深厚砂礫石層鉆探取芯技術(shù)探討

歐漢森, 廖志輝, 陳 建

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

深厚砂礫石層鉆探取芯技術(shù)探討

歐漢森, 廖志輝, 陳 建

(湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

西部地區(qū)遍布深厚砂礫石、漂礫石復(fù)雜地層,是工程地質(zhì)鉆探工作中不可避免的一種失穩(wěn)地層,普遍存在鉆進(jìn)成孔困難、施工工藝復(fù)雜、巖芯采取率低、取芯質(zhì)量差、鉆探效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本奇高等工程勘探施工技術(shù)難題。21世紀(jì)以來,在新疆、青海、四川等西部地區(qū)多項(xiàng)水利水電工程地質(zhì)勘探項(xiàng)目實(shí)施過程中,結(jié)合國內(nèi)先進(jìn)的復(fù)雜地層鉆探技術(shù)經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)采取綜合鉆探取芯工藝技術(shù)措施,使工程得以順利實(shí)施?？偨Y(jié)在深厚砂礫石、漂礫石復(fù)雜地層的鉆探成孔與取芯實(shí)踐中獲得的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),以期為同類工程地質(zhì)勘探提供借鑒。

砂礫石地層;鉆探工藝;取芯技術(shù);護(hù)孔措施

在西部地區(qū)水利水電工程項(xiàng)目開發(fā)中,工程地質(zhì)勘探工作不可避免地遇到深厚砂礫石、漂礫石復(fù)雜地層。其共同的特性是厚度普遍較大,而密實(shí)度、膠結(jié)性因地域和沉積形成的地質(zhì)年代不同區(qū)別較大,但均存在膠結(jié)較差、顆粒粒徑級(jí)配差、礫石質(zhì)地堅(jiān)硬、孔隙率大、滲透性強(qiáng)等問題,且原始地層平衡壓力一旦被外力打破極易失穩(wěn)發(fā)生垮塌,局部地區(qū)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(zhì)勘探的實(shí)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(jié)在新疆、青海、四川等局部地區(qū)實(shí)施水利水電工程地質(zhì)勘探的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),以期為同類工程地質(zhì)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(fā)項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察工作中,基于水電行業(yè)的特殊性,新、老河床的砂礫石地層是工程地質(zhì)鉆探不可避免的重要工作對(duì)象,其鉆探工藝技術(shù)復(fù)雜,成孔、取芯與判層困難,難以獲取孔內(nèi)物探與水文地質(zhì)等各種試驗(yàn)參數(shù),深厚砂礫石地層的鉆探取芯與成孔難題現(xiàn)階段不同程度地困擾著工程地質(zhì)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(jìn)取芯工藝技術(shù)復(fù)雜。深厚砂礫石地層固有的松散結(jié)構(gòu),加之夾漂礫石,孔壁嚴(yán)重失穩(wěn)垮塌,取芯質(zhì)量差,成孔難度大,為了達(dá)到設(shè)計(jì)深度并獲取滿足地質(zhì)要求的鉆探成果,需要采取泥漿、植物膠、多級(jí)配套管等多種材料綜合護(hù)孔的措施[3]。

(2) 鉆孔成孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。深厚砂礫石地層鉆探取芯工作,因礫石、漂礫石質(zhì)地堅(jiān)硬,傳統(tǒng)的鋼粒、合金回轉(zhuǎn)與沖擊式的鉆進(jìn)取芯工藝技術(shù)已不能適應(yīng)此類地層應(yīng)用,普遍采取金剛石(或復(fù)合片)鉆頭回轉(zhuǎn)、液動(dòng)或氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)的鉆進(jìn)取芯、跟管護(hù)孔技術(shù),或者采用金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù),但在松散砂礫石、漂礫石地層鉆進(jìn),成孔極為困難,難以實(shí)現(xiàn)大孔段裸孔鉆進(jìn),而跟管鉆進(jìn)深度受到松散地層自然條件制約,向下鉆探時(shí)客觀上要求變徑次數(shù)多,多層套管跟進(jìn)護(hù)孔,導(dǎo)致鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要大量配備各級(jí)口徑的套管、鉆頭、擴(kuò)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(jié)構(gòu)松散,孔隙率大,滲透性強(qiáng),孔壁易失穩(wěn)垮塌,鉆孔沖洗液嚴(yán)重漏失,一般是頂漏鉆進(jìn)取芯成孔,很難保證沖洗液能夠返出孔口,導(dǎo)致細(xì)小顆粒集聚孔底,難以撈取,在這種工況條件下,孔內(nèi)產(chǎn)生沉淀多,需要反復(fù)打撈孔內(nèi)沉渣,鉆頭重復(fù)碾磨孔內(nèi)沉淀物,導(dǎo)致施工過程中采取的鉆探工藝技術(shù)措施復(fù)雜,鉆進(jìn)速度慢,易發(fā)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(nèi)事故,因此鉆探輔助工作量大,勞動(dòng)強(qiáng)度高,作業(yè)周期長(zhǎng),金剛石鉆探技術(shù)的優(yōu)勢(shì)難以正常發(fā)揮。

(4) 取芯質(zhì)量難以獲得保障。水利水電工程勘察項(xiàng)目,大多數(shù)鉆孔除了必須取出鉆孔芯樣外,還需要根據(jù)工程實(shí)際情況在孔內(nèi)實(shí)施水文試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、物探測(cè)試、孔內(nèi)攝影等各類孔內(nèi)原位試驗(yàn)作業(yè)。采用清水鉆進(jìn)雖然使各種孔內(nèi)原位試驗(yàn)得以實(shí)施,但其取芯質(zhì)量與成孔質(zhì)量較差;采用泥漿、植物膠等防滲護(hù)孔材料鉆進(jìn),取芯與成孔質(zhì)量得到了極大保障,但影響孔內(nèi)原位試驗(yàn)成果參數(shù)的真實(shí)性。因此客觀要求取芯、成孔質(zhì)量與孔內(nèi)原位試驗(yàn)必須同時(shí)兼顧,為了獲取孔內(nèi)各類試驗(yàn)真實(shí)有效的成果參數(shù),行業(yè)規(guī)范規(guī)定了僅能采用清水作為鉆孔沖洗液、套管跟進(jìn)護(hù)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(hù)孔材料進(jìn)行護(hù)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(jìn)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(jìn)、跟管護(hù)壁的工藝技術(shù),細(xì)小顆粒不能返出孔外,造成孔底沉淀極難撈取干凈,鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生重復(fù)碾磨、反復(fù)打撈,原狀芯樣采取困難,使得清水鉆進(jìn)難以獲取能夠滿足地質(zhì)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(jìn)行工程地質(zhì)勘探,許多情況下會(huì)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(duì)鉆探取芯工藝技術(shù)的實(shí)施與施工人員現(xiàn)場(chǎng)操作帶來極大的不利影響。

(6) 孔內(nèi)各類原位試驗(yàn)的影響。針對(duì)水電工程設(shè)計(jì)特殊要求,為了獲取地層更多原始物理力學(xué)、水文地質(zhì)資料、地層構(gòu)成的物質(zhì)成分等成果參數(shù),除了正常取芯外,還需要在松散的砂礫石、漂礫石地層內(nèi)實(shí)施各種孔內(nèi)原位試驗(yàn)作業(yè),盡可能達(dá)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(jí)套管護(hù)壁的鉆探技術(shù)措施。在此工況下,受原位試驗(yàn)要求的影響,孔壁難以保證穩(wěn)定,根本無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)孔段裸孔鉆進(jìn)取芯,在局部孔段完成相應(yīng)原位試驗(yàn)后,必須及時(shí)下入對(duì)應(yīng)級(jí)別套管保護(hù)鉆孔,然后更換鉆孔口徑,進(jìn)行下部孔段的鉆探取芯成孔作業(yè),一級(jí)一級(jí)更換孔徑、下入套管護(hù)孔,按照“鉆孔→取芯→孔內(nèi)原位試驗(yàn)→下入套管護(hù)孔→更換孔徑→鉆孔”的工序,循環(huán)作業(yè)直至鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)目的終孔。

(7) 鉆探成本高。眾所周知,當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境下,在深厚松散的砂礫石、漂礫石地層進(jìn)行工程地質(zhì)勘察施工,勢(shì)必會(huì)遇到許多不可預(yù)見的地質(zhì)條件因素、工藝技術(shù)因素與其它因素的影響,導(dǎo)致鉆探施工投入成本大幅增加,嚴(yán)重降低鉆探經(jīng)濟(jì)效益。

2 深厚砂礫石層鉆探取芯工藝技術(shù)的應(yīng)用

2.1 常規(guī)鉆探取芯技術(shù)

在內(nèi)陸地區(qū)的水利水電工程項(xiàng)目,河床砂礫石層一般厚度不大,粒徑較小,結(jié)構(gòu)松散,采用常規(guī)地質(zhì)套管進(jìn)行強(qiáng)排跟管鉆探工藝技術(shù)即可完全達(dá)到工程勘探的目的并完成相關(guān)的孔內(nèi)原位試驗(yàn),且其工藝簡(jiǎn)單,施工速度快,材料損耗少,是一種行之有效、應(yīng)用最為廣泛的常規(guī)鉆探取芯工藝技術(shù),因此為全國廣大地質(zhì)鉆探工作者所認(rèn)可,但對(duì)于西部地區(qū)深厚砂礫石地層,采用單一的套管護(hù)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(shù)

在四川、青海地區(qū)的水利水電工程項(xiàng)目中,河床砂礫石層一般粒徑較大,質(zhì)地堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)松散,孔隙率大,細(xì)小顆粒普遍很少,其厚度10～30 m,地層嚴(yán)重失穩(wěn),普通地質(zhì)套管無法跟進(jìn)成孔,而且管靴易損壞、套管易折斷,導(dǎo)致工程無法順利實(shí)施。通過調(diào)研學(xué)習(xí)當(dāng)?shù)氐乜笔┕ぜ夹g(shù)經(jīng)驗(yàn),改用厚壁套管跟管鉆探工藝技術(shù),采取強(qiáng)夯、強(qiáng)擠、強(qiáng)排的跟管鉆進(jìn)技術(shù),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(dòng)強(qiáng)度大、鉆孔需要跳級(jí)縮徑、施工地層深度受限等問題。

2.3 綜合護(hù)孔鉆探取芯技術(shù)

在新疆戈壁灘地區(qū)的砂礫石地層實(shí)施水文工程地質(zhì)勘探作業(yè),遇到的砂礫石層厚度數(shù)十—數(shù)百米不等,粒徑相差極大,質(zhì)地堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)較為密實(shí),滲透性較強(qiáng),易失穩(wěn),給鉆探取芯及各類孔內(nèi)原位試驗(yàn)造成極大困難。為了查清基巖真實(shí)埋藏深度,便于對(duì)工程大壩持力層作出有效處理設(shè)計(jì)方案,在工程地質(zhì)勘探階段,需要揭露工程區(qū)砂礫石地層的實(shí)際厚度,為此,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)鉆探工作者提出了更高的技術(shù)要求。

2.3.1 優(yōu)質(zhì)泥漿+套管綜合護(hù)孔工藝

新疆喀什地區(qū)的某水電工程項(xiàng)目,壩址砂礫石層鉆孔采用優(yōu)質(zhì)泥漿+套管護(hù)壁、普通金剛石雙管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)取芯工藝措施,達(dá)到孔內(nèi)原位試驗(yàn)部位,根據(jù)試驗(yàn)要求不同可先作試驗(yàn)或先下入套管護(hù)孔,換徑改用清水鉆進(jìn),孔內(nèi)原位試驗(yàn)完成后再改回泥漿+套管護(hù)孔、金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝措施循環(huán)施工直至終孔。采用此工法首次完成了厚度達(dá)120 m的砂礫石層鉆孔的鉆探取芯及孔內(nèi)試驗(yàn)工作,歷時(shí)35天,為后續(xù)工程項(xiàng)目勘探積累了經(jīng)驗(yàn)。其后,在克孜勒蘇柯爾克孜州地區(qū)的一個(gè)水利工程項(xiàng)目中,也是采用此工法歷時(shí)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(hù)孔工藝

新疆吐魯番地區(qū)的某水庫工程項(xiàng)目,在壩址區(qū)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(shí)參數(shù),查明其相應(yīng)滲透特性,采用清水+套管護(hù)壁、金剛石雙管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝措施,各層含水層穿過后下入相應(yīng)級(jí)配套管隔離,歷時(shí)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(shí)施物探聲波測(cè)試、動(dòng)力觸探、旁壓試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、涌水參數(shù)觀測(cè)等各類孔內(nèi)原位試驗(yàn),但取芯質(zhì)量較差,套管占用量大,完工后套管起拔困難,施工勞動(dòng)強(qiáng)度高,周期較長(zhǎng)。

2.3.3 植物膠護(hù)孔工藝

新疆吐魯番地區(qū)相同的水庫工程項(xiàng)目,為重點(diǎn)提高壩址區(qū)深厚砂礫石層取芯質(zhì)量,全孔采取植物膠+套管+金剛石特殊鉆具實(shí)施回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝措施,在地下承壓水條件下植物膠對(duì)鉆孔護(hù)壁效果好,能夠取出植物膠膠結(jié)良好的圓柱狀砂礫石芯樣,可實(shí)現(xiàn)砂礫石地層較長(zhǎng)孔段裸眼成孔,減少套管用量,歷時(shí)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(jìn)尺短,巖芯易發(fā)生堵塞,需要頻繁起下鉆,植物膠消耗量大,操作強(qiáng)度高,施工成本投入大,工期較長(zhǎng)。

3 結(jié)束語

(1) 充分掌握深厚砂礫石地層工程地質(zhì)勘探目的及孔內(nèi)原位試驗(yàn)項(xiàng)目,認(rèn)真做好鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采取合理有效的鉆探取芯工藝技術(shù)措施,配備滿足項(xiàng)目地勘要求的鉆探設(shè)備、器材及輔助施工材料。

(2) 鉆孔開工前,全面做好現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交底工作,統(tǒng)一操作人員施工思想,避免各作業(yè)班組盲目操作,增強(qiáng)生產(chǎn)人員相互協(xié)作能力,提高鉆探效益。

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

[1] 孫志峰.水利水電工程鉆鑿施工技術(shù)[M].長(zhǎng)春:吉林科學(xué)技術(shù)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(shù)和工藝[J].四川水力發(fā)電,2007,26(1):87-89.

[3] 宋宏圖.SM植物膠和SD系列金剛石鉆進(jìn)工藝在深厚砂卵石層的應(yīng)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(shù)實(shí)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(jìn)工藝[J].探礦工程,1997(3):12-14.

(責(zé)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(jí)工程師,探礦工程專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘察、建筑物基礎(chǔ)處理施工與技術(shù)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(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.014.html 數(shù)字出版日期:2017-06-22 16:55