綜合勘察技術(shù)在鄱陽湖湖口定向鉆穿越中的應(yīng)用

徐帥陵 劉曉忠

(勝利油田勝利工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司, 山東東營(yíng) 257026)

鄱陽湖湖口定向鉆穿越工程是九江—景德鎮(zhèn)天然氣管道工程的咽喉工程，地處鄱陽湖口,地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,層位變化大,且溶洞發(fā)育。為保證獲取精確的勘察資料,本工程采取了地質(zhì)調(diào)查、水上鉆探等傳統(tǒng)勘察方法，結(jié)合水上地震映像、高密度電法等工程物探技術(shù)的綜合勘察手段。通過各種勘察方法成果的對(duì)比印證,克服了鉆探數(shù)據(jù)資料具有離散性的缺陷,為定向鉆穿越設(shè)計(jì)方案的制定提供了連續(xù)、準(zhǔn)確的地質(zhì)資料,保證了定向鉆施工的順利進(jìn)行。

1 工程概況

本工程穿越處位于鄱陽湖湖口,北接長(zhǎng)江,湖面在此處變窄,湖水流向由南向北,湖兩岸寬約1 700 m,東岸為雁列山。管道穿越處及其附近水深2.1～15.5 m,水下地形地勢(shì)復(fù)雜,呈“U”狀,主航道水深較大。鄱陽湖是贛江航道連接長(zhǎng)江的出入口,航運(yùn)船只來往頻繁。

穿越區(qū)域處于揚(yáng)子板塊南部邊緣,贛江斷裂東盤,鄱陽湖受其影響,為一斷陷盆地。場(chǎng)地內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜,地層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,層位、層厚變化大,不利于定向鉆穿越。覆蓋層巖性為第四系沖洪積形成的黏性土、淤泥質(zhì)土、砂性土、碎石土,覆蓋層厚度18～50 m?；鶐r為石炭系中統(tǒng)(C2c)灰?guī)r和泥盆系上統(tǒng)(D3)砂巖,巖石風(fēng)化程度因受構(gòu)造、巖性以及原始地貌影響,呈現(xiàn)較大的差異性,灰?guī)r層溶洞較發(fā)育(表1),且存在破碎帶。定向鉆在此地質(zhì)環(huán)境中施工非常困難,需根據(jù)地質(zhì)條件變化采取相應(yīng)的技術(shù)措施,這就必須精確查明地層的層位變化以及不良地質(zhì)現(xiàn)象的確切位置,防止產(chǎn)生卡鉆和塌孔。

表1 溶洞位置預(yù)覽

2 地層特征

根據(jù)本次鉆探揭露,場(chǎng)區(qū)勘察深度(45.00 m)內(nèi)主要的地層為第四系沖洪積形成的黏性土、淤泥質(zhì)土、砂性土、碎石土，以及石炭系中統(tǒng)(C2c)灰?guī)r、泥盆系上統(tǒng)(D3)砂巖,其中在主航道近東岸PYH-24和PYH-25號(hào)鉆孔揭露存在構(gòu)造破碎帶?，F(xiàn)依據(jù)土體形成的地質(zhì)時(shí)代、成因、地層巖性、物理力學(xué)性質(zhì)的不同，自上而下分為5個(gè)工程地質(zhì)層,其中③層分為5個(gè)亞層,各工程地質(zhì)層特征見表2。

表2 場(chǎng)地鉆孔綜合柱狀圖及巖性描述

3 綜合勘察技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

主要以區(qū)域地質(zhì)資料調(diào)查為主,輔以現(xiàn)場(chǎng)勘察手段。選址勘察期間在東岸入土位置進(jìn)行鉆探,初步了解現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、場(chǎng)地復(fù)雜程度，不同時(shí)期湖水的水位、流速、風(fēng)速，以及場(chǎng)地內(nèi)各地質(zhì)層的波阻抗參數(shù)、視電阻率值等地質(zhì)資料,對(duì)穿越區(qū)的地質(zhì)環(huán)境形成總體認(rèn)識(shí),為其他勘察手段的選取及施工的開展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2 水上鉆探

勘察場(chǎng)地位于鄱陽湖湖口,湖水流速大,風(fēng)浪大,流態(tài)紊亂,若套管固定不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致鉆孔傾斜。為保證套管的垂直下入,采用鋼絲繩逆水流牽引套管逐步下放,保證套管垂直抵達(dá)水底,然后用錘擊將套管底端打入地層,并跟管鉆進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)定地層。套管的上部用套管夾固定在在機(jī)臺(tái)上。

鉆探過程中潮水漲退無常,還需注意湖水水位變化引起的套管和機(jī)臺(tái)相對(duì)高度的變化,并進(jìn)行深度校正,準(zhǔn)確測(cè)量孔深及記錄孔內(nèi)原位測(cè)試和取樣深度。

本次勘察工程共布置鉆探孔29個(gè),勘探孔深度30～45 m,在穿越中線的上、下游各15 m處交錯(cuò)布置,勘探點(diǎn)距投影至中線約為60 m左右。由于采取了合理的水上鉆探技術(shù),工程取得圓滿成功。

3.3 工程物探

勘察場(chǎng)地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不良地質(zhì)作用發(fā)育,由于鉆孔資料具有離散性(間距60 m),無法精確反映層位變化和不良地質(zhì)現(xiàn)象的實(shí)際位置、范圍。因此，本工程配合使用水上地震映像和高密度電法對(duì)穿越中線的地質(zhì)情況進(jìn)行勘探。

(1)水上地震映像

勘探前通過地質(zhì)調(diào)查,對(duì)勘察區(qū)內(nèi)湖水和各地質(zhì)層的波阻抗差異性進(jìn)行分析,確定具備開展水域地震映像勘探的地球物理前提和工作環(huán)境條件。

水上地震映像采用單船單道激發(fā)接收方式。工作中采用寬頻帶接收,連續(xù)自動(dòng)記錄方式；觸發(fā)震源采用高壓空氣槍及與其匹配的空壓機(jī),每隔3～6 s激發(fā)一次,點(diǎn)距為4 m；接收裝置采用由多個(gè)壓電晶體組合成單道裝置接收地震反射波。水上縱波地震數(shù)據(jù)采集的儀器參數(shù)：采樣間隔0.05 ms,采樣點(diǎn)數(shù)2 048,延遲時(shí)間0 ms,記錄時(shí)間100 ms,陷波器開通,頻帶范圍1～1 000 Hz,自動(dòng)記錄。

水上地震映像資料處理流程為：數(shù)據(jù)編輯-去噪-頻率濾波-道均衡-時(shí)間剖面輸出。根據(jù)地震映像時(shí)間剖面圖進(jìn)行有效波相位對(duì)比和同相軸的追蹤。首先結(jié)合鉆孔控制標(biāo)準(zhǔn)層位(基巖面反射波組),對(duì)基巖面反射波組連續(xù)追蹤,然后對(duì)第四系層位進(jìn)行對(duì)比,力求連續(xù)、正確。在以上相位分析的基礎(chǔ)上,確定各層的平均速度進(jìn)行時(shí)-深換算,構(gòu)制成各測(cè)線的地震-地質(zhì)解釋剖面圖。

(2)高密度電法

高密度電法主要應(yīng)用于鄱陽湖穿越兩岸的陸上勘察,工作儀器為DUK-2型電法測(cè)量系統(tǒng),它由DZD-6多功能直流電法儀與多路電極轉(zhuǎn)換器〈Ⅱ〉組成。施工前對(duì)儀器及配套輔助設(shè)備均進(jìn)行了檢查,其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

本次高密度電法的電極裝置采用溫納裝置,電極點(diǎn)距采用5 m,電極排列總數(shù)為60,最小間隔系數(shù)為1,最大間隔系數(shù)為18,共布置測(cè)線約340 m。在測(cè)量前,首先要進(jìn)行電極接地電阻檢測(cè),接地電阻均正常后,開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)量。

資料處理流程為：錄入原始數(shù)椐→格式轉(zhuǎn)換→編輯→反演處理→視電阻率成圖。

4 工程勘察成果對(duì)比印證

勘察過程中各種勘察手段基本同時(shí)進(jìn)行,各種勘察手段因其技術(shù)性和針對(duì)性不同,對(duì)同一地質(zhì)現(xiàn)象的解譯成果可能不盡相同。為保證最終勘察成果的準(zhǔn)確度和統(tǒng)一性,對(duì)各種勘察技術(shù)手段獲得的解釋資料進(jìn)行整合、分析和印證,對(duì)同一地質(zhì)現(xiàn)象基本能得到一致解釋,并在此基礎(chǔ)上提出滿足工程需要的完整的地質(zhì)勘察資料。

鉆探資料能夠較為準(zhǔn)確、直觀的反映鉆孔處地層在深度上的變化及不良地質(zhì)體的位置,但鉆孔布置具有一定的孔距,使得所獲勘察資料存在一定的誤差,孔距愈大誤差愈大,孔距愈小則相應(yīng)的增大工程成本。工程物探能夠獲得連續(xù)的地質(zhì)數(shù)據(jù),但對(duì)于同一數(shù)據(jù)異常往往會(huì)產(chǎn)生不同的解釋可能。而通過整合、分析鉆探和物探資料,則能夠較為準(zhǔn)確的反映出勘察區(qū)域內(nèi)的地層變化,巖溶發(fā)育位置、規(guī)模、特點(diǎn)以及破碎帶的分布范圍等。如圖1,25號(hào)鉆孔19 m深度揭露破碎帶且勘察深度內(nèi)未揭穿,而相鄰24和26號(hào)鉆孔揭露地層則為完整基巖,在這種情況下結(jié)合工程物探資料(圖2),則能準(zhǔn)確的反映出破碎帶的具體位置和分布范圍,從而避免了補(bǔ)充勘探孔。圖3為鉆探孔揭露的溶洞位置,但不能反映出溶洞的分布范圍和規(guī)模特點(diǎn),而結(jié)合鉆孔資料,工程物探則能解決這一問題(圖4)。因?yàn)椴槊骰規(guī)r中有“串珠狀”巖溶發(fā)育,經(jīng)過對(duì)比,否定了原定的定向鉆在該層穿越的方案,而改在施工難度較小,把握較大的第四系松散層(細(xì)砂、圓礫和淤泥質(zhì)土)中穿越。

圖1 鉆孔剖面(局部)

圖2 地震映像時(shí)間剖面(局部)

圖3 鉆孔剖面(局部)

圖4 地震映像時(shí)間剖面(局部)

5 結(jié)束語

通過對(duì)不同勘察手段所得資料的整合、印證,能較為精確的反映出穿越區(qū)域的層位變化,尤其是查明了不良地質(zhì)現(xiàn)象(如破碎帶、溶洞)的位置、分布范圍等,為定向鉆方案設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)資料,保證了定向鉆的順利施工。目前鄱陽湖定向鉆施工已順利完成,通過定向鉆施工過程中的實(shí)際檢測(cè),勘察資料準(zhǔn)確無誤,滿足工程要求。由此可以看出,對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、對(duì)勘察資料精度要求高的大型工程,采用綜合勘察技術(shù)手段是可行的,也是必要的。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123—1999)[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,1999

[2] 勝利工程設(shè)計(jì)咨詢公司.九江—景德鎮(zhèn)天然氣管道工程鄱陽湖穿越巖土工程勘察報(bào)告[R].勝利工程設(shè)計(jì)咨詢公司，2009

[3] 張守周.隧道穿越大型充填型溶洞的工程地質(zhì)勘察技術(shù)研究[J].鐵道勘察,2009(5)：64-69

[4] 楊文濤,謝樂云.多溶洞群地質(zhì)的勘察技術(shù)[J].檢測(cè)技術(shù),2004(5)：25-26