承德市興隆縣地區(qū)卵石層工程鉆探方法探討

于 松

（華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000）

承德市興隆縣地處燕山山麓，境內山巒起伏，溝壑縱橫，是典型的“九山半水半分田”的深山區(qū)。該地區(qū)基巖埋深較淺，上覆地層主要為第四系沖洪積卵石層。

根據鉆孔揭露，興隆縣一中項目地層情況如下：0～0.5m為耕土（Q4pd），表層植物根系發(fā)育；0.5～6m為第四系沖洪積卵石層（Q4pl+dl）；6m以下為青白口系頁巖（Qn）。場區(qū)內地下水位埋深3m左右，水量較大。場區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙型潛水，卵石層為主要含水層。場區(qū)東側有一條小河流過，距離場區(qū)約20m，場區(qū)地下水補給主要靠大氣降水及河流側向補給。

該場區(qū)卵石層的主要特點：顆粒粒徑大，一般為10～100mm，最大粒徑超過600mm，顆粒的母巖成分主要為花崗巖、凝灰?guī)r；充填物主要為細砂。這種卵石層滲透性強、漏失嚴重、質地堅硬、結構復雜、軟硬不均、顆粒級配無規(guī)律。常規(guī)鉆探只能取出部分大粒徑的卵石，細顆粒被沖洗液沖失，因而要查明其結構與顆粒級配結構關系極為困難。實際鉆探遇到的問題：鉆頭損耗大、鉆進進尺慢、孔壁不穩(wěn)定、易塌孔、孔內殘留物多等。卵石層具體顆粒級配情況如表1所示。

表1 卵石層顆粒級配表

文章結合鉆探過程中遇到的各種實際問題，詳細闡述了承德市興隆縣地區(qū)卵石層的鉆探方法。

1 鉆具、鉆頭的選取

1.1 鉆具的選取

由于該地區(qū)卵石層粒徑大且質地堅硬，常規(guī)勘察中選取的108mm直徑鉆具在這種地層中存在不易進尺且容易損壞的特點。針對這種地層，通過反復實踐，該次勘察特選取146mm直徑鉆具。優(yōu)點：（1）選取大直徑的鉆具可以增加自重，進而增大孔底壓力，保證在鉆探過程中鉆具的垂直度，避免因壓力過大導致鉆桿變形而擾動孔壁，造成塌孔；（2）由于該地區(qū)卵石粒徑大，選取大直徑鉆具可以將粒徑較大的卵石直接套進巖芯管內，省去了鉆探這些卵石的時間，既節(jié)約了成本，又提高了鉆探效率。

1.2 鉆頭的選取

在常規(guī)勘察中，項目部選用的普通合金鉆頭在該地區(qū)卵石層的鉆進中遇到了極大阻礙。普通合金鉆頭使用一個回次即報廢，而且進尺很少，平均進尺＜10cm。一旦遇到粒徑大、質地堅硬的卵石，進尺更是困難。使用普通合金鉆頭既浪費了成本、耽誤了工期，又無法按照規(guī)范完成勘察任務。綜合地層及造價因素，經過反復比對，該次勘察選取復合片鉆頭進行鉆探。其主要特點：（1）抗沖擊、耐磨性好，成本較低；（2）復合片采用錯位焊接工藝，增強進尺；（3）鉆頭鋼體鑲嵌合金條保護胎體外徑使鉆頭不易磨損，內側每粒復合片均有對應合金條保護，保證取芯率；（4）較大的水口能使沖洗液有更好的攜帶能力。

2 鉆進參數(shù)

2.1 鉆壓

由于該地區(qū)卵石層結構復雜，顆粒級配無規(guī)律，地層軟硬不均，因此在卵石層的鉆進中，鉆壓的控制應當遵循“輕給壓、慢加壓”的原則。如果鉆壓過大，容易使鉆頭過早磨損，甚至造成鉆機故障，增加鉆探成本，同時還可能造成鉆桿彎曲嚴重，進而擾動孔壁，導致塌孔，而且會使鉆頭沿光滑的卵石斜面向土層較軟的方向滑動，造成斜孔。鉆壓過小，又難以破壞堅硬的卵石層，有時還會因壓力不足，壓不住孔底的卵石，使卵石和鉆頭一起轉動，進而長時間不進尺，甚至發(fā)生塌孔廢孔。

總結現(xiàn)場施工經驗，鉆壓選取范圍以5～8kN為宜。當鉆進遇到大粒徑漂石或進入基巖層后，待進尺穩(wěn)定，可慢慢增加鉆壓，加快鉆進速度。

2.2 轉速

在鉆進過程中，應根據鉆進深度、地層情況、機械設備性能等因素隨時調整轉速。轉速的大小直接影響著鉆進效率和鉆探成本。總結現(xiàn)場施工經驗，在卵石層中鉆進轉速應控制得適當小些。轉速過快，會導致排泄能力不足、鉆頭損耗加大，影響鉆進速度，增加鉆探成本；而且轉速過高有時也會導致鉆桿彎曲變形，擾動孔壁，導致塌孔。總結現(xiàn)場施工經驗，轉速應控制在150～250r/min為宜。

當鉆探穿透卵石層到達基巖后，可以適當增加轉速。這時轉速提高會使鉆桿撓度變小，使鉆具更加穩(wěn)定，進尺更快，鉆頭的研磨時間縮短了，巖芯的采取質量也就更好。總結現(xiàn)場施工經驗，適宜的轉速應控制在300～ 500r/min。

2.3 泵量

在實際鉆探中，泵量不是一成不變的，應根據地層情況而定。當?shù)貙泳鶆蛎軐崱o較大的卵石時，泵量不宜過大，泵量過大容易帶走卵石層中的充填物，造成定名不準，影響勘察質量；而且會使鉆壓降低，影響勘察速度。當鉆進中遇到大粒徑卵石或漂石時，泵量應適當加大，這樣可以順利地將巖粉帶出鉆孔，同時可以更好地給鉆頭降溫，減小復合片掉落的概率，節(jié)約成本。

總結現(xiàn)場施工經驗，適宜的泵量應控制在100～200L/min。同時，在卵石層中鉆進，應時刻保持專注，根據現(xiàn)場情況靈活調節(jié)鉆進參數(shù)，以快速、經濟地完成勘察工作。

2.4 泵壓

泥漿泵的主要作用是在鉆進過程中將泥漿隨鉆頭鉆進注入井下，起著冷卻鉆頭、清洗鉆具、固著井壁、驅動鉆進并將打鉆后巖屑帶回地面的作用。因此，正常鉆進泵壓較低，一般為0.3～0.5MPa，能達到壓送與循環(huán)泥漿的目的即可。

3 泥漿的制備

3.1 泥漿的選取

由于成本因素，鉆探初期泥漿配制較為簡單，采用施工現(xiàn)場的黃土加水攪拌而成，但是效果很不理想。由于該地區(qū)地下水埋深很淺，一般在3m左右，且水量較大，當鉆進遇到地下水后，地下水會迅速稀釋泥漿，完全沒有護壁的效果。每次提鉆后，鉆孔基本都在水位線上坍塌，嚴重阻礙了工程的進度。經反復比對后，項目部最后選用膨潤土和植物膠加水配制泥漿。

3.2 泥漿的優(yōu)點

在鉆探施工中，該泥漿性能相比之前有了顯著提升，優(yōu)點如下：

（1）原料成本低，獲取容易，現(xiàn)場配制簡單，節(jié)省工時。

（2）泥漿黏度高，穩(wěn)定性好，護壁防塌性能好，可以較長時間保持孔壁的穩(wěn)定。

（3）排砂、攜帶巖粉能力強，孔底干凈進尺較快，完工鉆孔質量好。

（4）具有較好的潤滑性，可以有效減少鉆具回轉阻力，減少鉆具的磨損，降低鉆探成本，提高鉆探效率，縮短鉆探周期。

（5）取芯質量好，可保持巖樣的原狀結構，便于有效、準確判定地質特征。

3.3 泥漿的配制及使用

（1）配漿前，認真檢查膨潤土和植物膠的質量。

（2）將膨潤土和植物膠少量多次地加入水中，并充分攪拌使其混合均勻。

（3）鉆探開始時，應持續(xù)觀察并調整泥漿性能，當泥漿能夠懸浮起30mm左右顆粒時，方可停止。

（4）泥漿變稀釋或砂量加大時，應隨時配置、補充新漿，使泥漿性能保持穩(wěn)定。

4 注意事項

在鉆探施工中，需要注意以下要點：

（1）鉆探前要把場區(qū)整平，鉆機水平擺放，立軸與地面保持90°。

（2）起鉆下鉆速度不易過快，要盡量減小鉆具對孔壁的沖擊，謹防塌孔。

（3）鉆探過程中，當發(fā)現(xiàn)泥漿減少時應及時補充，適當增加泥漿中植物膠的比例，提高泥漿的黏稠度，同時上下活動鉆桿，封堵漏漿位置，然后再進行正常鉆進。

（4）鉆探過程中，當觀察到泥漿的變化不大，但進尺卻明顯放緩，應提鉆檢查，考慮更換鉆頭。

（5）鉆進過程中，如果進尺正常，不得隨意更改鉆進參數(shù)，也不要隨意提動鉆具，以防巖芯堵塞。

（6）當鉆進穿過卵石層進入基巖層后，應當調配泥漿性能，更換鉆具，調整鉆速，使其適應基巖鉆進要求。

（7）進行原位測試和取樣前，應保持孔底清潔，大泵量清孔10min以后才可進行上述操作。

（8）鉆探過程中，如果發(fā)生卡鉆，切忌生拉硬拽，此時應將轉速降到最低，采用主卷揚加鉆機液壓臂緩慢勻速提拉，同時鉆機正轉反轉相切換。如無效果，采用拔管器拔出鉆具。

5 結束語

上述鉆探工藝，是近幾年華北地質勘查局五一四地質大隊在承德市興隆縣地區(qū)卵石層的鉆探中，通過大量實踐，總結經驗教訓，逐步完善的。通過選擇合適的鉆頭和鉆進參數(shù)，保證了鉆探過程中孔壁的穩(wěn)定，減少了鉆頭、鉆具的損耗，降低了成本，提高了鉆探效率，為以后該地區(qū)類似地層的鉆探積累了經驗。