时、其他耗时与提钻次数的对比图，见图2。

图2 砂卵石层钻进总耗时、其他耗时与提钻次数对比

由图2可看出，砂卵石层钻进总耗时、其他耗时与提钻次数之间呈正相关性，既造成钻探效率实际差异主要是由于卡钻、堵钻等钻进中产生的次生问题引起的频繁提钻和处理、解决这些问题所花费的时间；采用植物胶护壁，能有效降低提钻次数，既减少次生问题的发生、提高钻进效率，同时采用与之相适应的钻头，能进一步降低其他耗时，提高效率。

3.2 经济效益

各钻孔在钻进砂卵石层消耗的资源见表3(由于不同地区物资和劳动力成本不同，表3中并未对消耗品进行折算)。

表3 砂卵石层钻探消耗的资源

由表3可知，采用不同的护壁方法对砂卵石层钻探的经济性影响较大。在不同的护壁方法中，植物胶护壁法因原材料价格较高，因而消耗性材料花费高，但因其优化了钻探过程，减少其他辅助性工序，因而大幅降低了总体花费，经济效益最好；而在采用不同钻头时，由于卵石硬度较高，复合片钻头的消耗量比采用金刚石钻头高，但在以植物胶为循环液的前提下，采用复合片钻头能有效降低其他耗时，降低其他方面的费用。采用两种钻头的经济效果在一定程度上有所抵消，但整体上采用复合片钻头的经济性更好。

3.3 质量效益

各钻孔砂卵石层的取芯效果见图3。

由图3可看出，当采用单套管岩芯管时，对岩芯扰动大，以清水或膨润土泥浆作为循环液时，循环液运载能力小，卵石层岩芯中泥沙的含量较高，取芯率低；以植物胶浆液作为循环液时，植物胶循环液运载力大，取出来的岩芯，泥沙含量低，取芯率低。采用双管单动岩芯管，对岩芯扰动小，岩芯的采取率高，保存完成，能真实地反映砂卵石层的组成和结构。

图3 各钻孔取芯效果

4 结论

1)造成砂卵石层钻进效率低下的主要原因为砂卵石层特殊的结构引起钻进过程频繁发生的卡钻、漏水等次生问题。

2)采用套管护壁、膨润土泥浆液护壁和植物胶浆液护壁3种护壁方法对实际钻探过程中钻进速度的提升没有明显差别，但采用植物胶护壁能显著降低卡钻、漏水等事故，从而整体上降低了钻进总耗时。

3)在砂卵石层钻进时，采用植物胶做循环液能够挟带大粒径的沉渣，采用过水孔隙小的金刚石钻头容易导致堵塞，采用过水孔隙大的复合片钻头则不会导致堵塞，能提高施工效率，但会增加钻头的消耗。因此，在以后的工作中可以根据实际地层情况选择合适的钻头或合理改进钻头，以结合金刚石钻头和复合片钻头的优点，配合植物胶循环液实施砂卵石层钻探。

4)采用双管单动的岩芯管能提高取芯质量，降低对岩芯的扰动，减少孔底沉渣以及清孔等步骤的次数，配合植物胶循环液，能有效提高钻探效率和质量。

5)以植物胶浆液作为钻孔护壁的主要手段，根据不同的卵石层颗粒级配选择合适的钻头能有效提高钻进效率，降低生产成本。