淺談繩索取心技術在巖土鉆探施工中的應用

朱何文

（中國建筑材料工業地質勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430030）

繩索取心鉆探技術具有施工勞動強度低、鉆進效率高、停鉆事故低、鉆孔質量優、設備材料消耗低等優點，得到巖土地質勘查及鉆探施工技術人員的廣泛親睞。繩索取心鉆探工藝是一種在鉆探施工鉆進過程中，當鉆桿內的巖心管裝滿巖心后，不需將孔內鉆桿提升到鉆孔地表，而是借助巖心鉆探專用打撈器，從鉆桿內把巖心管提取上地面的一種先進巖土地質鉆探工藝。在實際鉆探過程中，由于鉆探區巖土地質、地層等環境較為復雜，且在不同地質條件下，繩索取心鉆探技術所取得的鉆探效果也有很大差別，尤其是在復雜巖土地層條件下，采用繩索取心鉆探工藝時，如果在施工過程中出現斷鉆桿、脫扣等事故時，就會給鉆探施工帶來巨大麻煩，輕者可能導致鉆孔報廢、鉆探管材損失，嚴重時還可能引起整個鉆探施工進度延誤、鉆探質量降低等嚴重事故，給整個鉆探施工帶來巨大損失。因此，如何在復雜地層條件下，結合鉆探現場施工情況，將繩索取心鉆探技術工藝有效利用在鉆探施工實際過程中，有效提高鉆探施工效率和工程質量具有非常大的工程實際意義，一直以來作為鉆探工作人員研究的一個重要課題[1]。

1 繩索取心技術實際施工應用范圍

我國在繩索取心鉆探技術方面的研究起步較晚，在繩索取心鉆探綜合效率、使用壽命等方面，與國外一些先進發達國家相比還存在一定差異。但在大量鉆探專家學者的共同努力下，我國繩索取心鉆探技術方面的研究和實際鉆探施工過程中均取得了令人滿意的成果。繩索取心鉆探技術工藝已在我國巖土地質勘探、工程地質勘察、以及水文水資源工程地質勘測等實際工程中得到廣泛推廣應用。目前，我國繩索取心鉆進的平均臺月效率可以達到600m~1000m左右，平均工作效率可達7~10m/h，且在正常條件下鉆桿綜合使用壽命在2萬米以上。但從國內大量鉆探實際施工經驗表明，并不是所有鉆探工程采用繩索取心鉆進技術工藝后均能取得良好效果。對于一個具體的鉆探工程而言，應充分考慮鉆探區域地層條件、鉆孔深度、鉆頭質量水平、以及鉆探施工過程中繩索取心鉆具輔助配套設備等因素，并結合鉆探綜合投資成本，從技術經濟性等方面合理選擇鉆探技術手段。繩索取心技術工藝從理論上講適用于各種不同巖土地層條件下的鉆進鉆探，從大量工程實際應用效果數據分析來看，繩索取心技術工藝在6～9級中硬巖層中，其鉆探效率和工程質量效果都很好。但就目前國內的鉆探施工技術來看，對于10～12級的巖石鉆探施工而言，不宜采取繩索取心技術工藝，特別是當鉆探巖土地層是組織密度較大、顆粒細小且無碾磨性的極堅硬性巖石地層時，如果采用繩索取心技術工藝，在上述巖石地層條件下，鉆頭磨損將較為嚴重，且鉆進速度效率也比較低，不能充分發揮出繩索取心鉆探鉆進技術工藝的優勢，從而大大降低了實際施工綜合效率和質量。從自我大量繩索取心鉆探技術實際施工經驗來看，繩索取心技術工藝一般可以用在淺孔和深孔巖石鉆探工程中，通常在繩索取心技術工藝使用范圍內，隨鉆進深度的不斷加深其施工綜合技術經濟效果就會越高，但在實際施工過程中，必須選用高質量的鉆進鉆頭，從而保證整個鉆探工程高效穩定的進行，如果鉆進鉆頭使用壽命短，則在施工過程中就會經常提鉆更換鉆頭，這樣就大大降低了繩索取心深孔鉆進鉆探的優勢和使用意義[2]。

2 復雜破碎地層的繩索取心鉆井施工要點

實際鉆探施工過程中經常會在破碎地層上鉆井勘探，由于該類地層多數為淺層強風化巖層，或深部地質構造破碎帶，在鉆探施工過程中經常會出現巖心采樣質量不高、巖心采樣困難、鉆孔孔壁滑動不穩等問題，尤其是在實際鉆孔過程中經常會出現鉆孔漏失、鉆孔涌水等復雜狀況，從而給巖土鉆探提出更高的要求，增加了實際施工難度。

2.1 淺層風化巖土地層繩索取心鉆進施工要點

在淺層強風化或全風化巖土地層鉆探繩索取心鉆進施工過程中，應首先結合鉆探所處實際位置，選配適合該地層的潤滑泥漿來對鉆孔孔壁進行完善支護，并起到潤滑鉆具的效果；然后選用與該風化巖土地層相匹配的鉆頭，在保證鉆探綜合施工質量水平的前提下，有效提高鉆孔鉆進速率；采用實際施工中容易操作的短鉆具（1.20~1.50m）,并按勤提多取的技術手段采取鉆桿內部采樣巖心；對于風化十分嚴重、怕沖蝕的巖土地層，應采用底噴和內超前鉆頭，并配合三重管來保護巖心管內的巖心；在淺層風化巖土層上進行鉆進取心時，不要操之過急，應根據鉆進相關施工操作工藝和現場施工組織設計要求，按照可靠穩健、平穩鉆進原則，保證整個鉆探施工過程高效、高質的進行。

2.2 深部構造破碎帶繩索取心鉆進施工要點

深部構造破碎帶受到鉆孔深度深、破碎程度不等、地層條件復雜、地下水以及低壓等因素的影響，往往成為實際鉆探鉆進高效施工的瓶頸。從大量實際工作經驗知，在此類地層條件下進行繩索取心鉆進施工時，除了按照上述淺層風化巖土地層鉆進中提到的各種保護措施和設備搭配外，在實際施工過程中還應掌握以下幾個技術要點:①鉆探實際操作過程中，一定要小心謹慎，并對所獲得的巖心進行實時觀察分析，結合相應知識和工作經驗，準確分析判斷鉆孔內部情況，并制定相應的防護預案。由于深部構造破碎帶地下巖層十分復雜，切忌粗心大意、心不在焉，鉆探鉆進施工過程中任何失誤性操作，均可能會導致嚴重的事故，給整個鉆孔施工帶來巨大損失；②鉆進此類復雜地層時，實際施工過程中求穩、求準原則要求更高，且不能報任何僥幸心理，任何異常情況都需要經過反復分析研究，順利獲得巖心就是整個鉆探施工過程最大的勝利；③當鉆進揭穿該類地層地質條件后，必須在對所獲得的鉆探地層進行必要的支護加固處理后，才能進行更進一步的地下工程施工。

3 繩索取心技術在工程應用中的效果分析

3.1 提高巖心采樣效率、降低鉆探施工成本繩索取心技術能夠實現在施工過程中不提鉆進行巖心取樣，即當巖心裝滿鉆桿巖心管時，無需將全套鉆桿提升的鉆孔地表，只需利用帶繩索的打撈器就可以將取心管從鉆桿中提出地表，從而減少了鉆進提鉆次數，降低了施工人員鉆進施工的綜合勞動強度，尤其是當鉆探提升凈距離受到外部空間制約時，繩索取心技術的取心效率和質量就更加有優勢[3]。

3.2 提高巖心采樣率

在實際鉆探施工過程中，繩索取心技術施工鉆進過程中，鉆桿只是外管單動，內管相對靜止，這樣在鉆頭鉆進過程中不僅可以避免外部沖洗液直接沖刷內部采樣巖心，同時還可以避免鉆探設備機械力對巖心管內部采樣巖心的外力破壞。據實際工作經驗可知，采用繩索取心技術其巖心采取率通常可以達到95%以上，從而大大提高了鉆探施工巖心采樣效率和施工質量。

3.3 減少鉆孔內部事故

由于繩索取心技術工藝配備了各種數字可視化實時監控裝置，能夠根據鉆進不同工況及時反饋相關數據信息和報警提示，從而可以為施工人員提供準確可靠的數據信息，及時采取相應技術措施，將鉆探過程中可能出現的故障排除在萌芽狀態。另外繩索取心技術的鉆桿和鉆具外徑間僅差2mm，這樣鉆桿可以起到全孔護壁的保護作用，從而避免或降低鉆桿鉆進過程中可能出現的埋鉆、夾鉆、卡鉆等事故的發生，有效提高整個鉆進施工綜合效率和質量水平。

[1]孫建華,張永勤,趙海濤,等.復雜地層中深孔繩索取心鉆探技術研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2006,33(5):46-50.

[2]王禹,劉波,高洪志.油頁巖地層繩索取心鉆探沖洗液技術探討[J].探礦工程(巖土鉆掘工程), 2007,34(10):32-34.

[3]張偉.取心鉆進的技術經濟學研究[D].武漢:中國地質大學(武漢),2006.