深厚砂礫石層鉆探取芯技術探討

歐漢森, 廖志輝, 陳 建

(湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

深厚砂礫石層鉆探取芯技術探討

歐漢森, 廖志輝, 陳 建

(湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南 長沙 410007)

西部地區遍布深厚砂礫石、漂礫石復雜地層,是工程地質鉆探工作中不可避免的一種失穩地層,普遍存在鉆進成孔困難、施工工藝復雜、巖芯采取率低、取芯質量差、鉆探效率低、勞動強度大、成本奇高等工程勘探施工技術難題。21世紀以來,在新疆、青海、四川等西部地區多項水利水電工程地質勘探項目實施過程中,結合國內先進的復雜地層鉆探技術經驗,現場采取綜合鉆探取芯工藝技術措施,使工程得以順利實施。總結在深厚砂礫石、漂礫石復雜地層的鉆探成孔與取芯實踐中獲得的技術經驗,以期為同類工程地質勘探提供借鑒。

砂礫石地層;鉆探工藝;取芯技術;護孔措施

在西部地區水利水電工程項目開發中,工程地質勘探工作不可避免地遇到深厚砂礫石、漂礫石復雜地層。其共同的特性是厚度普遍較大,而密實度、膠結性因地域和沉積形成的地質年代不同區別較大,但均存在膠結較差、顆粒粒徑級配差、礫石質地堅硬、孔隙率大、滲透性強等問題,且原始地層平衡壓力一旦被外力打破極易失穩發生垮塌,局部地區還存在多層地下承壓含水層,其涌水流量與壓力均較大,這些特性給工程地質勘探的實施帶來極大困難[1-2]。

本文通過探討深厚砂礫石地層鉆探取芯遇到的主要問題,總結在新疆、青海、四川等局部地區實施水利水電工程地質勘探的經驗和體會,以期為同類工程地質勘探提供借鑒。

1 深厚砂礫石地層鉆探取芯遇到的主要問題

在水利水電開發項目工程地質勘察工作中,基于水電行業的特殊性,新、老河床的砂礫石地層是工程地質鉆探不可避免的重要工作對象,其鉆探工藝技術復雜,成孔、取芯與判層困難,難以獲取孔內物探與水文地質等各種試驗參數,深厚砂礫石地層的鉆探取芯與成孔難題現階段不同程度地困擾著工程地質與鉆探操作人員。

深厚砂礫石、漂礫石地層鉆探取芯工作中遇到的主要問題:

(1) 鉆進取芯工藝技術復雜。深厚砂礫石地層固有的松散結構,加之夾漂礫石,孔壁嚴重失穩垮塌,取芯質量差,成孔難度大,為了達到設計深度并獲取滿足地質要求的鉆探成果,需要采取泥漿、植物膠、多級配套管等多種材料綜合護孔的措施[3]。

(2) 鉆孔成孔結構復雜。深厚砂礫石地層鉆探取芯工作,因礫石、漂礫石質地堅硬,傳統的鋼粒、合金回轉與沖擊式的鉆進取芯工藝技術已不能適應此類地層應用,普遍采取金剛石(或復合片)鉆頭回轉、液動或氣動沖擊回轉的鉆進取芯、跟管護孔技術,或者采用金剛石繩索取芯鉆進技術,但在松散砂礫石、漂礫石地層鉆進,成孔極為困難,難以實現大孔段裸孔鉆進,而跟管鉆進深度受到松散地層自然條件制約,向下鉆探時客觀上要求變徑次數多,多層套管跟進護孔,導致鉆孔結構復雜,需要大量配備各級口徑的套管、鉆頭、擴孔器、巖芯管、輔助工具等[4-5]。

(3) 鉆探效率低。深厚砂礫石地層結構松散,孔隙率大,滲透性強,孔壁易失穩垮塌,鉆孔沖洗液嚴重漏失,一般是頂漏鉆進取芯成孔,很難保證沖洗液能夠返出孔口,導致細小顆粒集聚孔底,難以撈取,在這種工況條件下,孔內產生沉淀多,需要反復打撈孔內沉渣,鉆頭重復碾磨孔內沉淀物,導致施工過程中采取的鉆探工藝技術措施復雜,鉆進速度慢,易發生孔壁垮塌、超徑、燒鉆、埋鉆、卡鉆、鉆桿套管折斷、巖心脫落等孔內事故,因此鉆探輔助工作量大,勞動強度高,作業周期長,金剛石鉆探技術的優勢難以正常發揮。

(4) 取芯質量難以獲得保障。水利水電工程勘察項目,大多數鉆孔除了必須取出鉆孔芯樣外,還需要根據工程實際情況在孔內實施水文試驗、動力觸探試驗、旁壓試驗、物探測試、孔內攝影等各類孔內原位試驗作業。采用清水鉆進雖然使各種孔內原位試驗得以實施,但其取芯質量與成孔質量較差;采用泥漿、植物膠等防滲護孔材料鉆進,取芯與成孔質量得到了極大保障,但影響孔內原位試驗成果參數的真實性。因此客觀要求取芯、成孔質量與孔內原位試驗必須同時兼顧,為了獲取孔內各類試驗真實有效的成果參數,行業規范規定了僅能采用清水作為鉆孔沖洗液、套管跟進護孔的鉆探取芯工藝措施,而禁止使用泥漿、植物膠等各種防滲護孔材料進行護孔,在此工況條件下,因深厚砂礫石、漂礫石地層的固有特性,孔壁在鉆進過程中受到鉆桿柱的撞擊極易垮塌超徑,且多為采取頂漏鉆進、跟管護壁的工藝技術,細小顆粒不能返出孔外,造成孔底沉淀極難撈取干凈,鉆進時發生重復碾磨、反復打撈,原狀芯樣采取困難,使得清水鉆進難以獲取能夠滿足地質要求的芯樣,給地層層位、顆分、成份判定帶來困難。

(5) 地下承壓含水層的影響。在新、老河床部位進行工程地質勘探,許多情況下會遇到一層甚至多層地下承壓含水層,具有一定的涌水壓力與流量,且其水溫較低,對鉆探取芯工藝技術的實施與施工人員現場操作帶來極大的不利影響。

(6) 孔內各類原位試驗的影響。針對水電工程設計特殊要求,為了獲取地層更多原始物理力學、水文地質資料、地層構成的物質成分等成果參數,除了正常取芯外,還需要在松散的砂礫石、漂礫石地層內實施各種孔內原位試驗作業,盡可能達到一孔多用的目的,因此,鉆探過程中僅能采取清水沖洗+多級套管護壁的鉆探技術措施。在此工況下,受原位試驗要求的影響,孔壁難以保證穩定,根本無法實現長孔段裸孔鉆進取芯,在局部孔段完成相應原位試驗后,必須及時下入對應級別套管保護鉆孔,然后更換鉆孔口徑,進行下部孔段的鉆探取芯成孔作業,一級一級更換孔徑、下入套管護孔,按照“鉆孔→取芯→孔內原位試驗→下入套管護孔→更換孔徑→鉆孔”的工序,循環作業直至鉆孔達到設計目的終孔。

(7) 鉆探成本高。眾所周知,當前市場經濟社會環境下,在深厚松散的砂礫石、漂礫石地層進行工程地質勘察施工,勢必會遇到許多不可預見的地質條件因素、工藝技術因素與其它因素的影響,導致鉆探施工投入成本大幅增加,嚴重降低鉆探經濟效益。

2 深厚砂礫石層鉆探取芯工藝技術的應用

2.1 常規鉆探取芯技術

在內陸地區的水利水電工程項目,河床砂礫石層一般厚度不大,粒徑較小,結構松散,采用常規地質套管進行強排跟管鉆探工藝技術即可完全達到工程勘探的目的并完成相關的孔內原位試驗,且其工藝簡單,施工速度快,材料損耗少,是一種行之有效、應用最為廣泛的常規鉆探取芯工藝技術,因此為全國廣大地質鉆探工作者所認可,但對于西部地區深厚砂礫石地層,采用單一的套管護壁工藝措施則極難滿足鉆探目的。

2.2 厚壁套管鉆探取芯技術

在四川、青海地區的水利水電工程項目中,河床砂礫石層一般粒徑較大,質地堅硬,結構松散,孔隙率大,細小顆粒普遍很少,其厚度10～30 m,地層嚴重失穩,普通地質套管無法跟進成孔,而且管靴易損壞、套管易折斷,導致工程無法順利實施。通過調研學習當地地勘施工技術經驗,改用厚壁套管跟管鉆探工藝技術,采取強夯、強擠、強排的跟管鉆進技術,能夠有效突破砂礫石層的成孔、取芯工藝難題,管材損耗少,極大地提高鉆探效率。該工法存在勞動強度大、鉆孔需要跳級縮徑、施工地層深度受限等問題。

2.3 綜合護孔鉆探取芯技術

在新疆戈壁灘地區的砂礫石地層實施水文工程地質勘探作業,遇到的砂礫石層厚度數十—數百米不等,粒徑相差極大,質地堅硬,結構較為密實,滲透性較強,易失穩,給鉆探取芯及各類孔內原位試驗造成極大困難。為了查清基巖真實埋藏深度,便于對工程大壩持力層作出有效處理設計方案,在工程地質勘探階段,需要揭露工程區砂礫石地層的實際厚度,為此,對現場地質鉆探工作者提出了更高的技術要求。

2.3.1 優質泥漿+套管綜合護孔工藝

新疆喀什地區的某水電工程項目,壩址砂礫石層鉆孔采用優質泥漿+套管護壁、普通金剛石雙管回轉鉆進取芯工藝措施,達到孔內原位試驗部位,根據試驗要求不同可先作試驗或先下入套管護孔,換徑改用清水鉆進,孔內原位試驗完成后再改回泥漿+套管護孔、金剛石回轉鉆進工藝措施循環施工直至終孔。采用此工法首次完成了厚度達120 m的砂礫石層鉆孔的鉆探取芯及孔內試驗工作,歷時35天,為后續工程項目勘探積累了經驗。其后,在克孜勒蘇柯爾克孜州地區的一個水利工程項目中,也是采用此工法歷時30天完成了196 m厚的砂礫石地層鉆探工作。

2.3.2 清水+套管跟管護孔工藝

新疆吐魯番地區的某水庫工程項目,在壩址區砂礫石鉆孔施工中,遇到多層地下承壓含水層,為了獲取不同埋藏深度各層承壓含水層的真實參數,查明其相應滲透特性,采用清水+套管護壁、金剛石雙管回轉鉆進工藝措施,各層含水層穿過后下入相應級配套管隔離,歷時42天完成了145 m厚的含有多層地下承壓水的砂礫石地層鉆孔,并實施物探聲波測試、動力觸探、旁壓試驗、注水試驗、涌水參數觀測等各類孔內原位試驗,但取芯質量較差,套管占用量大,完工后套管起拔困難,施工勞動強度高,周期較長。

2.3.3 植物膠護孔工藝

新疆吐魯番地區相同的水庫工程項目,為重點提高壩址區深厚砂礫石層取芯質量,全孔采取植物膠+套管+金剛石特殊鉆具實施回轉鉆進工藝措施,在地下承壓水條件下植物膠對鉆孔護壁效果好,能夠取出植物膠膠結良好的圓柱狀砂礫石芯樣,可實現砂礫石地層較長孔段裸眼成孔,減少套管用量,歷時52天完成178 m厚的存在多層承壓水的砂礫石地層鉆孔。此工法回次進尺短,巖芯易發生堵塞,需要頻繁起下鉆,植物膠消耗量大,操作強度高,施工成本投入大,工期較長。

3 結束語

(1) 充分掌握深厚砂礫石地層工程地質勘探目的及孔內原位試驗項目,認真做好鉆孔結構設計,采取合理有效的鉆探取芯工藝技術措施,配備滿足項目地勘要求的鉆探設備、器材及輔助施工材料。

(2) 鉆孔開工前,全面做好現場技術交底工作,統一操作人員施工思想,避免各作業班組盲目操作,增強生產人員相互協作能力,提高鉆探效益。

(3) 對于新疆戈壁灘砂礫石地層,需探索合適的水文工程地質勘探工藝技術,提高鉆探技術效益,引進金剛石繩索取芯鉆探設備器材,并開展配套輔助設備、鉆探工藝的相關技術研究工作。

[1] 孫志峰.水利水電工程鉆鑿施工技術[M].長春:吉林科學技術出版社,2001.

[2] 付兵,邱太寶.深厚砂卵石層金剛石鉆探施工技術和工藝[J].四川水力發電,2007,26(1):87-89.

[3] 宋宏圖.SM植物膠和SD系列金剛石鉆進工藝在深厚砂卵石層的應用[J].探礦工程,2008,35(3):13-15.

[4] 唐建峰.砂卵礫石河床鉆探施工技術實踐[J].新疆有色金屬,2013(s1):25-26.

[5] 崔金海.河床砂卵石層繩索取芯鉆進工藝[J].探礦工程,1997(3):12-14.

(責任編輯：陳姣霞)

Discussion on Drilling Coring Technology in Deep Gravel Stratum

OU Hansen, LIAO Zhihui, CHEN Jian

(HunanHydro&PowerDesignInstitute,Changsha,Hunan410000)

There is a complex formation composed of the deep sand gravel and boulders,in the western of China.It is an unstable stratum inevitably in geological drilling engineering,The stratum has many problems,such as difficult drilling,complicated construction technology,low core rate,poor core quality,low drilling efficiency,large labor intensity and high cost. Since 21st Century,through the practical exploration and experience summary of a number of water conservancy and hydropower engineering geological prospecting in Xinjiang,Qinghai and Sichuan.Combine with the domestic advanced technology field experience in complex strata drilling construction,at the same time,the comprehensive drilling coring technique is adopted at the site. Some experience in practice are obtained in deep sand gravel and boulders in complex strata drilling and coring technology,it can provides reference for similar engineering geological exploration.

sandy gravel formation; drilling technology; coring technology; hole protection measures

2017-06-20;改回日期:2017-07-10

歐漢森(1962-),男,高級工程師,探礦工程專業,從事水文地質、工程地質勘察、建筑物基礎處理施工與技術管理工作。E-mail:505275213@qq.com

P634

A

1671-1211(2017)04-0486-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.028

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.014.html 數字出版日期:2017-06-22 16:55