复杂地层的钻孔技术

1、第四章 复杂地层的钻孔技术1 什么叫复杂地层复杂地层是相对好地层而言的。一般人们习惯于把出现坍塌、掉块、漏水、涌水、缩径、膨胀等一系列现象的地层，叫复杂地层。复杂地层是客观存在的，是不依人的意志为转移的的。不论你承认不承认都会发生，是一种地质现象。不管你用什么设备，什么钻进方法；也不管大口径或小口径，合金或钢粒，还是金刚石；也不管是地质钻探、工程钻探、水文钻探或工程施工都会遇到这种现象，而且随着水电工程的发展，复杂现象也愈加严重。具体讲，复杂现象的钻孔包括覆盖层，特别是深厚覆盖层的钻孔、岩溶地层的钻孔，以及不均匀地层的钻孔等。2 复杂地层对钻孔施工的影响在钻孔施工中，若遇复杂地层，就会严重地影

2、响钻孔生产，轻者，使钻进不能正常进行，停待时间增多；重者，导致孔内事故，质量达不到要求，拖延工程进度；再重者，钻孔报废。复杂地层的钻孔事故屡见不鲜，这里不细述。复杂地层对钻孔的影响是多方面的：2.1 生产效率低由于地层复杂，难以钻进，或钻具下不到底，或被卡、夹、埋，反复处理，辅助时间增多。发生孔内事故多，又把大量时间用在处理事故上，纯钻时间相应减少，生产效率下降。据有关资料，钻探发生的各类事故中，有70%以上都与复杂地层有关，有的大工程因地层复杂拖延了计划工期；有的钻机完不成任务，有的承包者赔本，连工资都发不出来。2.2 工程质量得不到保证一方面由于孔内事故多，使一些钻孔在未达到设计孔深时被迫

3、提前终孔；有的因为岩石破碎，岩心采取率达不到要求；有的因孔壁坍塌严重无法按时进行试验或灌浆；另一方面，由于人们把大量的精力用在处理事故上，无心去研究工程质量问题，使工程质量得不到保证。2.3 成本增加，盈利减少（1）效率的降低使单位成本增加；（2）处理事故使费用增加。如原材料消耗加大；运输量增多；机械磨损加剧；劳动量加大；而且，往往由于孔内事故导致机械事故，机械事故又引起人身事故，形成恶性循环，使单位成本和总成本骤增，盈利大幅度下降，甚至亏本。（3）由于事故迫使提前终孔的，需要另外补设新孔，也使成本大大增加；（4）由于工期紧，效率低，完不成任务，不得不增加钻机数量。2.4 影响新技术推广在试验

4、、推广新技术、新方法时，一般都要孔内有良好的条件。如金刚石钻进、绳索取心钻进就是这样，如果孔内事故频发，将严重阻碍新技术、新方法的试验与推广。综上所述，复杂地层钻孔问题不仅是解决好其他问题的前提和基础，而且是影响施工效率、质量的主要障碍。但是，掌握复杂地层的钻进技术是一种必然趋势，我们不但不能回避，而且应主动想办法去攻克技术难关。3复杂地层钻孔的应对措施3.1 护壁堵漏是解决复杂地层钻孔问题的有效手段在钻孔施工中，为了对付复杂地层，就出现了护壁堵漏这个名词和方法，但护壁和堵漏的概念是不同的，目的也是不同的，护壁也叫护孔，主要是解决孔壁的稳定问题。堵漏主要是解决冲洗液的漏失问题。但由于二者常常同

5、时进行，用的材料也大部分相同，堵漏的主要目的往往是为了解决护壁问题，护壁有时也可堵住漏失，所以通称护壁堵漏。护壁堵漏是治理解决复杂地层钻进的有效手段，是预防孔内事故的重要措施。地层虽然是复杂的，但规律是可以掌握的，人是可以制服它的。一般情况下，只要方法正确，对症处理，就可以使钻孔孔壁稳定平衡，实现顺利钻进，把由于复杂地层造成的孔内事故降低到最低限度，从而实现钻探生产的优质、高效、安全、低耗。工艺的正确与否是进尺多少的问题，护壁堵漏的正确与否是能不能进尺的问题，护壁堵漏工作的成败与否决定其他工作的成败与否。在生产实践中，有些人不愿意花力气解决这个问题，总想冒险行动，抱着侥幸心理，甚至认为搞不搞无

6、所谓，不搞护壁堵漏也过去了等等。这种缺乏科学的劳动往往事故多，效率低，成本高，质量差或发生许多无效劳动。技术的高低，方法的好坏，其效果是大不一样的，经济效益的差别是很大的，这种例子很多。在复杂地层中采取正确的护壁堵漏措施就能提高经济效益。如果坚持蛮干，不讲科学，最后必然劳民伤财，导致一系列工作变为徒劳，如有些机组在复杂地层施工不愿采取措施，屡屡不接受教训，孔内事故接二连三地发生，钻孔出了大力，却没有收益。3.2 坚持“因地制宜，综合治理”的方针所谓“因地制宜，综合治理”就是依据地质地层特点、钻孔结构、现场条件，根据本单位的货源情况、技术水平，分析、对比确定一种或几种有效的护壁堵漏材料，对复杂地

7、层进行及时的处理，以保持孔壁的平衡稳定或不涌不漏，维持正常钻进。为什么要制定这样的方针呢？这是因为：（1）复杂地层是各种各样的，客观条件是不同的，引起钻孔不稳定的原因又是多方面的；发生复杂情况的种类、轻重程度也有差别；现场条件如钻孔的深度、孔径、地质因素也有差别，一种方法解决不了那么多复杂问题，如果盲目的用单一的方法，必然得不到满意的结果。（2）目前所有的护壁堵漏材料都各具有其特点，在一定条件下，有一定适应范围，并有不同程度的效果。到目前为止，还没有一种通用材料能解决所有的复杂问题。（3）钻孔目的不一样，要求不一样，方法也就不同。（4）技术因素、货源情况不同，用一种方法解决所存在的问题是不可能

8、的。（5）目前钻孔深度和复杂性还在增加。（6）多年来的实践证明，凡是坚持因地制宜，综合治理，讲求实效方针的，效果就好，事故就少，生产就发展；反之，效果差，事故多或事倍功半。4 护壁堵漏方法的正确选择目前用于钻孔护壁堵漏的材料种类很多，据资料介绍，国外有几千种，国内也有几百种，但我们常用的只有十几种。如各种类型的泥浆处理剂、水泥及各种附加剂、套管、各种化学材料、惰性材料，各种速效液、堵漏籍、无固相冲洗业以及压力平衡钻进法、根管钻几根管钻进法等。所有这些材料和方法各具有不同的特点、适用条件，而且在实践中都取得了明显的效果。要真正做到“因地制宜，综合治理”，就必须先掌握钻孔护壁堵漏的依据、一般原则，

9、并在此条件下正确选择方法和材料。4.1 选择护壁堵漏方法的依据（1）地层特点适应地层特点达到稳定孔壁或不漏、不涌的目的，满足顺利施工的需要是正确选择护壁堵漏方法的主要依据。如对于只漏不垮的地层，在水源充足条件下，可用清水顶漏钻进；对只垮不漏或小漏的地层可用泥浆、水泥进行处理；对于轻微的坍塌可用无固相冲洗液或提钻回灌的方法解决；对于有漏又跨的地层要抓住主要问题进行治理，视情况可以用水泥护壁，也可堵漏后用泥浆护壁。（2）施工目的护壁堵漏方法应满足施工目的和不影响地质资料获得为前提。如水井钻探和灌浆孔就不能用水泥或泥浆，否则就把裂缝封住了；以获得水文资料为主的工程钻孔，在基岩就不能用泥浆，否则会影响

10、水文资料的正确性。（3）钻孔结构钻孔结构不同，孔径大小不同，钻孔深度不一样，其护壁堵漏的方法和材料也可能不一样。（4）货源情况有些材料虽好，但货源紧张或条件不具备，在这种情况下就要根据货源情况就地取材。（5）现场条件对于现场条件，如问题的复杂程度、空段的范围、深浅、钻进方法、施工时间的长短、季节、技术力量等都要充分考虑。4.2 选择护壁堵漏方法的原则（1）效果好选择的护壁堵漏方法要效果好，能达到稳定孔壁的目的，满足顺利施工的要求，保证在整个散工周期内不再引发，直到终孔。（2）速度快即在满足施工要求的条件下，选择的方法尽可能简单，辅助时间少，停待时间短，速度越快越好。（3）成本低选择的材料要货源

11、广、价钱便宜、成本要低。以上所述速度快、成本低、效果好，这三者是不可分的，而效果好是主要的，只有坚持科学的态度，进行综合评价，及时、果断并尽可能使用先进技术，才能获得理想的效果。5 护壁堵漏方法的选择5.1优先选用泥浆5.1.1 适应性泥浆是一种用得最广泛，效果最好的护壁堵漏方法。它可根据不同地层特点对症选择不同性能的类型，且可随钻随护壁；不仅适用于风化层、破碎带，也适用水敏地层、缩径膨胀地层；不仅能用于浅孔，更适用于深孔；不仅能用于大口径钻孔，也能用于小口径钻孔。特别是随着PAM低固相泥浆、SM、NG植物胶无固相冲洗液的普遍推广，把泥浆的应用发展到一个新的水平。国内外专家一致指出：泥浆是完成

12、钻进任务关键的关键，并认为“地质条件是复杂的，只有泥浆搞好了，复杂条件就不见了”。可见泥浆的重要性了。泥浆在石油、地矿、煤田、冶金等钻探施工中广泛应用着，近些年来，水电工程施工中也大量地进行了引用。地勘部门一般都是深孔钻进，常常在500m以上，根据他们的经验，在实际中，常常有这种情况，由于地层复杂，处于山穷水尽疑无路时，一旦用上泥浆就立即柳暗花明又一村了。在开孔钻穿覆盖层时，有人总想用清水钻进，往往一个十几米或二十几米的破碎带要折腾56天，甚至十多天；如果用上泥浆，一般13天就能下好空口管了。【实例一】某单位在眉县铜峪钻探施工中，曾先后有三个钻孔，设计孔深均在400米以上，覆盖层为1520米。

13、因用清水、合金钻头钻进，多次导致事故、移孔位，仅开孔下孔口管时间累计折腾110天，平均一个孔36天多。后来的三个孔采用泥浆、钢粒钻进，水泥封闭套管底部（隔钢粒）的方法，在比前三个孔复杂的条件下，开孔下孔口管的时间累计为15天，平均一个孔为5天。仅开孔下套管的时间就缩短了95天。【实例二】又如1978年在周至西骆峪工区ZK26孔，设计孔深600米，孔径56mm，清水钻进至495米时，因上部炭质片岩松散，又塌又漏，孔内积渣十多米，无法施工，先后折腾了十多天无效果，正讨论报废时，在该孔引进了PAM低固相泥浆，结果很快堵住了漏失（PAM泥浆中加入100kg水泥）护住了孔壁，顺利钻至终孔。【实例三】在三

14、峡隔流堤高喷施工中，覆盖层最深才50米左右，一般2530米，但钻一个孔常常要23天，有的达一个星期，而且孔内事故多，后来采用NG植物胶泥浆后，大为改善，一般12天就能终孔，而且下喷管也很方便。综上所述，泥浆具有以下特点：（1）随钻随护，钻到那里就护到那里，不仅效果好，速度快，成本也低，还能根据不同地层选用不同性能的类型。（2）兼有润滑减阻、提高钻头寿命、携带岩粉能力强，预防事故，提高钻速等优点。（3）有些品种如SM植物胶、NG植物胶等还有保护岩芯的作用。长办在三峡就成功利用SM植物胶泥浆取出了柱状岩芯。所以在条件允许的情况下，应优先选用泥浆，特别是选用优质泥浆。用好泥浆的关键是选好类型，抓好现

15、场管理。5.1.2 对泥浆的要求与性能指标（1）必须是低固相、低粘度和低比重。这样才有可能在环空间隙小的情况下，减少流动阻力和泵压损失，使钻具开上高转速，特别是金刚石钻进。（2）必须有良好的润滑性，以减轻钻具高转速时的耐磨和振动；（3）要求泥浆失水量较小，泥饼致密，润滑性好，有利于减少动失水和上下钻时的压力激动。（4）要求泥浆流变性好，具有良好的剪切稀释作用，既有利于钻头的冷却，延长钻头寿命；又有利于携带岩粉和保护孔壁；（5）要求泥浆有低的切力和良好的地表除砂系统，有利于排除细的岩粉。泥浆的具体性能指标值参考如下表4-5-1。表4-5-1 泥浆的性能指标参考值胶体率（%）比重粘度（s）失水量（

16、cm/30min）泥皮厚（mm）含砂量（%）静切力（mgf/cm2）PH值971.051.101723790.50.50278.55.1.3 泥浆性能及其测定泥浆的工艺性能是泥浆物理化学性质的反映。泥浆性质的变化直接影响机械钻速、钻头寿命、孔壁稳定、悬浮、携带与清除岩粉、护壁堵漏和孔内事故等一系列钻进工艺问题。泥浆主要性能有：泥浆比重、泥浆流变性（粘度与切力等）、泥浆失水量、泥浆造壁能、泥浆含砂量、泥浆PH值等。（1）比重泥浆比重是泥浆质量与同体积水的质量比，其大小主要取决于泥浆中固相（粘土及惰性添加剂）的浓度与固相的比重。由于粘土类型不同，粘土用量也不同，因而原浆比重也有较大差别。如膨润土泥

17、浆，粘土用量少，因此原浆比重低，一般为1.051.08。如用较差的粘土，粘土用量大，孔内泥浆柱质量大，对孔壁压力也大，对保持孔壁稳定有很大好处，在孔内漏失轻微时，应减小泥浆比重。测量泥浆比重的仪器，常用的是泥浆比重称。（2）粘度粘度是泥浆相对运动时的内摩擦阻力。泥浆粘度受下列因素影响：粘土含量、粘土颗粒分散程度、泥浆的结构强度等。泥浆粘度是以一定体积的泥浆通过给定的孔径时所需的时间（s）来表示。泥浆粘度应根据地层岩性的要求而确定。粘度大的泥浆对携带孔底岩粉、防止孔壁坍塌掉块、堵漏都有很大好处。但泥浆净化、水泵抽吸都不利，同时容易糊钻，影响钻进效率。粘度过低，携带岩粉困难，对破碎漏失地层护壁堵漏

18、不利。一般在粘土层的粘度是1820s，砂砾石层2025s，砂层2022s。测定浆液的粘度可使用1006型泥浆粘度计。标准粘度计测得清水的粘度是15s，使用此值可以校正粘度计的精度。校正公式：=(15/S)×D 校正的粘度（s） S实测的水的粘度（s） D实测的浆液的粘度（s）（3）含砂量含砂量是指泥浆中大于0.02mm的砂子占泥浆体积的百分数。泥浆含砂量的大小取决于造浆粘土本身含砂量的多少及钻进过程中对泥浆净化的程度。使用含砂量大的泥浆，会加速水泵零件的磨损。在孔壁上形成的泥皮较厚，导致泥皮脱落、冲洗液中断时发生砂子沉淀而造成埋钻事故。泥浆含砂量愈小愈好，一般含砂量不应大于4%。测定

19、含砂量可用1004型泥浆含砂量测定器，测定时，取50mL粘土浆与450mL清水，在测定器内混合，摇匀，然后静置1min。读出砂子在量杯细管内沉淀的刻度数，再乘以2，即为浆液含砂量百分数（沉淀管刻度从19mL，最小分格为0.1mL）。（4）失水量与造壁能当泥浆在孔内循环时，因受压力差作用，泥浆中一部分水份被迫渗入地层。这种现象叫泥浆失水，失水的多少叫失水量。在泥浆失水的同时，粘土颗粒被阻留在孔壁上，在泥浆柱的压力作用下，在孔壁形成一层泥皮，其厚度成泥皮厚。形成泥皮的能力叫造壁能。泥皮可阻止水份向地层渗入。失水量一般以30min内在一个大气压压差作用下，渗过一定面积（100mm2）的水量来表示，单

20、位为mL。泥浆失水量的大小与粘土性质、泥浆中胶质粒子浓度、泥皮性质、压力差等因素有关。失水量大的泥浆易发生坍塌、掉块等现象。甚至发生事故。要求泥浆失水量不应超过30mL/30min。可采用1009型泥浆失水量测定器测定失水量。在野外常用滤纸法测定，其方法是用一张12cm×12cm的定量滤纸，放在水平的玻璃板或金属板上，在滤纸的中央部位，先用铅笔划一直径30mm的圆圈，然后将2cm3的泥浆滴入圆圈内，经过30min之后，测量湿圈的直径，取其平均值的毫米数即相当于失水量cm3/30min。一般钻进用的泥浆，其失水量要求在30min时，滤纸上的湿圈直径为2530mm以内，亦即失水量为253

21、0mL/30min。（5）触变性和静切力泥浆在静止时，由于粘土颗粒形状不规则，表面带电性和亲水性不均匀，颗粒的棱角间相互粘结形成网状结构。时间增长，结构形成愈巩固，使泥浆变成冻胶状。但经泥浆搅拌，将结构破坏后，泥浆又恢复原有的流动性，这种特性称为触变性。要使静止的浆液开始流动，破坏网状结构所需最小的力称为静切力，单位mg/cm2。触变性随静切力而变化，浆液的静切力大，其触变性也大，故静切力是测定浆液触变性和网状结构强度的指标。随着静止时间的增加，浆液结构逐渐完善而巩固，静切力也逐渐增加，一般都取1min及10min的静切力值作为泥浆形成结构的能力大小的相对度量，1min的称为初切力，10min

22、的称为终切力。具有良好触变性的粘土浆，其在流动时近于流体，减少流动阻力；而在静止时，不使颗粒迅速沉淀。正常钻进时，泥浆的静切力最好保持在2060mg/cm2之间。静切力试验方法：有U型管静静切力测定法。常用静切力测定计测定：即利用1007型泥浆静切力测定粘土浆的静切力。它是用已知刚性系数的钢丝所悬挂的园柱体，在稳定转动的泥浆杯中偏转的角度来测定。（6） 胶体率胶体率：表示粘土质分散悬浮于水中的能力。粘土浆是粘土颗粒在水中分散和水化的半胶体悬浮液，因粘土颗粒大小和水化程度不一，静止时，颗粒大，水化不好的粘土颗粒就要下沉，同时部分自由水从泥浆中析出。这种现象越严重，表明泥浆质量越不好，胶体率越低。

23、胶体率的测定，其方法是向均匀直径的量筒内加入100mL浆液，摇振使之均匀后，静置24h，根据浆液上部分离出的清水体积计算胶体率。例如：析出清水为2mL，则泥浆的胶体率为98%。一般要求钻进用的合格的粘土浆，其胶体率应不小于97%。（7）PH值泥浆PH值的大小表示泥浆酸碱性的强弱。PH7时，泥浆呈酸性；PH7时，泥浆呈中性；PH7时，泥浆呈碱性。目前测量泥浆的PH值常用的是比色法，即取一条PH试纸，浸沾泥浆或滤液，半秒钟后取出与标准试纸相比较，即可得出PH值。（8）稳定性浆液的稳定性是表示浆液浓度均匀程度的标志。稳定性可用均匀直径的量筒测定，将浆液放入量筒中，静置24h，测定筒内上半部和下半部两

24、个部位浆液的比重，此两比重值之差，即表示该浆液的稳定性，比重差值愈小，表明浆液的稳定性能愈好。一般要求钻进用的粘土浆的稳定性不大于0.020.06。5.1.4聚丙烯酰胺泥浆5.1.4.1泥浆成分聚丙烯酰胺泥浆（简称PAM泥浆）的成分：除水和粘土外，还有絮凝剂、纯碱和降失水剂。（1）絮凝剂：能使泥浆中过多的有害固相絮凝以利于清除的有机处理剂叫有机絮凝剂。它能使胶体粒子絮凝为不同程度的粗分散或非分散状态，能防止或减轻水敏地层的水化稳定，抑制孔内自然造浆。采用水解度（聚丙烯酰胺在NaOH水溶液中部分酰胺基解变成羧钠基，转变的百分数叫水解度）为30%，分子量为150万300万的聚丙烯酰胺，它具有较好的

25、絮凝能力。一般在泥浆中的加量为10500PPM（1ppm=1mg/L）。水解后的PAM起增效性絮凝作用，在泥浆中能絮凝造浆性能差的劣质粘土和岩粉，而使造浆性能好的粘土颗粒增粘而不絮凝沉淀。并且泥浆滤液有抑制孔壁岩石水化膨胀作用，对稳定孔壁有利。国产的PAM为粘稠冻胶状水溶液，其分子量为100500万，含量为7%8%。水解聚丙烯酰胺的代号为PHP或HPAM。高分子量的未水解或水解度低于10%的聚丙烯酰胺，可作为完全絮凝剂，往清水或乳状冲洗液中加入350ppm，即可絮凝岩粉，处理泥浆时，可以维持泥浆低固相。高水解度的聚丙烯酰胺，可作为泥浆降失水和增粘用。（2）纯碱（Na2CO3）：是粘土预水化处理

26、必不可少的材料，使钙搬土变为钠搬土，增强水化和分散能力，有利于配制PAM泥浆。加碱量为0.20.5%。（3）粘土：是由极细小的含铝硅酸盐矿物组成，由母岩经风化、搬运、沉积而成。岩石经风化后生成的粘土矿物种类很多，主要粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石、伊利石。含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土；含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土；以水云母矿物为主的粘土称为水云母粘土。 粘土的技术指标： 粘粒（粒径小于0.005mm）含量不宜低于25%； 塑性指数不小于14； 含砂量不宜大于5%； 有机物含量大宜大于3%。（4）水是泥浆的重要组成部分，具有很强的溶解能力，能溶解很多有机物和无机物。水中都含有很多杂质，最

27、多是钙、镁等盐类。这些杂质对泥浆的质量有很大影响，如含杂质过多，应在造浆后根据泥浆性能的要求，对泥浆进行处理。一般用水要求满足水工混凝土的要求。（5）降失水剂若用优质搬土造浆，可不用除失水剂，用普通粘土造浆宜加少量降失水剂。常用的是CMC（羧甲基纤维素），加量为0.2%。根据其溶液粘度的大小可分为高粘度、中粘度和低粘度三种类型，其实质是聚合度高低不同。高粘度型适用于低固相泥浆，低粘度型适用于高加重泥浆的降失水，中粘度型适用于一般泥浆。CMC可使粘土分散稳定，大分子链吸附粘土胶粒形成混合网状结构，阻止粘土细颗粒互相粘结变大，形成泥皮致密而坚韧。同时溶于水中能增大水的粘度，使泥浆失水量下降。还能增

28、大泥皮的胶结性，可抑制页岩水化膨胀，达到巩固孔壁的作用。也可用于提高低固相泥浆的粘度，增大泥浆的悬浮力和携带力，保持孔底清洁。由于CMC较贵，目前用晴纶下脚料聚丙烯晴代替。它具有良好的降失水性能和抗钙、盐能力。往泥浆中的加量为0.30.1%，聚丙烯晴的成本约为CMC的1/101/15。江西某矿区地层复杂，掉块、垮渣、漏失较严重，下钻经常差35mm不到底，使用PAM泥浆后，能够顺利钻进。该矿区使用的PAM泥浆配方为表5-5-2：表5-5-2 某矿区PAM泥浆配方参考表配方粘土纯碱CMCPHP（水解度30%，浓度为1%）皂化溶解油68%0.30.4%0.2%0.71%0.5%泥浆性能密 度（g/c

29、m3）失 水 量（mL/30min）粘 度（s）泥皮厚（mm）含砂量PH 值1.041.061018200.50.5%8.59.55.1.4.2 聚丙烯酰胺泥浆的配制与维护（1）PAM泥浆的配制：聚丙烯酰胺的产品的水解的和非水解的两种，后者使用前应加烧碱进行水解，所需加碱量可按下列公式计算： （kgf） （4.2-1） 式中：所需加碱量 kgf WPAMPAM的固体重量，kgf，它等于PAM重量乘以PAM的固体百分含量 H所需水解度（例如30%=0.3） 40烧碱（NaOH）的分子量 71PAM的链节分子量水解时宜先将PAM配成浓度为12%的PAM溶液。水解方法有常温水解法和加温水解法。前者是

30、将PAM溶液及烧碱放入容器内，静置23天，让其自行水解。按公式计算结果，大致是用10kg7%浓度的PAM，加0.12kg烧碱，加60kg水，搅后放23天，即为水解度30%左右，浓度为1%的水解聚丙烯酰胺。加温水解可在汽油桶内，加温至90100，搅拌34小时即可。由于PAM溶解速度慢，水解需要一定时间，机台上应储备足够的，合乎要求的，浓度为12%的水解聚丙烯酰胺。（2）使用维护注意事项：1）根据地层的要求，建立统一的PAM泥浆的性能指标；2）要有专人管理，定期测定泥浆性能，注意水解聚丙烯酰胺的加量，切勿过量。3）控制好固相含量，这是用好PAM泥浆的关键。4）吸水莲蓬头要悬吊，不能放在水源箱底部，

31、以防抽吸大量絮凝沉淀的岩粉进入孔内。5）暴雨季节应搭泥浆棚，以免雨水污染泥浆等。为了使细粒岩粉能很好悬浮于水中和增加无固相冲洗液的堵塞和造壁能力，使无固相冲洗液具有一定粘度和切力，必须往无固相冲洗液中加入高分子聚合物。如多糖类处理剂瓜尔胶、香叶粉、海澡胶、高粘度CMC、羧乙基纤维素、生物聚合物等。为了提高冲洗液含钙量，提高抗浸污能力和抑制粘土质岩层膨胀和造浆，可加入氯化钙、石膏等。为了进一步降低冲洗液的失水量，可加入煤碱剂，Na-CMC聚阴离子纤维素，水解聚丙烯晴，水玻璃等。现列举几个配方，供使用时参考：配方1：往水中加入氯化钙3%，石灰1%，褐煤15%，烧碱1%，香叶粉68%，所得冲洗液的性

32、能：含钙4450ppm，密度1.66g/cm3，粘度54s，失水10mL/30min，泥饼厚0.5mm，切力1832mgf/cm2。配方2：清水中加入700ppm以上未水解或低水解的聚丙烯铣胺，可起絮凝岩粉及防塌作用。配方3：水玻璃10%，烧碱液35%，水55%，所得冲洗液性能为：粘度22s，密度1.1 g/cm3，失水量67mL/30min。配方4：聚丙烯酰胺和水玻璃1015%，水8590%，所得冲洗液性能为：密度1.04 g/cm3，粘度2426s，失水量67mL/30min。5.1.5植物胶泥浆SM植物胶属国电公司成都院80年代的科研成果，是由植物制成的一种粉剂，正式使用时间为80年代末

33、。SM植物胶作为冲洗液材料，既可直接配制成无固相冲洗液，又可以作为一种优良的增粘、降失水及提高润滑减阻作用的泥浆处理剂，还可配制成低固相泥浆，适用于不同的复杂地层。从1990年开始使用SM植物胶低固相冲洗液先进工艺技术以来，先后在小关子电站、理县电站、紫坪铺水库地震孔、清平水库、大桥水库、天龙湖电站等近20个大、中型水利工程中应用，取得了较好的效果，特别是在天龙湖电站中，利用SM植物胶技术，成功地钻进了120 m的深厚覆盖层。 5.1.5.1 SM植物胶泥浆的优点：（1）润滑性好，减振作用明显，能减轻钻头、钻具磨损，提高钻头寿命，也减轻了机械的磨损和负荷。（2）SM植物胶无固相泥浆和SM植物胶

34、低固相泥浆性能优良，具有很强的护壁防塌能力，该液体粘度大，失水量小，使用时间长，有一定的堵漏作用。在砂卵石覆盖层钻进中与金刚石双管钻具相配合，大大地提高了覆盖层中的钻进效率，取得了明显的经济效益。如在理县电站ZK8号钻孔中仅用32个台班就完成了80.34 m的深厚覆盖层钻探任务，在宝兴小关子电站中也仅用12个台班就完成了50余米的覆盖层钻探任务，比采用常规清水跟管钻进提高工效很多；（3）SM胶泥浆携带岩粉性好，在岩样表面能快速的包裹一层塑性薄膜状的浆液，可使粉砂碎石带出孔外，使孔内干净，能预防孔内事故。（4）采用SM植物胶金刚石钻进工艺钻进覆盖层，由于粘结性好，使小粒砂快速粘结，可降低钻探成本

35、，同时使岩心采取也得到了保障，特别是取出了常规钻进所无法取得的近似原状的纯砂样。譬如在理县电站ZK8号钻孔的61.7563.08 m；67.8969.32 m孔段，共取得总长度为2.58 m柱状纯砂样，为地质上的论证提供了可靠的依据。宝兴电站ZK2号钻孔，岩心采取率达到了90%以上，取得了跟管钻进无法取出的粉土夹碎块石的圆柱状岩体，查清了泥石流堆积体的结构成分； 5.1.5.2 SM植物胶的成分（1）原料：SM植物胶，膨润土，纯碱（2）SM植物胶泥浆各成分的比例：制造1m3浆液所需膨润土2030kg，SM植物胶粉25kg，纯碱为土粉与SM胶粉总重的5%6%，约23kg，PHP干粉加量为1003

36、00 ppm（如已水解成10%，则为0.2%0.3%）；5.1.5.3 SM植物胶的配制方法：（1）SM植物胶低固相冲洗液的配制SM植物胶低固相冲洗液的配方：膨润土的加量4%8%；SM植物胶的加量为0.5%1%；纯碱加量为土粉和SM植物胶总重量的5%6%；PHP干粉加量为100300ppm（如已水解成10%，则为0.2%0.3%）；SM植物胶低固相冲洗液的制备：将土粉和SM植物胶粉混合后同时加入纯碱水溶液中搅拌或先将土粉在纯碱中搅匀后，再加入SM植物胶搅拌2030 min，然后浸泡待稠化后使用。亦可将分别泡好的两种浆液按比例混合并加水稀释，搅拌均匀即可使用。（2）SM植物胶无固相冲洗液的配制&

37、#160;配方：SM植物胶干粉加量为2%；纯碱加量5%左右，并将其水化处理；PHP干粉加量为100300 ppm； SM植物胶冲洗液的制备：将SM植物胶粉加入纯碱水溶液中搅拌2030 min，然后浸泡待稠化后使用。5.1.5.4 注意事项（1）在搅拌冲洗液时，首先应加入约搅拌机容量1/3的水量，开动搅拌机，加入所需的完全溶解后的纯碱水，再加入SM植物胶干粉（或土粉和植物胶的混合物），否则将影响植物胶粉的分散，易形成大小不一的团块，从而降低浆液的性能，堵塞吸水头，给钻进工作带来障碍；（2）搅拌好的浆液必须浸泡24 h，待性能稳定后才能使用。在气温较高时，浸泡12 h后方可使用，但浆液中

38、应加入腐植酸钾，防止浆液变质；（3）根据地层情况，灵活掌握膨润土或胶粉用量。粘度不能过大，一般为2050s。（4）当发现浆液中含砂量较高、性能迅速降低时，应立即进行换浆；（5）为了净化浆液，在泥浆循环系统中至少应有一个沉淀箱，且循环槽的长度按适当的坡度设计，不得小于10 m，否则将影响浆液中岩屑的沉淀，降低浆液循环使用的时间；（6）在钻进过程中，如发现浆液漏失，应立即进行堵漏。如漏失严重堵漏无效时，可下套管进行隔离，严禁顶漏钻进，否则极易造成孔壁坍塌事故；（7）限制起下钻的速度，减少孔内泥浆的激荡压力对孔壁稳定造成的影响，每次起下钻时应向孔内回灌泥浆以维持孔内的压力平衡，保持孔壁的稳定；（8）

39、在钻进规程参数选择中，应遵循低压、中转速、小泵量的原则，即钻压应控制在23 MPa范围内，转速在600700 r/min比较适合，而泵量则应尽可能的小，以减少泥浆对孔壁的冲刷力；（9）在钻进中，应经常清理堵塞在吸水头上的搅散的泥浆团块，以免使吸入孔内的泥浆浓度降低，达不到最佳的护壁效果；（10）在钻进砂卵砾石层时，应选用胎体硬度在3850 HRC的热压孕镶金刚石钻头；（11）经常检查单动双管钻具的单动性能，尤其是轴承的灵活性，应及时拆卸，清洗加油，更换密封圈，合理调节内、外管间隙。在砂土层中，将卡簧座及钻头的间隙增大到810 mm，以防水路堵塞，在卵砾层中控制在35 mm为宜；（12）回次进尺

40、控制在1.21.5 m，发现堵心时应立即提钻。5.1.6 泥浆的净化与现场管理5.1.6.1 泥浆的净化钻进过程中，由孔底返上的泥浆携带大量的岩粉，使泥浆比重、粘度、含砂量等性能发生变化，加速水泵零件磨损，影响对孔底的冲洗，甚至会造成孔内事故。因此必须不断清除岩粉。目前普遍使用沉淀法清除泥浆中的岩粉。一般均设置一定长度和坡度的循环槽和沉淀池，使泥浆在循环槽中保持一定流速，使岩粉得以沉淀。循环槽断面尺寸为：高200250mm，宽300mm，长度不小于1520m，坡度1/100左右。保证泥浆在循环槽中流速在1518cm/s之间。在循环槽中每隔1.52m安装高度为100mm的挡板，这样可造成局部涡流

41、，使岩粉更易沉淀下来。设置23个沉淀池，使泥浆流入沉淀池后再次得以沉淀。此外，有条件时还可以采用泥浆净化器（如ZX-200型泥浆净化器）进行泥浆净化，通过振动筛或旋流器清除岩粉效果更好。5.1.6.2 泥浆的现场管理（1）根据地层情况，经过试验确定合适的泥浆配方，配好所需泥浆，并在钻进过程中定期补充新浆；（2）定期测定返出孔口的泥浆性能，确定补充处理所需药品。补充处理剂时，不得加得过快；（3）定期做好除砂清渣工作，检查莲蓬头不通水的原因。保持泥浆含砂量和固相含量合乎要求；（4）机场人员对泥浆质量负责，每班设专人管理泥浆，负责测定泥浆性能，做好记录工作。（5）泥浆过稠时，应用稀泥浆稀释或加入降粘

42、剂，严禁任意加入清水。防止洗刷机械、工具和地板的污水和雨水流入循环槽、沉淀池和泥浆池，以免影响泥浆性能。（6）现场泥浆药剂要保管好，防止风吹雨打。使用化学药剂处理泥浆时，应配备防护用品。做到安全生产，防止药剂伤人。5.2重视水泥的应用这种方法主要适合局部孔段破碎、裂隙、风化等地层的护壁及中小型漏失孔段的堵漏。5.2.1 护壁堵漏对水泥性能的主要要求用于钻孔护壁堵漏的水泥浆应该是：流动性好，待凝时间短，早期强度高，有较高的粘结强度，有适当的细度，以提高水泥在孔隙、裂隙中的可灌性。具体要求为：5.2.1.1 水泥浆的可泵性和可泵期水泥浆的可泵性是指水泥浆加入适量的附加剂时，其流动性能好，便于水泵抽

43、送通过管柱压入孔内预定部位。其流动度大于15cm以上，水泵才能顺利抽送。水泥浆的可泵期是指水泥浆能用水泵抽送的时间期限。水泥浆的可泵期至少应在4060min范围内。5.2.1.2 水泥石的早期强度当水泥石抗压强度接近8MPa时，就可以从孔内取出完整的灰心。因此，要求水泥浆灌入孔内后，能在56h或更短的时间内达到这一标准。5.2.1.3 水泥浆的初凝和终凝时间水泥浆初凝后，能立即终凝。终凝后其强度增长快，能堵塞较大裂隙和严重漏失的地层。5.2.1.4 水泥浆凝固后具有微膨胀性水泥浆在水泵压力作用下流入岩层裂隙中。凝固后，其体积有微膨胀性，对封闭漏失通道更可靠。5.2.1.5 水泥浆的比重0.45

44、0.50水灰比的水泥浆比重在2.0左右。封堵较大裂隙时，为避免大量流失，水泥浆比重要小些；封堵坍塌层或涌水层则要求比重要大些。5.2.1.6 不具污染具有抗各种盐类（如硫酸盐或碱土金属等），不应对其凝固、硬化产生不良影响。5.2.2地勘专用水泥专用于钻孔护壁堵漏的硫铝酸盐地质勘探水泥（简称地勘专用水泥），是一种新品种水泥，其主要矿物成分为硫铝酸钙，这种水泥国内外应用比较广泛。我国由建筑材料科学院水泥所与石家庄水泥厂研制和生产的B1型早强水泥、B2型微膨胀水泥与B3型自应力水泥等品种属于这种类型。由同济大学和上海洋经水泥厂等单位研制与生产的超早强水泥，都适用于地质勘探护壁堵漏的特点，已于1980

45、年9月通过鉴定。5.2.2.1 硫铝酸盐水泥的原料硫铝酸盐地勘水泥的主要原料是石灰石、矾土、石膏和混合材料。必要时还用少量铁粉作为辅助原料。根据地质勘探不同情况，又有H、R两种型号，它们对原材料石灰石无特殊要求。一般可采用普通硅酸盐水泥用的石灰石，矾土的Al2O3含量不宜过低。型号不同的地勘水泥对矾土质量的要求也不同。H型要求矾土的质量较高，R型的要求则较低。石膏可用二水石膏，也可用无水石膏（硬石膏），还可用工业废石膏，因而原料来源极其丰富。铁粉可用硫铁渣或铁矿石。混合材料可用含钙量较高的工业废渣。地勘水泥经过燃烧后的主要矿物成分为硫铝酸钙4CaO·3Al2O3·CaSO4

46、（代号为C4A3S）；其次是铝酸钙12CaO·7Al2O3（C12A7），型硅酸钙-2CaO·SiO2（-C2S），还有一些配料。5.2.2.2 硫铝酸盐水泥的主要性能B1型早强水泥浆的初凝时间为40min，终凝时间为55min；抗压强度1d为42.4MPa，3d为51.6MPa，28d为59.4MPa；抗拉强度1d为3.5MPa，3d为3.4MPa，28d为3MPa。H型和R型地勘水泥的具体性能见表5-5-3：其中抗拉强度4h为0.350.74MPa，1d为3.3MPa，3d为4.83.7MPa，28d为5.64.09MPa。表5-5-3 地勘水泥性能表各龄期强型号 抗折

47、强度（MPa）抗压强度（MPa）4h8h1d28d4h8h1d28dH3.54.55.832.045.057.5R1.83.24.06.312.023.036.045.7型号水灰比试验温度初 凝终 凝不早于初凝后不迟于H0.520±230min30minR0.520±215min10min5.2.2.3 硫铝酸盐水泥性能的特点（1）凝结时间快。最大特点是初凝到终凝的间隔时间很短。水泥浆液的初凝时间几乎同时达到。水泥浆液注入孔内后，能很快稠化固结，防止水泥浆流失或稀释。（2）早期强度高。一般4h抗压强度可达到817.6MPa，取出的水泥石心相当于可钻性级的岩石强度。（3）具有

48、微膨胀性。水灰比为0.4的H型与R型水泥，一天的膨胀率可达到0.09%0.40%，可使灌注浆液与孔壁破碎岩层紧密结合，起到很好的固壁、堵漏作用。（4）这种水泥耐硫酸盐的侵蚀性能很好，在3%含有硫酸根离子的侵蚀介质中，水泥强度不仅没有降低反而有所提高。但不耐碱，在碱性溶液中强度稍有下降。（5）这种水泥对温度很敏感。温度升高，水泥反应加速，凝结时间缩短，强度增长速度加快，从而提高了护壁堵漏效果。但该水泥对温度的敏感性高，使用时应注意温度的影响，当地面温度在1525时，以R型为好，大于30时，要选用H型。但对高温季节特别是南方的施工带来不便。应适当加大水灰比或调整附加剂用量，如加入减水剂、缓凝剂，以

49、保证必要的可泵期。（6）由于该水泥的需水量比硅酸盐水泥大很多，所以使用时水灰比较大，可达0.50.55，便于往钻孔中灌注。 5.2.2.4水泥浆的灌注灌注前应做好准备工作，首先查清孔内复杂地层的情况，确定所需灌注的深度，水泥浆的用量和灌注方法。然后，本着经济可靠的原则合理选用水泥的品种与标号，并根据灌注要求，在室内做好流动度，初、终凝时间的试验，优选水泥配方，并按确定的配方配浆。仔细检查灌浆系统的可靠程度，确保在灌注过程中不发生故障。水泥浆灌注方法：一般可用灌浆泵灌注法，是用浆泵将水泥浆通过钻杆柱泵入孔内的一种方法。但泵灌法要严格控制好水灰比，水灰比过大，虽然易泵送，但延长了待凝时间，水灰比过

50、小，浆液易凝结在灌注系统中而发生事故。目前岩芯钻已做到水灰比0.40.5，一般水泥浆在流动度达14cm就可泵送。所以，水泥护壁堵漏的关键是：要明确灌注目的、部位，优先选用地勘水泥，合理控制水灰比，视现场条件，孔内情况正确选用灌注方法，要特别注意防止孔内水稀释。5.2.3 硫铝酸盐“S”型瞬凝水泥“S”型瞬凝水泥是一种凝结时间非常短、早期强度高、能形成微膨胀的新型水泥。由中南工业大学与有关单位共同研制成功。初凝时间35min，终凝时间不大于10min，4h抗压强度可达20MPa，3d自由线膨胀率为0.5%0.8%。其性能完全可以满足干法灌注的要求。5.2.3.1 干法堵漏时使用的配方“S”型水泥

51、可直接用干粉堵漏。如果由于存放或其他原因，使凝结时间延长，在选择配方时，还需加入一定数量的速凝剂。如加入0.7%1.5%的Ca（OH）2，水灰比为0.6，初凝时间1525min，终凝时间为2239min。抗压强度，4h为7.210MPa，8h为10.412MPa，24h为14.416MPa。5.2.3.2 灌注工艺技术（1）装袋：首先将“S”型水泥（或加速凝剂）在地面充分拌和均匀，装入一定直径的塑料袋中扎紧密封，然后放入灌注器中。塑料袋直径应略小于容纳管内径。如89mm的容纳管，塑料袋直径一般为80mm，长度为400600mm。此外，还应有一定厚度和强度。（2）输送：先将木塞和橡皮密封圈置于灌

52、注器下端，将塑料袋装水泥放入容纳管内，再装一个木塞或橡胶垫密封。用钻杆将其送到预定位置，然后开泵送水，高压水推动上活塞，将水泥塑料袋连同下活塞一起挤出容纳管并推入孔内。如泵压突然升高，说明上活塞已下行到最低位置，即可停泵，完成输送任务。（3）扫孔：输送完水泥，将灌注器提升至地面后，再将带螺旋钻头和挤抹器的钻具下到预定位置。螺旋钻头扫破塑料袋并搅拌水泥浆。挤抹器将水泥浆挤入裂隙，凝固后即可堵漏。（4）候凝时间：一般为0.51h。（5）清洗：灌注器和扫孔钻具用毕应清洗干净，放好备用。如长期不用，最好涂油防锈。（6）检查与重新钻进：候凝后立即恢复正常钻进。扫孔时就有少量水断续上返，扫到底后基本上全返

53、水，说明堵漏成功。5.3 DPPL-1型粘结堵漏防渗材料北京中珞新技术开发公司研制的DPPL-1型粘结堵漏防渗材料，是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成，通过调整外掺二水石膏获得早强、微膨胀性能。标号525#、625#、725#、825#、925#共五种。比表面积60008000cm2/g，标准稠度25%30%，凝结时间260min可调。该材料的性能：快凝，能调整胶浆凝固时间，从几分钟到几十分钟；早强高强；胶凝体耐磨；流动度大，有较好的可灌性；胶凝体的收缩小，能与岩石保持密贴。5.3.1 防渗材料试验结果水灰比为0.5时，可以掺入少量减水剂，0.3%的B外加剂或0.3%的AB外加剂，即可满

54、足流动度的要求。在这种情况下，掺入0.02%的A外加剂就能使初凝时间大为提前。水灰比为0.6时，不掺用任何减水剂，其流动度可达到245mm，凝结时间大为推迟。在水灰比为0.6的DPPL-1型材料中，掺入0.01%0.02%的A外加剂也能有效地缩短凝结时间。5.3.2 A外加剂掺量对水泥净浆强度的影响在水泥净浆中掺0.08%的A外加剂，水灰比为0.6，气温18的环境，2h抗压强度为6.5MPa，3h抗压强度为11.9MPa；掺入0.05%的A外加剂时，3h抗压强度为8.9MPa；掺入0.01%的A外加剂时，3h抗压强度为0.5MPa。随着A外掺量的减少，净浆早期抗压强度逐渐降低。DPPL-1型材

55、料可以根据用户施工工艺的要求，调整好需要的凝结时间、流动度以及强度等参数，从而达到堵漏防渗的目的。5.4水泥外加剂用水泥进行护壁堵漏时，可以利用各种化学附加剂改善水泥浆的某些性能，使之更好地满足施工要求。常用的水泥附加剂有以下几种：5.4.1 水泥速凝剂（1）氯化钙、氯化钠，是应用广泛、效果较好的速凝早强剂，以氯化钙更为突出。水泥中加入水泥质量的1.0%1.5%的氯化钙，可使凝固时间缩短一半，加入2.5%3%时，凝固期更短。常用加量为1%3%。（2）水玻璃，是常用的速凝剂。加入量为2%3%时，凝固期可缩短30%40%。加入后，流动度降低，不易泵送。故适用于堵漏，不宜用于护壁。（3）硫酸钙（石膏

56、）。适量的石膏能起促凝作用，提高早期强度。加入量一般为5%7%。（4）711速凝剂。加入量为2.5%3.5%时，可使水泥在5min左右初凝，10min内终凝。其早期强度有较大提高。普通硅酸盐水泥的加量一般为3.5%，矿渣硅酸盐水泥加量的4.5%。5.4.2 水泥速凝早强剂这种复合剂能使水泥浆具有速凝早强性质，对提高护壁效果更有利。如三乙醇胺类复合剂，在护壁堵漏中，大量生产实践证明，对于普通水泥和矿渣硅酸盐水泥在0.45水灰比情况下，加量0.05%的三乙醇胺和0.5%的食盐，均收到良好效果。灌浆后在孔内候凝3840h，可取出可钻性级的灰心。5.4.3 水泥减水剂减水剂一般属亲水表面活性物质，加入水泥浆中后，能破坏网状结构，使水泥颗粒分散（故又可叫分散剂或扩散剂），增加水泥浆的流动度，降低水灰比，同时可提高水泥石强度，水泥石变得更致密，起早强作用。硫铝酸盐地勘水泥使用时，一般需添加减水剂。（1）NNO型减水剂，又名亚甲基双萘磺酸钠，加入量0.51%，减水率2025%，能延长凝结时间34h，3天强度能提高60%，在相同条件下可节约水泥15%以上。（2）M型减水剂：主要成分是木质素磺酸钙，含量60%左右。