2.1　斜孔鉆進典型地層巖石鉆進特性

地層的巖石鉆進特性是鉆孔結構設計、鉆進工藝技術選擇等的主要依據。水利水電工程大頂角超深斜孔的鉆孔結構設計之前，必須充分把握鉆遇地層的工程地質特征和鉆進特性，進而設計合理、可行、經濟的鉆孔結構，并確定相應的鉆進工藝技術方案。

2.1.1　砂卵礫石層

砂卵礫石地層是一種典型的不穩定地層，其基本特征是結構松散、無膠結，呈大小不等的顆粒狀，在自然界中分布較廣，多數由第四紀河流沖洪積、冰川堆積和滑坡堆積而成的未膠結的火成巖、變質巖組成。在老河床、河漫灘、山前坡地、山區河流的中上游等處廣泛分布。

砂卵礫石地的特點主要有以下幾點：

（1）一些地區埋藏比較深，厚度比較大，往往達50～100m。

（2）結構松散、無膠結，還有局部架空，沖洗液漏失嚴重。

（3）質地堅硬，結構復雜，其成分主要由堅硬的火成巖、變質巖等組成，可鉆性級別一般在7～11級。

（4）顆粒級配無規律，分選性差，從細砂到粒徑10m以上的漂礫無一不有。

基于以上特點，卵礫石地層鉆探施工過程中的主要表現為：

（1）鉆進效率低，鉆進速度緩慢。

（2）采芯率低，取芯質量低，巖芯采取率很難達到地質要求。

（3）孔壁不穩定，護孔困難，經常發生孔內事故。

（4）鉆頭易損壞、鉆頭壽命短。

因此，需要系統研究能夠快速鉆進卵礫砂層、深厚覆蓋層，高效保質取芯，高效成孔的鉆進設備、鉆具、施工工藝等相關技術，集成現代先進鉆探技術成果，并結合現場實際需求，形成優化組合鉆探技術成果，為水利水電建設工程解決鉆探難題提供技術支撐。

2.1.2　破碎與軟弱夾層

破碎與軟弱夾層在鉆探過程中易發生縮徑、坍塌卡鉆、超徑、固井質量低下等事故，給工程造成巨大的損失。

1.破碎地層

在巖鉆探實踐中常常遇到硬脆碎地層，這類巖層基本特征是節理、片理、裂隙發育、黏性低或無黏性、抗磨性低、鉆具回轉振動易破碎或酥脆、怕沖刷、易磨損、流失、不易取去完整巖芯。這種地層一旦被鉆開，很容易破壞原來的相對穩定或平衡狀態，使孔壁失去約束而產生不穩定。由于受到多次不同方向的地質構造力作用，在巖層中產生不同方向的交叉斷裂形成裂隙鉆進時，因鉆具的振動碰撞和沖洗液的沖刷，容易造成巖破碎和孔壁坍塌。這種地層巖石破碎、堅硬，施工中常造成鉆孔坍塌，提鉆后（封門）不能成孔，再次下鉆時要重新掃孔；因巖石堅硬，鉆頭壽命短，有的鉆頭壽命只有幾米；因巖石呈脆性破碎，采芯非常困難；硬脆碎地層孔隙率大，鉆孔漏失嚴重，沖洗液在鉆頭底部全部漏失，堵漏困難。這種地層施工難度相當大，造成報廢鉆孔很多。

2.斷層破碎帶

斷層兩盤相對運動，相互擠壓，使附近的巖石破碎，形成與斷層面大致平行的破碎帶，稱為斷層破碎帶，簡稱斷裂帶。破碎帶的寬度有大有小，小者僅幾厘米，大者達數公里，甚至更寬，與斷層的規模和力學性質有關。

斷層的形成過程是斷層巖石角礫化碎屑物由粗變細的過程。在環境條件不變的情況下，碎屑物的粒度將隨著斷層的滑移逐漸變小，一般不會隨著斷層位移的增大而無限變小，而是趨于某一極值后逐漸穩定。新鮮斷層泥的粒度范圍較寬，最細小的顆粒直徑約為0.01μm。在強烈地震條件下，斷層的特點是不能用黏土礦物學的理論簡單地加以解釋的。在鉆探施工過程中，斷層表現出如下特性：

（1）在地應力的作用下發生塑性流動，導致鉆孔縮徑。

（2）斷層遇到鉆探泥漿中的自由水時，發生水敏性膨脹，導致鉆孔縮徑。

（3）由于斷層泥極強的黏滯性，一旦將鉆具卡住，很難解卡。

3.軟弱夾層

軟弱夾層一般指巖體中，在巖性上相比上、下巖層顯著軟弱，而且單層厚度也比較薄的巖層；其組成物質最常見的有泥質、碎屑、角礫等，也有的是由與堅硬巖石相比相對軟弱的巖石組成。根據試驗得知，堅硬巖層間的碎屑物質夾層，其粒徑對抗剪強度有一定的影響。當粒徑由2～3mm增大到2～3cm時，其內摩擦角達到最大值（由36°增至約39°）。當粒徑再增大，其內摩擦角不再增加，基本上保持一定值。碎屑質軟弱夾層的剪力強度還與其結構（咬合、孔隙等）有關。一般而言，結構密實的夾層，內摩擦角最大；結構疏松的夾層，內摩擦角最小；兩者的內摩擦系數可差20％～25％。碎屑的硬度增加（風化程度減少），其內摩擦角顯著增加。碎屑物質的級配為佳時，內摩擦系數可增高10％～35％。碎屑物質的圓度增大（尖角減?。?，其內摩擦系數可降低10％～20％；同時凝聚力可減小2～2.5倍。按其力學效應的程度，可分為薄膜、薄層及厚層三類。

薄膜狀夾層的厚度一般小于1mm，多為次生的黏土礦物及蝕變物質充填，如高嶺石、蒙脫石、滑石、蛇紋石、綠泥石等。薄膜可使不連續面的剪力強度降低。薄層狀夾層的厚度與上、下盤面的起伏差相似。這樣，不連續面的強度主要取決于夾層物質；巖體破壞的主要方式系沿著軟弱夾層滑動。厚層狀夾層的厚度可由幾十厘米至幾米。巖體內存在如此厚的軟弱夾層，其破壞方式將不僅僅是沿著不連續面（即夾層）方向滑動，若其本身是塑性物質，則常以塑流狀態被擠出，從而導致巖體的大規模破壞。通常來說，結構緊密、上下盤起伏大、位態變化多的軟弱夾層，其剪力強度高；相反，則剪力強度低。由于軟弱夾層強度低、易變形，常給工程建設帶來困難及危害，有時因為軟弱夾層的存在，需要改變設計、增加工程量或在工程后期加固，故必須小心調查與處理。

在某些情況下，軟弱夾層或其與上下堅強巖層的接觸部分遭受層間錯動或地下水的長期物理化學作用時，會變成結構疏松、顆粒大小不均、強度較低的泥化軟弱夾層，這種情況下軟弱夾層也被稱為泥化夾層，是一種特殊的軟弱夾層。大部分泥化夾層是由原生沉積型軟弱夾層發展變化而來，其產狀與原來的夾層完全一致，泥化的厚度可能只有1～5mm。當原來夾層較薄時，則全部泥化；如果原來夾層厚度較大，則往往是靠近上、下層面的部分泥化，而中間部分仍保持原來的狀態。盡管泥化夾層有時很薄，但當沿層面承受剪切應力時，它卻能夠起重要的潤滑作用。這在順向坡的順層滑動是非常重要的一個機制。

在工程地質特性上，軟弱夾層特別是其中的夾泥帶（或泥化帶），是在原軟弱巖石的基礎上，經過一系列機械的和化學的改造作用形成的。巖體性態的非均質性、構造應力場的非均質性、變蝕作用與風化作用的強度不同等，造成了軟弱夾層厚度、顆粒成分、礦物成分和工程地質特性各方面的巨大差異，即便是同一條夾層也是如此。軟弱夾層的工程地質特性有明顯的分帶性，一般可分為三個帶：

（1）泥化帶：位于夾層中部，它的組成除黏泥外，還含有不等量的母巖碎屑和石英、長石礦物晶粒，此帶是夾層中物理力學性質最差的一個帶。

（2）劈理帶：位于泥化帶一側或兩側，與泥化帶界限參差不齊，巖石成鱗片狀。其排列有平行層面的，也有斜交層面的。此帶怕擠壓與振動，滲透性強。

（3）節理帶：此帶主要為垂直層面的兩組壓扭性裂隙和層面裂隙共同切割成片狀與塊狀巖石相互鑲嵌而成的破碎帶，怕擠壓與振動，滲透性強。

2.1.3　水敏性地層

水敏性地層是指孔壁與沖洗液接觸，因而產生松散、溶脹、剝落、溶蝕等，孔壁失去穩定性的地層。大部分含黏土礦物的地層屬此類，還包括有某些水溶性礦物膠結充填的地層。這類地層之所以有不同的水敏性，主要在于所含黏土礦物本身的類型、性質和含量多少，如含大量鈉或鈣蒙脫石礦物的松軟地層，則水敏性最強；如所含礦物以高嶺石、伊利石為主的硬黏土巖，則水敏性較弱。水敏性地層以泥巖、頁巖、土層為主，其中存在著大量的黏土礦物，尤其是蒙脫石黏土礦物的存在，使近井壁地層受到沖洗液中自由水分的浸滲時，即發生黏土的吸水、膨脹、分散，導致鉆孔井壁縮徑、蠕變。水敏性地層是鉆探施工中經常遇到的復雜地層，該類地層容易發生膨脹縮徑、擴徑、松散垮塌等孔內事故，導致延誤工期、增加工程成本，甚至鉆孔報廢。

在地質勘探、水利水電及其他工程施工中，經常會遇到各種水敏性地層，其中包括松散黏土層、泥巖、軟頁巖、有裂隙的硬頁巖、黏土膠結及水溶礦物膠結的地層，穩定性很差，尤其當其與水基鉆井液接觸時，巖體強度、內部應力都將隨沖洗液類型及地層與沖洗液的接觸時間的變化而變化，且易膨脹縮徑，使泥漿增稠，造成鉆頭泥包、孔壁表面剝落、孔壁崩解垮塌而使鉆孔超徑，從而導致卡鉆、鉆桿甩斷及井壁失穩等事故。

水敏地層井壁穩定問題是非常復雜的，是地層原地應力狀態、井筒液柱壓力、地層巖石力學特性、鉆井液性能以及工程施工等多因素綜合作用的結果。依據發生機理，井壁失穩可歸結為兩方面的原因：一方面是鉆開地層后井內鉆井液液柱的壓力取代了所鉆巖層對井壁的支撐，破壞了地層原有的應力平衡，引起井周應力重新分布，從而導致井壁失穩；另一方面是鉆井液進入地層導致地層孔隙壓力變化，并引起地層水化，導致巖石強度降低，進而加劇井壁失穩。所以井壁失穩既是力學問題，又是化學問題，是化學與力學問題的結合，在尋找解決途徑的時候，必須將此兩方面結合考慮才能找到有效的辦法。

結合力學分析知，水敏性地層穩定性的影響因素有上覆巖層壓力、最大水平地應力、最小水平地應力、地層孔隙壓力、凝聚力、內摩擦角、單軸抗拉強度、靜態泊松比，以及有效應力系數、鉆井液性能和鉆井作業等。