半合式單動雙管鉆具在破碎砂泥巖中的應用

李道賓，黎藝明

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

樂業縣那漏水庫可研階段壩址區勘探中遇到巖體結構破碎、節理密集發育的砂泥巖地層，鉆進過程受機械磨蝕和沖洗液沖刷作用，巖芯采取率極低，甚至無法取芯，通過調整鉆進參數和使用傳統單動雙管鉆具效果均不理想，同時受鉆孔壓水試驗要求制約，無法通過配置泥漿型鉆井液進行鉆進，只能依靠孔口返渣返水情況、鉆進過程記錄、鉆孔電視以及聲波測試等手段進行輔助勘查，給地層巖性判別和風化帶劃分帶來極大困難。目前，鉆探取芯工藝主要有單管取芯、雙管取芯和三管取芯工藝，水利行業多采用單管或全封閉內管的雙管取芯工藝。在極特殊地質條件、取芯率要求極高的情況下，可采用半合式單動雙管取芯工藝，這種鉆具除了可以防止沖洗液直接沖刷巖芯的作用外，由于內管不轉動，還可以避免因鉆具回轉對巖芯的機械破壞，同時由于內管為打開式，巖芯節理面發育情況清晰可見，也更大程度上避免人為敲擊退芯造成巖芯的二次破壞，取芯率和取芯質量大幅提高。

1 工程概況

樂業縣那漏水庫是一座以農村人飲供水為主、兼顧灌溉等綜合利用的水利工程，設計供水人口5000 人，新增灌溉面積2100 畝，設計年供水量約為138 萬m3，屬小（1）型水庫，Ⅳ等工程。可行性研究階段共布置兩個壩址進行比選，壩址河谷南北走向，河溝坡降較大，呈“V”～“U”型。擬選壩址區分布地層主要為三迭系下統板納組上段（T2b3）粉砂質泥巖夾少量砂巖、三迭系下統蘭木組下段（T2l1）含鈣粉砂質泥巖夾少量砂巖。地層受構造影響強烈，巖體縱向劈理極發育，風化深且不均一，局部呈碎裂結構，強～弱風化巖體節理裂隙渲染嚴重，多夾泥，巖體完整性差（見圖1）。

2 技術分析及現場試驗

2.1 鉆探設備及巖芯采取率低的原因分析

本次鉆探采用XUL100 型地質鉆機，單層巖芯管鉆具在破碎砂泥巖鉆進時，巖芯采取率普遍較低，一般在30%～50%，有些鉆孔甚至無法取芯。通過研究分析，造成巖芯采取率低的原因主要有:

（1）巖石十分破碎，節理、裂隙密集發育，回轉鉆進過程受鉆頭磨蝕，進入巖芯管前大部分已受機械破壞。

（2）地層巖性中富含親水礦物成分，受沖洗液沖刷作用，使巖芯被沖蝕流散。

（3）沖洗液使用不當，只能通過清水鉆進，因壩址區鉆孔壓水試驗規程有關規定，無法通過配置泥漿型鉆井液有效增強對巖芯的保護。

（4）鉆進參數選取不當，破碎砂泥巖地層鉆進時，須嚴格控制泵量、轉速、壓力、回次進尺等鉆進參數，在前期鉆孔過程沒有采用合理鉆進參數，也是取芯率偏低的其中一個關鍵因素。

圖1 附近同地層新建道路開挖邊坡巖體情況

通過分析，在不能采用配置泥漿鉆井液進行鉆進的前提下，只能通過改變取芯工藝和調整合適鉆進參數來提高巖芯采取率。因此，我們決定引入新型半合式單動雙管鉆具進行取芯，在正式施工前，為確保取芯效果和質量，開展了現場試驗工作，并與其他類型取芯鉆具進行對比分析。

2.2 半合式單動雙管鉆具結構特點及取芯原理

2.2.1 結構特點

半合式單動雙管鉆具設計有雙級單動機構，鉆具單動性能好，配有單向閥，防止沖洗液逆流堵塞裝置。內管設計成內壁磨光的半合管，并取消與鉆頭連接的短節，減少巖芯入管阻力，高合金材料熱加工成型，開合緊密，能適應各種復雜地層取芯，半合式單動雙管鉆具結構見圖2。

圖2 半合式單動雙管鉆具結構示意圖

2.2.2 取芯原理

半合式單動雙管鉆具鉆進時，沖洗液經雙管接頭的進水孔進入內、外管間的環狀間隙，流至孔底沖洗孔底后再沿孔壁外環間隙返至孔口，避免了直接沖刷內管巖芯，同時具有單動功能（外管轉動、內管相對不動）可避免因鉆具轉動造成對巖芯的機械破壞作用；提鉆后退芯時內管可直接拆成兩個半管，退芯時避免敲擊和振動作用造成的人為二次破壞，能較好地保持巖石的原生結構形態，節理清晰可見，結構面保存完整，同時巖芯的采取率、完整度、代表性較高。

2.3 現場試驗及對比分析

本次現場試驗經過合理調整鉆進參數（鉆進壓力:10～12 kN；鉆機轉數:400～590 r/min；泵水量:50～60 L/min），同時對單管、全封閉式雙管、半合式雙管3 種不同取芯工藝鉆具進行取芯效果對比分析。試驗結果表明，同樣在破碎砂泥巖層中鉆進，單管鉆進，取芯困難，采取率極低，甚至無法取芯，巖芯多為碎塊狀或砂狀（巖屑）；全封閉式雙管取芯率較單管有顯著提高，巖芯多為碎塊狀或短柱狀，但受鉆具結構特點限制，內管短接及巖芯卡簧部位易造成堵芯憋水，單次進尺30～50 cm 需起鉆，嚴重影響鉆進效率，耽誤進度；半合式雙管取芯率最高，巖芯以柱狀形態保存完好，節理、裂隙清晰可見。不同取芯工藝現場試驗取芯結果統計表見表1，對比分析圖見圖3。

表1 不同取芯工藝現場試驗取芯結果統計表

圖3 現場試驗取芯效果對比圖

通過以上試驗，從技術和效率方面考慮，本工程破碎砂泥巖地層取芯首選半合式雙管取芯工藝。同時根據現場半合式雙管拆裝耗時，為了保持鉆進的連續性，減少中間工序耗時，每臺機組配備兩套半合式雙管鉆具，鉆進和鉆具拆裝同步進行，提高鉆進效率。

3 應用效果

在那漏水庫壩址區勘探施工中，左、右岸共5個鉆孔使用半合式單動雙管鉆具進行鉆孔取芯，在松散的破碎砂泥巖孔段，平均巖芯采取率達95%以上，不僅滿足了鉆孔設計要求，還使巖芯節理、裂隙的完整性和原狀性得到了較好的保持，取芯結果統計表見表2，巖芯實物照片見圖4和5。

表2 那漏水庫半合式單動雙管鉆具取芯率統計表

4 結語

樂業縣那漏水庫工程鉆探過程中所遇砂泥巖地層較破碎，巖芯采取率低，地層地質巖性判斷難度大。通過對多種取芯方法研究探索，選取半合式單動雙管鉆具，配合合理的鉆進參數，成功解決了清水鉆進中破碎砂泥巖的取芯技術難題，為地質專業提供了可靠實物資料，達到了準確判斷地層地質巖性的目的，該取芯方法可在類似地層鉆探中推廣應用。

圖4 強風化破碎地層取芯效果（ZK115孔29.0～30.5 m回次巖芯）

圖5 弱風化破碎地層取芯效果（ZK112孔37.6～39.0 m回次半合管內巖芯）