荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程鉆探實踐與技術探討

李會中，謝實宇，戴斯文，肖云華，焦新發

(長江三峽勘測研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 概述

荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程位于荊州市公安縣境內，地處長江中下游枝城—石首河段之荊江段，河床地面黃海高程5～20 m，擬采用定向鉆穿越長江河道與荊南長江干堤，穿越段水平全長1 800 m，穿越深度200 余米。

經查閱相關地質資料［1］，該河段河床覆蓋層深厚，最大厚度達130 m 以上，屬于第四系全新統和更新統的河湖相沉積，具二元結構——上部為粘性土和砂性土，厚約50～70 m;下部為砂卵石，厚約60～80 m，卵石含量50%～60%，磨圓度高，主要成分為石英巖和石英砂巖，少量為巖漿巖，粒徑一般＜8 cm;下伏基巖為砂礫巖及泥巖，屬半成巖。

本工程地質勘察共布鉆孔7 個，其中水上3 個，如圖1。鉆探工作實施過程中，鉆遇砂卵石層厚度一般約40～80 m(平均厚度約60 m)，不僅鉆進十分困難，而且鉆頭、巖芯管等消耗極大，鉆探工作一度陷入困境;下伏砂礫巖、泥巖巖性軟弱、易破碎，難以取得符合地質與試驗要求的芯樣［2，3］。為此，本院結合現場地質情況，專門組織了鉆探技術攻關，并取得了良好效果。

圖1 江陵長江穿越工程勘探布置示意圖Fig.1 Diagram showing the layout for geological investigation of Jiangling crossing project under the Yangtze River

2 鉆遇難題

2.1 砂卵石層鉆進困難

在順利完成岸邊JDZK02#和JDZK06#鉆探作業后，基于兩孔揭露砂卵石層厚度小、粒徑細之情況，初步估計水上鉆孔JDZK03#鉆進難度一般，穿過該砂卵石層較易，而采取同岸邊孔類似鉆頭和鉆探工藝，但在鉆探過程中卻發現JDZ03#與岸邊JDZK02#、JDZK06#兩孔情況存在明顯差別，主要體現在河床砂卵石層厚度大(達86.74 m)、粒徑粗(卵石含量高，最大粒徑有600 mm)、級配較好(卵石骨架中填充礫石、粗砂、細砂)、結構密實等方面。正是由于對水上鉆探地質條件、作業難度的估計不足，導致了水上鉆探進度緩慢、鉆具消耗大。鉆進過程中先后使用了普通金剛石鉆頭、合金鉆頭等多種鉆頭作業，其基本情況如下:

2.1.1 普通金剛石鉆頭

普通金剛石鉆頭為切削刃，屬一體式，整個鉆頭沒有活動零部件，結構較簡單，具有高強度、高耐磨和抗沖擊能力，該類鉆頭在軟—中硬地層中鉆進時，有速度快、進尺多、壽命長、工作平穩等優點。但因砂卵石層屬散體結構，遠不如巖層結構完整，一經擾動原有骨架結構將遭受破壞，從而導致鉆進緩慢、鉆頭磨損嚴重等問題，究其原因有二:

(1)部分卵石粒徑與鉆頭直徑相差不大，卵石在鉆頭內與鉆頭一起旋轉，鉆頭不能吃入砂卵石層，鉆頭刃口金剛石顆粒不能有效作用于卵石層上，致使鉆頭作用部分失效、鉆進速度慢;

(2)砂卵石層結構被擾動破壞后，一方面卵石與鉆頭之間的磕碰可能碰掉刃口金剛石，另一方面鉆頭與卵礫石之間的接觸面加大，且卵礫石硬度高，致使刃口金剛石磨損快、鉆頭側壁磨損嚴重。

由此可見，普通金剛石鉆頭能用于該砂卵石層鉆進，但鉆頭磨損嚴重(如圖2)、廢棄率較高，據現場情況統計，一個普通金剛石鉆頭僅能完成進尺2～4 m，鉆探成本較高。

圖2 普通金剛石鉆頭磨損情況Fig.2 The wear of common diamond drilling bit

2.1.2 合金鉆頭

岸邊鉆孔作業過程中，部分卵礫石含量較低且以粗砂、細砂為主地段，采用了合金鉆頭鉆進，鉆頭磨損較輕，可滿足鉆探要求;但水上鉆探試用了多個合金鉆頭，鉆進過程中不時出現打滑、別機等現象，即使加大鉆壓與鉆速，鉆進不到2 m 鉆頭磨損非常嚴重(如圖3)。

圖3 合金鉆頭磨損情況Fig.3 The wear of alloy drilling bit

由此看來，合金鉆頭不適用于該砂卵石層鉆進，究其原因主要是因為水上鉆孔所遇地層卵石含量高、粒徑大，部分卵石粒徑大于鉆頭直徑且卵石成分主要為硬度較高的石英巖，合金鉆頭硬度不滿足鉆遇地質條件要求。

2.2 砂礫巖、泥巖取樣不易

盡可能獲取擾動輕微或未擾動、符合地質與試驗要求的巖土樣本是工程地質勘察對鉆探工作的基本要求，因本工程擬在基巖中穿越，故鉆探工作對覆蓋層而言主要是快速通過，而對基巖而言則要確保取芯質量。

工程區下伏基巖為半成巖之砂礫巖、泥巖，巖石膠結差、強度低、易破碎，一般的取樣手段很難獲得較完整的樣本，如圖4 是采用常規取樣手段取出的樣本。因此，在鉆穿砂卵石層后，如何獲得符合地質與試驗要求的芯樣就成為本工程鉆探工作所要解決的難題之一。

圖4 常規手段巖石樣本采取情況Fig.4 Rock samples attained by the conventional means

3 應對措施

3.1 采用新型加強型復合片鉆頭

為了克服普通金剛石鉆頭、合金鉆頭缺陷，提高鉆探效率、降低生產成本，后期水上鉆探工作中試用了新型加強型復合片鉆頭(如圖5)，實踐證實這種新型鉆頭能夠較好地適用于本工程地質條件，取得了良好效果。

圖5 加強型復合片鉆頭Fig.5 The reinforced composite drill bit

新型加強型復合片鉆頭與普通金剛石鉆頭的區別在于鉆頭前端的切削體:普通金剛石鉆頭前端切削體為孕鑲金剛石顆粒，靠高速研磨巖體鉆進，而復合片鉆頭前段切削體為超高強度圓形合金片，這種結構上的改變可以減少對砂卵石結構的擾動，降低切削體和卵礫石之間的磕碰、摩擦，降低嵌入金剛石顆粒之前摩擦帶來的磨損，大大提高鉆頭的耐用性，有效節約成本，同時在鉆頭內外側加上加強片也起到了二次研磨保徑擴徑的作用。

3.2 自主研制專用取樣器

針對膠結差、強度低的半成巖——砂礫巖和泥巖，鉆探技術人員集思廣益，利用現場材料專門研制了一個重力式無擾動原狀樣取樣器，如圖6。

圖6 專用取樣器示意圖Fig.6 The dedicated sampler

該取樣器主要由異徑接頭、排水孔、取樣管、取樣鉆頭四部分組成。異徑接頭既可以連接鉆桿使整個取樣器作旋轉運動，又可以上接重力擊錘進行貫入作業;排水孔的作用是保證整個取樣器在重力貫入過程中取樣器內部沖洗液可以順利排出以免造成樣本上下壓差過大損傷樣本;取樣管的作用是保證樣本在管內無擾動或輕微擾動;取樣鉆頭是由高強度合金鋼加工而成，前端經過特殊打磨和淬火以便貫入軟巖中。

取樣過程如下:當鉆進到取樣層段時，提起鉆具拆下巖芯管，換上專用取樣器，上端接上動力觸探試驗設備，然后下至孔底，再用重力錘擊打取樣器一直到鉆桿出現反彈，取下打錘開動鉆機干燒一小段再提鉆取出樣品，圖7 即為現場所取一段原狀樣本。

圖7 專用取樣器獲取的原狀樣Fig.7 The original core obtained by dedicated sampler

4 結語

(1)荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程地質條件較為復雜，河床砂卵石層物質組成與結構特殊、鉆進困難、成本較高，下伏砂礫巖、泥巖屬半成巖、取原狀芯樣難，均是一度困擾鉆探人員的技術難題。

(2)本院鉆探技術人員針對上述情況，結合既往經驗認真分析研究，深入探索實踐，采用加強型復合片鉆頭，優化配套鉆探工藝，保證了砂卵石層鉆進過程中孔壁穩定，避免了卡埋鉆情況，減少了鉆頭和鉆具的磨損消耗，有效降低了勘探成本，大幅提高了鉆探效率(單個鉆頭鉆進可達10 m 以上);同時利用既有材料，結合現場條件自主研制了重力式無擾動原狀樣取樣器，大大提高了鉆孔取芯質量，為地質分析與巖土試驗提供了保障。

(3)本工程砂卵石層鉆進困難與半成巖(砂礫巖、泥巖)取芯不易等鉆探技術難題的成功解決，不僅為本工程勘察設計及后續施工建設奠定了重要基礎，而且也為類似地層巖性條件下其它工程地質鉆探作業積累了寶貴經驗。

［1］陳德基.長江流域水利水電工程地質［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［2］劉衛東，李自萍，王孝成.漂卵石層工程地質鉆探技術［J］.黑龍江水利科技，2004，31(2):28－30.

［3］趙傳海，邵玉冰.荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程地質勘察報告［R］.武漢:長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，2012.