2.1　斜孔钻进典型地层岩石钻进特性

地层的岩石钻进特性是钻孔结构设计、钻进工艺技术选择等的主要依据。水利水电工程大顶角超深斜孔的钻孔结构设计之前，必须充分把握钻遇地层的工程地质特征和钻进特性，进而设计合理、可行、经济的钻孔结构，并确定相应的钻进工艺技术方案。

2.1.1　砂卵砾石层

砂卵砾石地层是一种典型的不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，呈大小不等的颗粒状，在自然界中分布较广，多数由第四纪河流冲洪积、冰川堆积和滑坡堆积而成的未胶结的火成岩、变质岩组成。在老河床、河漫滩、山前坡地、山区河流的中上游等处广泛分布。

砂卵砾石地的特点主要有以下几点：

（1）一些地区埋藏比较深，厚度比较大，往往达50～100m。

（2）结构松散、无胶结，还有局部架空，冲洗液漏失严重。

（3）质地坚硬，结构复杂，其成分主要由坚硬的火成岩、变质岩等组成，可钻性级别一般在7～11级。

（4）颗粒级配无规律，分选性差，从细砂到粒径10m以上的漂砾无一不有。

基于以上特点，卵砾石地层钻探施工过程中的主要表现为：

（1）钻进效率低，钻进速度缓慢。

（2）采芯率低，取芯质量低，岩芯采取率很难达到地质要求。

（3）孔壁不稳定，护孔困难，经常发生孔内事故。

（4）钻头易损坏、钻头寿命短。

因此，需要系统研究能够快速钻进卵砾砂层、深厚覆盖层，高效保质取芯，高效成孔的钻进设备、钻具、施工工艺等相关技术，集成现代先进钻探技术成果，并结合现场实际需求，形成优化组合钻探技术成果，为水利水电建设工程解决钻探难题提供技术支撑。

2.1.2　破碎与软弱夹层

破碎与软弱夹层在钻探过程中易发生缩径、坍塌卡钻、超径、固井质量低下等事故，给工程造成巨大的损失。

1.破碎地层

在岩钻探实践中常常遇到硬脆碎地层，这类岩层基本特征是节理、片理、裂隙发育、黏性低或无黏性、抗磨性低、钻具回转振动易破碎或酥脆、怕冲刷、易磨损、流失、不易取去完整岩芯。这种地层一旦被钻开，很容易破坏原来的相对稳定或平衡状态，使孔壁失去约束而产生不稳定。由于受到多次不同方向的地质构造力作用，在岩层中产生不同方向的交叉断裂形成裂隙钻进时，因钻具的振动碰撞和冲洗液的冲刷，容易造成岩破碎和孔壁坍塌。这种地层岩石破碎、坚硬，施工中常造成钻孔坍塌，提钻后（封门）不能成孔，再次下钻时要重新扫孔；因岩石坚硬，钻头寿命短，有的钻头寿命只有几米；因岩石呈脆性破碎，采芯非常困难；硬脆碎地层孔隙率大，钻孔漏失严重，冲洗液在钻头底部全部漏失，堵漏困难。这种地层施工难度相当大，造成报废钻孔很多。

2.断层破碎带

断层两盘相对运动，相互挤压，使附近的岩石破碎，形成与断层面大致平行的破碎带，称为断层破碎带，简称断裂带。破碎带的宽度有大有小，小者仅几厘米，大者达数公里，甚至更宽，与断层的规模和力学性质有关。

断层的形成过程是断层岩石角砾化碎屑物由粗变细的过程。在环境条件不变的情况下，碎屑物的粒度将随着断层的滑移逐渐变小，一般不会随着断层位移的增大而无限变小，而是趋于某一极值后逐渐稳定。新鲜断层泥的粒度范围较宽，最细小的颗粒直径约为0.01μm。在强烈地震条件下，断层的特点是不能用黏土矿物学的理论简单地加以解释的。在钻探施工过程中，断层表现出如下特性：

（1）在地应力的作用下发生塑性流动，导致钻孔缩径。

（2）断层遇到钻探泥浆中的自由水时，发生水敏性膨胀，导致钻孔缩径。

（3）由于断层泥极强的黏滞性，一旦将钻具卡住，很难解卡。

3.软弱夹层

软弱夹层一般指岩体中，在岩性上相比上、下岩层显著软弱，而且单层厚度也比较薄的岩层；其组成物质最常见的有泥质、碎屑、角砾等，也有的是由与坚硬岩石相比相对软弱的岩石组成。根据试验得知，坚硬岩层间的碎屑物质夹层，其粒径对抗剪强度有一定的影响。当粒径由2～3mm增大到2～3cm时，其内摩擦角达到最大值（由36°增至约39°）。当粒径再增大，其内摩擦角不再增加，基本上保持一定值。碎屑质软弱夹层的剪力强度还与其结构（咬合、孔隙等）有关。一般而言，结构密实的夹层，内摩擦角最大；结构疏松的夹层，内摩擦角最小；两者的内摩擦系数可差20％～25％。碎屑的硬度增加（风化程度减少），其内摩擦角显著增加。碎屑物质的级配为佳时，内摩擦系数可增高10％～35％。碎屑物质的圆度增大（尖角减小），其内摩擦系数可降低10％～20％；同时凝聚力可减小2～2.5倍。按其力学效应的程度，可分为薄膜、薄层及厚层三类。

薄膜状夹层的厚度一般小于1mm，多为次生的黏土矿物及蚀变物质充填，如高岭石、蒙脱石、滑石、蛇纹石、绿泥石等。薄膜可使不连续面的剪力强度降低。薄层状夹层的厚度与上、下盘面的起伏差相似。这样，不连续面的强度主要取决于夹层物质；岩体破坏的主要方式系沿着软弱夹层滑动。厚层状夹层的厚度可由几十厘米至几米。岩体内存在如此厚的软弱夹层，其破坏方式将不仅仅是沿着不连续面（即夹层）方向滑动，若其本身是塑性物质，则常以塑流状态被挤出，从而导致岩体的大规模破坏。通常来说，结构紧密、上下盘起伏大、位态变化多的软弱夹层，其剪力强度高；相反，则剪力强度低。由于软弱夹层强度低、易变形，常给工程建设带来困难及危害，有时因为软弱夹层的存在，需要改变设计、增加工程量或在工程后期加固，故必须小心调查与处理。

在某些情况下，软弱夹层或其与上下坚强岩层的接触部分遭受层间错动或地下水的长期物理化学作用时，会变成结构疏松、颗粒大小不均、强度较低的泥化软弱夹层，这种情况下软弱夹层也被称为泥化夹层，是一种特殊的软弱夹层。大部分泥化夹层是由原生沉积型软弱夹层发展变化而来，其产状与原来的夹层完全一致，泥化的厚度可能只有1～5mm。当原来夹层较薄时，则全部泥化；如果原来夹层厚度较大，则往往是靠近上、下层面的部分泥化，而中间部分仍保持原来的状态。尽管泥化夹层有时很薄，但当沿层面承受剪切应力时，它却能够起重要的润滑作用。这在顺向坡的顺层滑动是非常重要的一个机制。

在工程地质特性上，软弱夹层特别是其中的夹泥带（或泥化带），是在原软弱岩石的基础上，经过一系列机械的和化学的改造作用形成的。岩体性态的非均质性、构造应力场的非均质性、变蚀作用与风化作用的强度不同等，造成了软弱夹层厚度、颗粒成分、矿物成分和工程地质特性各方面的巨大差异，即便是同一条夹层也是如此。软弱夹层的工程地质特性有明显的分带性，一般可分为三个带：

（1）泥化带：位于夹层中部，它的组成除黏泥外，还含有不等量的母岩碎屑和石英、长石矿物晶粒，此带是夹层中物理力学性质最差的一个带。

（2）劈理带：位于泥化带一侧或两侧，与泥化带界限参差不齐，岩石成鳞片状。其排列有平行层面的，也有斜交层面的。此带怕挤压与振动，渗透性强。

（3）节理带：此带主要为垂直层面的两组压扭性裂隙和层面裂隙共同切割成片状与块状岩石相互镶嵌而成的破碎带，怕挤压与振动，渗透性强。

2.1.3　水敏性地层

水敏性地层是指孔壁与冲洗液接触，因而产生松散、溶胀、剥落、溶蚀等，孔壁失去稳定性的地层。大部分含黏土矿物的地层属此类，还包括有某些水溶性矿物胶结充填的地层。这类地层之所以有不同的水敏性，主要在于所含黏土矿物本身的类型、性质和含量多少，如含大量钠或钙蒙脱石矿物的松软地层，则水敏性最强；如所含矿物以高岭石、伊利石为主的硬黏土岩，则水敏性较弱。水敏性地层以泥岩、页岩、土层为主，其中存在着大量的黏土矿物，尤其是蒙脱石黏土矿物的存在，使近井壁地层受到冲洗液中自由水分的浸渗时，即发生黏土的吸水、膨胀、分散，导致钻孔井壁缩径、蠕变。水敏性地层是钻探施工中经常遇到的复杂地层，该类地层容易发生膨胀缩径、扩径、松散垮塌等孔内事故，导致延误工期、增加工程成本，甚至钻孔报废。

在地质勘探、水利水电及其他工程施工中，经常会遇到各种水敏性地层，其中包括松散黏土层、泥岩、软页岩、有裂隙的硬页岩、黏土胶结及水溶矿物胶结的地层，稳定性很差，尤其当其与水基钻井液接触时，岩体强度、内部应力都将随冲洗液类型及地层与冲洗液的接触时间的变化而变化，且易膨胀缩径，使泥浆增稠，造成钻头泥包、孔壁表面剥落、孔壁崩解垮塌而使钻孔超径，从而导致卡钻、钻杆甩断及井壁失稳等事故。

水敏地层井壁稳定问题是非常复杂的，是地层原地应力状态、井筒液柱压力、地层岩石力学特性、钻井液性能以及工程施工等多因素综合作用的结果。依据发生机理，井壁失稳可归结为两方面的原因：一方面是钻开地层后井内钻井液液柱的压力取代了所钻岩层对井壁的支撑，破坏了地层原有的应力平衡，引起井周应力重新分布，从而导致井壁失稳；另一方面是钻井液进入地层导致地层孔隙压力变化，并引起地层水化，导致岩石强度降低，进而加剧井壁失稳。所以井壁失稳既是力学问题，又是化学问题，是化学与力学问题的结合，在寻找解决途径的时候，必须将此两方面结合考虑才能找到有效的办法。

结合力学分析知，水敏性地层稳定性的影响因素有上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力、地层孔隙压力、凝聚力、内摩擦角、单轴抗拉强度、静态泊松比，以及有效应力系数、钻井液性能和钻井作业等。