复杂地层条件下钻探工艺改进分析

引言

在地质勘探、资源开发等领域，钻探作业是获取地下信息与施工的关键。但随着工程向复杂地质区域推进，松散砂层、破碎岩层等复杂地层给钻探带来巨大挑战。在此类地层钻探，易出现孔壁坍塌、卡钻、钻速慢等问题，严重影响钻探进度与工程质量。因此，深入剖析复杂地层钻探工艺现存问题，探寻有效的改进策略，对推动地质工程行业发展意义重大。

一、复杂地层条件下钻探面临的主要问题

（一）孔壁稳定性差

在松散砂层、破碎岩层及富水地层中，孔壁极易失稳。松散砂层因颗粒胶结性差，受钻头扰动与冲洗液冲刷易坍塌；破碎岩层裂隙发育，钻进时裂隙扩展致孔壁掉块；富水地层中，水压力削弱土体强度，冲洗液与地下水作用改变土体性质，降低稳定性。孔壁坍塌会引发卡钻事故，还影响岩芯采取率，造成地质资料失真，严重阻碍钻探工作顺利开展。

（二）钻进效率低下

复杂地层的物理力学性质差异大，对钻进效率产生显著影响。在坚硬岩层中，岩石硬度高、耐磨性强，钻头磨损快，需要频繁更换钻头，且钻进速度缓慢；在溶洞发育地层，由于溶洞的存在，钻孔容易发生偏斜，需要不断进行纠偏操作，增加了钻进时间；在高应力地层，地应力作用于钻具，导致钻具变形、磨损加剧，同时还可能引发孔壁缩径，进一步阻碍钻进进程。这些问题使得钻探作业周期延长，增加了工程成本。

（三）岩芯采取困难

获取完整、准确的岩芯是钻探工作的重要目标之一，但在复杂地层中实现这一目标困难重重。在破碎岩层和松散地层中，岩芯难以保持完整，容易破碎、散裂，导致岩芯采取率低；在富含黏土的地层中，黏土遇水膨胀，会包裹岩芯，使岩芯难以取出；此外，在一些特殊地层，如含有可溶性矿物的地层，冲洗液可能溶解矿物，破坏岩芯结构，影响岩芯的真实性和代表性。

二、复杂地层条件下钻探工艺改进措施

（一）钻探设备改进

1.优化钻头选型

根据不同的复杂地层特性，选择合适的钻头类型。对于坚硬岩层，可选用金刚石钻头或硬质合金钻头，利用其高硬度和耐磨性提高钻进效率；在松散砂层和破碎岩层，采用肋骨钻头或螺旋钻头，增加钻头与地层的摩擦力，防止孔壁坍塌；针对溶洞发育地层，使用导向钻头，有助于控制钻孔方向，减少钻孔偏斜。同时，不断研发新型钻头，如仿生钻头，通过模拟生物牙齿的结构和功能，提高钻头的破岩能力和使用寿命。

2.改进钻机性能

提升钻机的动力系统，增强钻机的扭矩和转速调节范围，以适应不同地层的钻进需求。例如，在钻进坚硬岩层时，提供较大的扭矩；在处理孔内事故时，具备快速反转和提升能力。此外，优化钻机的稳固性和可操作性，采用液压支腿和自动化控制系统，提高钻机的安装效率和钻进过程中的稳定性。

（二）钻进参数优化

1.合理控制钻压与转速

在钻进过程中，根据地层岩性和钻头类型，精确调整钻压和转速。对于坚硬岩层，适当增大钻压，以提高破岩效果，但要避免钻压过大导致钻头损坏；同时，降低转速，减少钻头磨损。在松散地层，则应减小钻压和

转速，防止孔壁坍塌。通过现场试验和数据分析，建立不同地层条件下钻压与转速的优化模型，为钻进参数的选择提供科学依据。

2.优化冲洗液性能

冲洗液在钻探过程中起到冷却钻头、携带岩屑、护壁等重要作用。针对复杂地层，研发和使用高性能冲洗液。在易坍塌地层，采用具有护壁功能的泥浆，如膨润土泥浆，通过在孔壁形成泥皮，增强孔壁稳定性；在富含黏土的地层，使用分散性冲洗液，防止黏土膨胀。此外，根据地层情况，合理调整冲洗液的密度、黏度和pH 值，确保冲洗液性能满足钻探需求。

（三）护壁技术革新

1.化学护壁技术

利用化学药剂对孔壁进行加固处理。例如，在松散砂层和破碎岩层中，注入化学浆液，如水泥-水玻璃双液浆，浆液在孔隙中扩散、凝固，将松散颗粒胶结在一起，提高孔壁强度；在富含地下水的地层，采用防水堵漏化学药剂，封堵地下水通道，降低水压力对孔壁的影响。

2.机械护壁技术

采用套管护壁、钻杆护壁等机械方法。在孔壁坍塌严重的地层，下入套管，隔离不稳定地层，保护钻孔；对于较浅的钻孔，可使用钻杆护壁，通过钻杆的支撑作用，维持孔壁稳定。同时，研发新型护壁工具，如可膨胀套管，能够根据地层情况自动膨胀，更好地适应复杂地层的护壁要求。

三、复杂地层条件下钻探工艺改进应用案例

（一）案例概况

某山区隧道工程在施工前的地质勘察钻探过程中，遇到了复杂地层。该区域地层主要为破碎花岗岩、松散砂卵石层，且地下水位较高，在钻探过程中频繁出现孔壁坍塌、卡钻等问题，导致钻探工作无法正常进行，严重影响了工程进度。

（二）工艺改进实施与效果

针对该工程的复杂地层情况，采取了一系列钻探工艺改进措施。在设备方面，选用了合金肋骨钻头和高性能液压钻机；钻进参数上，降低钻压和转速，并配制了高黏度膨润土泥浆作为冲洗液；护壁技术采用水泥-水玻璃双液浆进行化学加固，同时下入套管进行机械护壁。

改进后的钻探工艺取得了显著效果，孔壁坍塌现象得到有效遏制，卡钻事故发生率降低了 80% 以上，钻进效率提高了近 50% ，岩芯采取率从原来的不足 60% 提升至 85% 以上，为隧道工程的设计和施工提供了准确可靠的地质资料，保障了工程的顺利推进。

结束语

综上所述，复杂地层条件下的钻探工作面临诸多挑战，通过对钻探设备、钻进参数和护壁技术等方面进行改进，能够有效解决钻探过程中遇到的问题，提高钻探效率和质量。在实际工程中，应根据具体的地层条件，综合运用多种改进措施，并不断探索创新，推动钻探工艺持续发展，以满足日益复杂的地质工程建设需求。

参考文献

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