繩索取芯鉆進(jìn)中鉆井液與套管護(hù)壁技術(shù)在破碎地層中的研究應(yīng)用

顧立剛

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

大理至瑞麗鐵路全長(zhǎng)350 km，由云南省大理白族自治州大理市漾濞縣、永平縣，保山市隆陽(yáng)區(qū)、龍陵縣，德宏傣族景頗族自治州潞西市到達(dá)瑞麗市。是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中完善路網(wǎng)布局和西部開(kāi)發(fā)性新線項(xiàng)目，也是我國(guó)西南進(jìn)出境通道(泛亞鐵路)之一的中緬國(guó)際鐵路通道的重要組成部分。該項(xiàng)目投資147億元，按國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線、電氣化鐵路標(biāo)準(zhǔn)修建，設(shè)計(jì)目標(biāo)速度140 km/h，其中隧道總長(zhǎng)占線路全長(zhǎng)的66.8%。

福星隧道進(jìn)口為大瑞鐵路的起點(diǎn)大理站，出口為西洱河特大橋，隧道全長(zhǎng)5 100m，設(shè)計(jì)洞高9m，洞寬5.5m。

大瑞鐵路的建成將對(duì)云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，開(kāi)發(fā)滇西礦產(chǎn)及旅游資源，打通我國(guó)通往印度洋周邊國(guó)家的陸地大通道，加快連接中國(guó)、東南亞、南亞三大市場(chǎng)的獨(dú)特區(qū)位優(yōu)勢(shì)，改變?cè)颇咸幱谌珖?guó)綜合交通運(yùn)輸體系末梢的狀況，奠定云南成為我國(guó)面向東南亞、南亞對(duì)外開(kāi)放的樞紐地位，提升云南在全國(guó)的經(jīng)濟(jì)地位具有重大戰(zhàn)略意義。

1 大瑞線福星隧道地層概況

1.1 地質(zhì)及地層條件

福星隧道地處橫斷山脈西段點(diǎn)蒼山以西(大理州下關(guān)市西南邊)，山脈多呈北西走向，地勢(shì)呈西高東低。將軍廟以西是區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)，海拔高程為2 780.0m，測(cè)區(qū)西南邊的西洱河是區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)，海拔高程為1 960.0m，相對(duì)高差約800m。地形西南高東北低，屬高原構(gòu)造剝蝕中低山地貌。

區(qū)內(nèi)地層:上部為侏羅系上統(tǒng)壩注路組砂巖夾泥巖，下部是下元古界溝頭箐巖群黃龍?zhí)稁r組片巖、變質(zhì)砂巖。溝谷發(fā)育，切割較深。主要河流有西洱河，溝谷有向陽(yáng)箐、金星河等，西洱河呈南西向穿越測(cè)區(qū)。區(qū)內(nèi)斜坡地表大部分植被發(fā)育，僅在村鎮(zhèn)附近有部分旱地。

在測(cè)區(qū)中部海拔1 960～2 030m高程附近，有大保高速及楚大高速通過(guò)，大理—漾濞老320國(guó)道由東而西橫穿測(cè)區(qū)，交通方便。主要巖石物理性質(zhì)如表1所示。

1.2 地層穩(wěn)定性及影響鉆進(jìn)因素

(1)第四系及不穩(wěn)定地層

由此可見(jiàn)，由式(13)可對(duì)權(quán)值進(jìn)行調(diào)整和計(jì)算。采用NeuroSolutions 7.1.0.0軟件建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的天然氣中重組分不利影響預(yù)測(cè)模型。

上部基巖為砂巖夾泥巖，紫紅、灰綠、褐黃色等，細(xì)—粗粒結(jié)構(gòu)，薄—中厚層狀，節(jié)理發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化層厚30～70m，巖石破碎，鉆進(jìn)過(guò)程中，常導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊、縮徑，取芯困難。

表1 主要巖石物理機(jī)械性質(zhì)

下部基巖主要為片巖及變質(zhì)砂巖，深灰色、灰綠色夾紫紅色，片巖片理很發(fā)育，片狀、砂狀，性脆，受構(gòu)造影響，巖體完整性及穩(wěn)定性差(受外力作用后，巖芯呈片狀、砂狀)，取芯困難。變質(zhì)砂巖受構(gòu)造影響，巖芯呈塊狀、短柱狀。

黃龍?zhí)稁r組地層鉆進(jìn)過(guò)程中，常導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊、超徑、埋鉆、斷鉆事故。

(2)斷層破碎帶

測(cè)段屬漾江中生代褶斷區(qū)之洱海深(大)斷裂西側(cè)，受區(qū)域構(gòu)造影響，區(qū)內(nèi)次級(jí)斷層及褶皺構(gòu)造較發(fā)育，次級(jí)斷層有深長(zhǎng)村斷層、天生橋斷層和西洱河斷層。斷層破碎帶較寬，巖性主要為構(gòu)造角礫巖，膠結(jié)較差，巖芯破碎，常發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

2 鉆進(jìn)方法和鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)福星隧道地層特點(diǎn)，第四系和強(qiáng)風(fēng)砂泥巖地層必須采用與該地層相適應(yīng)的泥漿護(hù)壁，保證成孔順利為前提，采用φ150 mm合金鉆過(guò)第四系進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化地層，下入井管。改用φ150 mmPDC復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化地層后下入技術(shù)套管φ146 mm護(hù)壁，改用PQ(122 mm)金剛石繩索取芯鉆進(jìn)至相對(duì)完整巖層或穿透斷層破碎帶后，下入PQ鉆桿留作護(hù)壁管，改用HQ(96 mm)金剛石繩索取芯鉆進(jìn)至終孔，留NQ(76 mm)口徑作為儲(chǔ)備，鉆孔結(jié)構(gòu)及井管程序如圖1。

3 不同孔段鉆井液的配置與使用

根據(jù)地層情況和鉆進(jìn)工藝，所配置的鉆井液應(yīng)具有攜帶和懸浮巖屑、潤(rùn)滑鉆具、穩(wěn)定孔壁、平衡地層壓力等功能，防止孔壁垮塌、掉塊、縮徑現(xiàn)象發(fā)生。

3.1 砂泥巖地層漿液配方

可選用較為廉價(jià)的無(wú)固相沖洗液或不分散低固相泥漿，鉆井液中加少量KCI。KCI的作用主要是抑制砂泥巖的水化膨脹，防止孔壁縮徑。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)

性能要求:密度1～1.02 g/cm3;漏斗黏度17～18 s;表觀黏度2～4 MPa·s;流性指數(shù)n值0.8～1.0;失水量保持0.69 MPa壓差。對(duì)于泥漿≤15 mL/30 min，對(duì)于無(wú)固相聚合物沖洗液，可以是全失水，但巖樣浸泡時(shí)間應(yīng)比泥漿長(zhǎng);pH值8.5～9。

1號(hào)低固相配方:

黏土(20～25 kg)+碳酸鈉(0.3～0.6 kg)+Na－CMC(2～3 kg)+KP共聚物(4 kg)+水解聚丙烯酰胺PHP(適量)

2號(hào)無(wú)固相配方如表2所示。

表2 2號(hào)無(wú)固相配方

3.2 片巖、變質(zhì)砂巖地層無(wú)固相鉆井液配方

DWY－Ⅱ型無(wú)固相沖洗液:聚乙烯醇 PVA為0.5%～1.0%;PHP為0.05%～0.15%;交聯(lián)劑 －A為0.02%～0.03%;交聯(lián)劑 －B為0.08%～0.15%。高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)時(shí)可加入乳化油作潤(rùn)滑劑。

3.3 下井管前固井液配置

鈉土(20～25 kg)+廣譜護(hù)壁劑GSP(4～6 kg)+植物膠SD－2(3～5 kg)+Na－CMC(3 kg)+KP共聚物(4 kg)。

固井液性能:

密度為1.1～1.18 kg/L;失水量6～8 mL/30 min;黏度:30～33 s;pH值8～9。

3.4 鉆井液配置應(yīng)注意事項(xiàng)

(1)鉆井液處理劑必須采用分別溶解，分別水化，攪拌均勻，按照先無(wú)機(jī)物后有機(jī)物，先小分子量后大分子量的順序依次加入。

(2)黏土的水化:在容器中先加入清水，在攪拌過(guò)程中逐步加入鈉土攪勻，擺放浸泡5 h待用。

(3)植物膠的溶解:容器中先加入清水，再加入一定量的NaOH控制水中的高價(jià)離子，促進(jìn)植物膠溶解。加入植物膠后攪拌均勻，擺放5 h再加入泥漿中。

(4)交聯(lián)劑A、B分別使用容器溶解備用。

(5)水解聚丙烯酰胺:將 HPH粉末按水解度30%、濃度0.8%配置成液體。使用時(shí)從井口回漿處緩慢滴加，總量控制在0.2～0.5 kg/m3，過(guò)多會(huì)導(dǎo)致鉆井液水解分離。

水解聚丙烯酰胺作用是對(duì)鉆井液進(jìn)行選擇性絮凝，使鉆屑和劣質(zhì)土絮凝沉淀、排除，從而維護(hù)鉆井液的性能。

(6)聚乙烯醇:容器中先加入清水，再加入聚乙烯醇后攪拌攪勻，待其溶解。

3.5 鉆井液的維護(hù)

根據(jù)調(diào)整的目的和要求，確定調(diào)整方案。如泥漿因固相含量高而引起黏度、切力增高，可選取加入低固相泥漿或加水和降失水劑的調(diào)整方案。

按調(diào)整方案進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)。取一定量(常取1 L)的沖洗液，加劑處理和測(cè)試性能，直到性能達(dá)到要求時(shí)，得出處理1 L原漿需要各處理劑的加量，再計(jì)算需調(diào)整性能的沖洗液量和所需處理劑量。

4 井管護(hù)壁

鉆進(jìn)過(guò)程中一般使用上述漿液配方均能得到較好的效果，但遇斷層破碎帶時(shí)，因裂隙發(fā)育，鉆井液漏失嚴(yán)重，堵漏難度較大，漏失以后給上部采用泥漿護(hù)壁孔段的穩(wěn)定性影響很大，所以鉆進(jìn)至斷層破碎帶地層后，下入井管護(hù)壁隔離是最好的辦法。

井管下入后，該段相對(duì)密封，孔壁得不到鉆井液補(bǔ)充，施工一段時(shí)間后，原存入井管與孔壁中的鉆井液會(huì)變化和遺失，成為空隙，失去壓力平衡。鉆進(jìn)時(shí)鉆桿柱對(duì)井管的震動(dòng)和敲擊會(huì)同時(shí)震動(dòng)孔壁，造成井壁垮塌，夾包井管，終孔后套管起拔困難。

井管護(hù)壁可靠，效果好，但起拔井管難度較大，常常造成大量套管遺留孔內(nèi)，成本較高。解決辦法有:

①對(duì)下入井管相對(duì)密封段用原配方的漿液通過(guò)圖1中的2補(bǔ)漿管進(jìn)行回補(bǔ)，保持該孔段壓力平衡。

②采用提動(dòng)循環(huán)法，調(diào)整鉆井液性能，保持漿液暢通，形成膠液體。用主動(dòng)鉆桿對(duì)上井管8，使管靴U型圈10上升0.4m，開(kāi)動(dòng)泥漿泵循環(huán)漿液，每72 h循環(huán)一次，每次15～20 min。

5 低固相泥漿與井壁應(yīng)用效果

該隧道共施工鉆孔4孔，2孔采用清水鉆進(jìn)，2孔應(yīng)用低固相泥漿與井管護(hù)壁工藝方法。在解決破碎地層及斷層破碎帶鉆進(jìn)過(guò)程中，低固相泥漿與井管護(hù)壁工藝方法與使用清水鉆進(jìn)套管護(hù)壁相比，具有臺(tái)效高、事故率低、井管損耗小、成本低、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。特別是DWY－Ⅱ型無(wú)固相沖洗液具有很強(qiáng)的膠結(jié)巖石性能，解決了繩索取芯鉆進(jìn)曾無(wú)法通過(guò)的坍、掉、漏地層的鉆進(jìn)護(hù)壁與取芯問(wèn)題。在坍、漏層交替出現(xiàn)的鉆孔中，用該沖洗液鉆過(guò)坍塌層后，下入套管護(hù)壁再鉆進(jìn)，能順利鉆完鉆孔，巖芯采取率由不足50%提高到95%以上。

福星隧道各孔經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 福星隧道鉆孔主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

沖洗液性能是解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)成孔的關(guān)鍵因素。

鉆孔結(jié)構(gòu)要選擇合理，根據(jù)該隧道地層特點(diǎn)，斷層破碎帶較厚，下入套管后，改用PQ、HQ繩索取芯鉆進(jìn)方法，是解決上部破碎地層成孔的關(guān)鍵。

多級(jí)套管護(hù)壁能提高成孔率，但回收風(fēng)險(xiǎn)高。利用提動(dòng)循環(huán)法，保證了套管回收率，降低了施工成本。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2007

［2］TB10014—98 鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程［S］

［3］馬洪偉．碎石類土地層鉆探的鉆進(jìn)方法［J］．鐵道勘察，2012(5):49－50

［4］GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］