衣风龙 张少林 鲍海山

摘要：造成孔壁失稳的因素很多，本文将以孔壁稳定性为基础，通过受力分析来进一步探讨影响青海木里煤系地层孔壁稳定性的原因，并结合工程因素及以往实钻经验，分析和总结木里煤系地层钻探维护孔壁稳定的一些技术措施，为今后在该区内钻探取芯时制定维护孔壁稳定技术方案提供参考，由于本文最终的总结均基于近年来在该区域内的实钻经验和相关技术资料，与现场结合紧密，因此具有一定的借鉴意义。

关键词：木里煤田、煤系地层、孔壁稳定性、受力分析、防塌泥浆体系、

钻探取芯是地质勘查的一种主要技术手段，通过钻探取芯可以获取岩心样品，为调查人员估算矿产资源储量及合理开发利用提供科学依据，木里煤田是青海省最大的煤田，也是我国陆域天然气水合物资源的发现地，我单位长期在青海木里煤田进行资源勘查工作，在钻探取芯时孔壁失稳问题较为突出，木里煤系地层遇水后孔壁稳定性极差，主要表现为聚乎更矿区上部侏罗统泥页岩地层巨厚、松散、破碎、胶结性差，遇水后极易裂解、坍塌，江仓矿区南部及雷尼克第四系水敏性地层巨厚，遇水后极易膨胀、缩径，致使在以往的钻探施工中钻孔坍塌、卡埋钻具等各种事故经常发生，除浅孔外，中深孔均靠套管多级成孔，尤其是在聚乎更矿区六号井和三露天中侏罗统油页岩地层钻探取芯时孔壁极易失稳垮塌，有时甚至使事故恶化导致钻孔报废，多年的实钻经验证明，如何在木里煤田煤系地层钻探取芯时保证孔壁稳定是一个技术性难题。

在国内有很多的专家和学者针对孔壁稳定性进行了系统的分析研究，得出了许多有意义的观点和结论，研究内容主要以力学和化学两个方面为主，本文将以孔壁稳定性为基础，通过受力分析来进一步探讨木里煤系地层钻探孔壁失稳的原因，同时结合地层特征和多年实钻经验，针对木里煤系地层钻探取芯钻孔护壁困难的实际情况，提出一些切实可行的护壁技术措施。

1孔壁受力分析

地层在钻进之前都是处于原始力学平衡和相对稳定状态，如果钻头一旦钻穿岩层也就打破了地层原始的平衡状态，改变了孔壁岩层所承受的原始应力，极易造成孔壁失稳破坏而发生坍塌，造成地层孔壁失稳的因素很多，主要与地质构造类型、泥浆性能及钻探工艺有关，木里煤系地层主要以泥页岩为主的水敏性岩层和胶结性差的松散破碎岩层构成，上述地层遇水后岩层力学性能极不稳定，因此，从理论上分析木里煤系地层孔壁力学稳定性，应以孔壁受泥浆浸泡后的状态来进行受力分析，图2-1为木里煤系地层孔壁稳定性力学模型图，上部第四系表土覆盖层厚度为h1，下部侏罗统煤系地层厚度为h。

为了便于计算，对该模型作以下假设：孔壁是一个垂直度较好的圆柱体，孔内钻具垂直较好无变形现象，煤系不稳定地层在地下水位以上，忽略地面载荷作用。

研究表明，木里煤系地层孔壁主要矿物成分为胶结程度较差的长石、石英、云母和水敏性极强的蒙脱石为主的粘土矿物及植物根茎叶等有机质和煤层中碳酸盐、硫酸盐等矿物质组成，具亲水性、分散性，呈弱透水性或微透水性，如果以上矿物质及岩层被泥浆浸泡后，会出现孔壁岩层胶结物质如Na+、K+等大量溶解引起岩层胶结程度变差现象，泥页岩及粘土颗粒在水化作用下吸水、膨胀、变软、裂解，松散破碎具透水性岩层在孔内压差作用下使泥浆中的自由水通过渗透方式不断进入裂隙构造中，含天然气水合物岩层由于温压条件的改变引起水合物大量分解及分解后释放大量气体和水分子造成组成岩层的基本骨架遭到破坏等，此时的煤系地层呈散体状。

呈散体状的孔壁受力考虑主动土压力Pa、孔内水压力u、孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力J1、孔外水向孔内的的渗透力J2及泥浆的抽吸力Pc，考虑到煤系地层呈弱透水性或微透水性，以及文中假设的岩层在地下水位线以上，故取J1=J2=0，要使孔壁稳定，在径向必须满足：

u ≥ Pa + Pc （2-1）

参照力学公式可得：

u = Nz Hz （2-2）

Pa = （ V1 h1 + V12 h ） tg2（ 45°- ∮/2 ） （2-3）

式中：Hz为孔内泥浆高度（m）；Nz为泥浆重度（kN/m3）；V1为上覆岩土层平均重度（kN/m3）；V12—岩层平均有效重度（kN/m3）；∮为岩层摩擦角（°），将（2-2）（3-2）代入（2-1），得孔壁稳定性的条件为：

Nz Hz ≥ （ V1 h1 + V12 h ） tg2（ 45°- ∮/2 ） + Pc （2-4）

由以上公式可知孔壁被泥漿浸泡后，主要由泥浆对孔壁产生压力以提供支撑力来维持孔壁的稳定性，如果泥浆对孔壁的压力不足，被泥浆浸泡后松散颗粒之间粘聚力为0，在泥浆的轻微的抽吸作用下，极易造成孔壁坍塌事故。

泥浆液柱压力是对孔壁提供支撑力的主要来源，计算公式如下：

P = H g / 10 （2-5）

式中P为孔内泥浆液柱静压力（pa ），H为孔深（m）， g为泥浆比重（g/cm3），由（2-5）公式可知泥浆比重越高，泥浆对孔壁岩层的支撑压力越大，泥浆比重的增加还可以减小和抑制孔壁不稳定岩层的脱落。

实践表明，随着泥浆比重和液柱压力的增加，并不能完全有效的抑制煤系地层不稳定岩石的掉落，因为岩层自身具有一定的弹塑性、亲水性及孔隙度，当钻进至水敏性泥页岩地层时，孔壁上的粘土颗粒在水化作用下极易向孔内膨胀、缩径，油页岩地层在高比重泥浆的压差作用下自由水渗透到岩层内部，使岩层胶结程度变差、变软，最终导致油页岩裂解、垮塌及孔壁的不稳定，因此，当不稳定岩层巨厚或孔内泥浆支撑力不足以维护孔壁稳定时，必须下技术套管进行隔离。

2稳定孔壁的技术措施

根据以上受力分析，结合青海木里煤系地层特征及我单位多年在该区域内的钻探经验，为提高钻进效率，保证孔壁稳定，从泥浆工艺、钻孔结构、套管护壁、压力平衡钻进等各方面进行了研究与优化，主要内容如下：

2.1实现压力平衡钻进

压力平衡钻进对稳定木里煤系地层孔壁至关重要，如果孔内泥浆液柱压力小于地层压力，极易发生掉块、坍塌、涌水、孔径扩大等复杂现象，孔内泥浆液柱压力大于地层压力，极易发生泥浆漏失、缩径、粘附卡钻、泥包卡钻等现象，因此，钻进取芯时应尽量保持孔内泥浆液柱压力和地层间压力之间的动态平衡，可根据孔内实际情况，选择合适的泥浆比重，以确保孔内泥浆液柱压力能平衡地层坍塌压力和地层孔隙流体压力，保证孔壁的稳定，同时应严格控制上下钻具速度，若孔深超过700m以上或孔内钻具重量超过7吨时，应使用水刹车来控制下钻速度，以避免刹车不利造成孔内产生负压或抽吸压力，上提钻具以后要及时向孔内回灌泥浆，尽量维持孔内泥浆液柱压力与地层间压力的平衡。

2.2优化钻孔结构设计

根据钻探施工设计，结合地层变化，为了确保钻进安全可靠，在聚乎更矿区六号井和江仓矿区三四井田钻探易采用了如下钻孔结构：以Φ152mm合金取芯钻头开孔钻穿第四系表土层进入基岩后下入Φ146mm反丝套管作为孔口管，然后以Φ80mm金刚石取芯钻头+S75绳索取芯钻具钻进至终孔，若钻遇复杂地层或孔内发生涌水、漏失、坍塌等复杂现象时，扩孔后可下入Φ108mm技术（备用）套管进行隔离，在聚乎更矿区三露天天然气水合物钻探中易采用如下钻孔结构：以Φ172mm特殊合金钻头钻穿第四系表土层进入基岩（孔深约8-20m）下入Φ168mm套管作为孔口管，然后以Φ135mm钻头和S127绳索取芯钻具钻进至孔深280-300m（视地层情况而定）完成测井工作将Φ127mm绳索钻杆留在孔内作为技术套管，然后换Φ99mm取芯钻头和S89绳索取芯钻具钻进至终孔，泥浆护壁，事实证明以上钻孔结构比较优化，降低了孔内事故发生的几率。

2.3泥浆护壁技术措施

泥浆是钻探的血液，具有携带岩粉、保护孔壁、冷却润滑钻头、钻具，平衡地层压力等作用，木里煤田地层复杂程度不一，聚乎更矿区六号井及三露天主要以油页岩地层遇水裂解、垮塌和松散、破碎、裂隙发育地层涌水、漏失及侏罗统含水合物岩层分解导致孔内涌气、坍塌及孔径扩大等复杂现象为主，江仓矿区砂岩地层断层及裂隙发育构造地层较多，普遍存在泥浆漏失现象，江仓南部及雷尼克第四系冲洪积层巨厚，最厚深度超过1000m以上，岩性主要以红胶泥岩、粘土及泥质粉砂岩为主，水敏性极强，地层造浆、缩径严重，因此，钻探取芯时根据不同地层特征及岩层性质选用不同性质的泥浆体系进行护壁。

（1）聚乎更矿区（六号井、三露天）泥浆护壁技术措施

木里煤系地层构造极为复杂、聚乎更矿区孔壁坍塌问题尤为突出，我单位在六号井和三露天钻探取芯时泥浆配方如下： 1立方水+ 优质钠基膨润土25-50kg + 广谱护壁剂10-15kg + 高粘防塌剂8-10kg + 磺化褐煤树脂 5-8kg ，性能指标：比重：1.06-1.08g/cm3、粘度：28-36s、失水量：8mL/30min、PH：7-9、泥皮厚度：0.5-0.8mm，以上配方在使用过程中，可根据地层条件和孔内情况需要，加入一定量石灰石粉（碳酸钙）来提高泥浆比重及孔内液柱压力，以提高泥浆对孔壁的支撑力和保证孔内压力平衡，如果泥页岩地层巨厚孔壁坍塌严重或孔内出现涌水、涌气等复杂情况时，可逐步将泥浆比重调至1.20g/cm3以上，钻穿后迅速钻穿后下入技术套管进行隔离，天然气水合物钻探时只要通过泥浆制冷装置将泥浆入孔温度控制在0-2°以内，即可满足水合物钻探取芯要求，可有效抑制水合物的分解，降低因水合物分解而造成的泥浆气侵入、孔壁垮塌、井涌等问题，多年的实钻经验证明，在聚乎更矿区复杂岩层钻进取芯时，使用高比重低失水量泥浆比只使用不分散低固相泥浆护壁效果更好。

（2）江仓矿区南部及雷尼克泥浆护壁技术措施

江仓矿区南部及雷尼克第四系冲洪积层巨厚，岩层主要红胶泥及泥质粉砂岩夹杂石膏岩层为主，最厚深度超过1000m以上，岩性矿物质主要以含蒙脱石等粘土矿物组成，胶结程度较好，水敏性极强，易吸水膨胀、造浆、缩径，上下钻具遇阻，因此对于此类地层，主要是控制泥浆的固相含量、粘度和失水量，泥浆应选用以降低失水量、稀释泥浆、抑制地层造浆性能的添加剂，护壁重点为抑制粘土颗粒水化膨胀、造浆及缩径，常用的泥浆材料主要有：腐殖酸钾、聚丙烯酸钾、纤维素等，我单位在木里煤田雷尼克水敏性地层钻探常用泥浆配方如下：1立方水 + 0.01%纯碱 + 2%膨润土 + 0.02%纤维素 + 5%腐植酸钾。总之，根据地层特点选用不同性能的泥浆，提高泥浆质量，充分发挥泥浆的护壁作用，是木里煤系地层钻进中特别关键的问题，煤系地层钻进中经常出现的孔壁坍塌、掉块，卡埋钻具等事故，除操作不当等原因外，关键问题是没有优化和管理好泥浆，实践证明，只要泥浆使用的好，煤系地层钻探可不下或少下套管，一径安全到底。

3结语

（1）木里煤田煤系地层钻孔受泥浆浸泡后，孔壁岩层呈散体状，稳定性极差，使用高比重泥浆钻进，也只能在一定范围内维持稳定，如果不稳定岩层巨厚孔内泥浆及液柱压力支撑力不足以维持孔壁稳定时，必须要下入技术套管向孔壁提供支撑力。

（2）维护煤系地层孔壁稳定是实现安全、快速、高效钻进的前提，本文以孔壁稳定为基础，从孔壁受力状态、压力平衡钻进、泥浆护壁技术、优化钻孔结构等方面，对孔壁稳定性进行了分析，由于文中忽略了钻具横向震动、地层构造类型、泥浆的扰动等因素，因此本分析具有一定的局限性。

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（作者单位：青海煤炭地质一0五勘探队）