半合式單動(dòng)雙管鉆具在破碎砂泥巖中的應(yīng)用

李道賓，黎藝明

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

樂業(yè)縣那漏水庫可研階段壩址區(qū)勘探中遇到巖體結(jié)構(gòu)破碎、節(jié)理密集發(fā)育的砂泥巖地層，鉆進(jìn)過程受機(jī)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(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)和使用傳統(tǒng)單動(dòng)雙管鉆具效果均不理想，同時(shí)受鉆孔壓水試驗(yàn)要求制約，無法通過配置泥漿型鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)，只能依靠孔口返渣返水情況、鉆進(jìn)過程記錄、鉆孔電視以及聲波測(cè)試等手段進(jìn)行輔助勘查，給地層巖性判別和風(fēng)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(yè)多采用單管或全封閉內(nèi)管的雙管取芯工藝。在極特殊地質(zhì)條件、取芯率要求極高的情況下，可采用半合式單動(dòng)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(nèi)管不轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以避免因鉆具回轉(zhuǎn)對(duì)巖芯的機(jī)械破壞，同時(shí)由于內(nèi)管為打開式，巖芯節(jié)理面發(fā)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(zhì)量大幅提高。

1 工程概況

樂業(yè)縣那漏水庫是一座以農(nóng)村人飲供水為主、兼顧灌溉等綜合利用的水利工程，設(shè)計(jì)供水人口5000 人，新增灌溉面積2100 畝，設(shè)計(jì)年供水量約為138 萬m3，屬小（1）型水庫，Ⅳ等工程?？尚行匝芯侩A段共布置兩個(gè)壩址進(jìn)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(qū)分布地層主要為三迭系下統(tǒng)板納組上段（T2b3）粉砂質(zhì)泥巖夾少量砂巖、三迭系下統(tǒng)蘭木組下段（T2l1）含鈣粉砂質(zhì)泥巖夾少量砂巖。地層受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體縱向劈理極發(fā)育，風(fēng)化深且不均一，局部呈碎裂結(jié)構(gòu)，強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體節(jié)理裂隙渲染嚴(yán)重，多夾泥，巖體完整性差（見圖1）。

2 技術(shù)分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鉆探設(shè)備及巖芯采取率低的原因分析

本次鉆探采用XUL100 型地質(zhì)鉆機(jī)，單層巖芯管鉆具在破碎砂泥巖鉆進(jìn)時(shí)，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(jié)理、裂隙密集發(fā)育，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程受鉆頭磨蝕，進(jìn)入巖芯管前大部分已受機(jī)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(dāng)，只能通過清水鉆進(jìn)，因壩址區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程有關(guān)規(guī)定，無法通過配置泥漿型鉆井液有效增強(qiáng)對(duì)巖芯的保護(hù)。

（4）鉆進(jìn)參數(shù)選取不當(dāng)，破碎砂泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)，須嚴(yán)格控制泵量、轉(zhuǎn)速、壓力、回次進(jìn)尺等鉆進(jìn)參數(shù)，在前期鉆孔過程沒有采用合理鉆進(jìn)參數(shù)，也是取芯率偏低的其中一個(gè)關(guān)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(jìn)行鉆進(jìn)的前提下，只能通過改變?nèi)⌒竟に嚭驼{(diào)整合適鉆進(jìn)參數(shù)來提高巖芯采取率。因此，我們決定引入新型半合式單動(dòng)雙管鉆具進(jìn)行取芯，在正式施工前，為確保取芯效果和質(zhì)量，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，并與其他類型取芯鉆具進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 半合式單動(dòng)雙管鉆具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及取芯原理

2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

半合式單動(dòng)雙管鉆具設(shè)計(jì)有雙級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)，鉆具單動(dòng)性能好，配有單向閥，防止沖洗液逆流堵塞裝置。內(nèi)管設(shè)計(jì)成內(nèi)壁磨光的半合管，并取消與鉆頭連接的短節(jié)，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(yīng)各種復(fù)雜地層取芯，半合式單動(dòng)雙管鉆具結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 半合式單動(dòng)雙管鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 取芯原理

半合式單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)時(shí)，沖洗液經(jīng)雙管接頭的進(jìn)水孔進(jìn)入內(nèi)、外管間的環(huán)狀間隙，流至孔底沖洗孔底后再沿孔壁外環(huán)間隙返至孔口，避免了直接沖刷內(nèi)管巖芯，同時(shí)具有單動(dòng)功能（外管轉(zhuǎn)動(dòng)、內(nèi)管相對(duì)不動(dòng)）可避免因鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)造成對(duì)巖芯的機(jī)械破壞作用；提鉆后退芯時(shí)內(nèi)管可直接拆成兩個(gè)半管，退芯時(shí)避免敲擊和振動(dòng)作用造成的人為二次破壞，能較好地保持巖石的原生結(jié)構(gòu)形態(tài)，節(jié)理清晰可見，結(jié)構(gòu)面保存完整，同時(shí)巖芯的采取率、完整度、代表性較高。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)比分析

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)過合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)（鉆進(jìn)壓力:10～12 kN；鉆機(jī)轉(zhuǎn)數(shù):400～590 r/min；泵水量:50～60 L/min），同時(shí)對(duì)單管、全封閉式雙管、半合式雙管3 種不同取芯工藝鉆具進(jìn)行取芯效果對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，同樣在破碎砂泥巖層中鉆進(jìn)，單管鉆進(jìn)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，內(nèi)管短接及巖芯卡簧部位易造成堵芯憋水，單次進(jìn)尺30～50 cm 需起鉆，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，耽誤進(jìn)度；半合式雙管取芯率最高，巖芯以柱狀形態(tài)保存完好，節(jié)理、裂隙清晰可見。不同取芯工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取芯結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表1，對(duì)比分析圖見圖3。

表1 不同取芯工藝現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取芯結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)取芯效果對(duì)比圖

通過以上試驗(yàn)，從技術(shù)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(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)半合式雙管拆裝耗時(shí)，為了保持鉆進(jìn)的連續(xù)性，減少中間工序耗時(shí)，每臺(tái)機(jī)組配備兩套半合式雙管鉆具，鉆進(jìn)和鉆具拆裝同步進(jìn)行，提高鉆進(jìn)效率。

3 應(yīng)用效果

在那漏水庫壩址區(qū)勘探施工中，左、右岸共5個(gè)鉆孔使用半合式單動(dòng)雙管鉆具進(jìn)行鉆孔取芯，在松散的破碎砂泥巖孔段，平均巖芯采取率達(dá)95%以上，不僅滿足了鉆孔設(shè)計(jì)要求，還使巖芯節(jié)理、裂隙的完整性和原狀性得到了較好的保持，取芯結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2，巖芯實(shí)物照片見圖4和5。

表2 那漏水庫半合式單動(dòng)雙管鉆具取芯率統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語

樂業(yè)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(zhì)巖性判斷難度大。通過對(duì)多種取芯方法研究探索，選取半合式單動(dòng)雙管鉆具，配合合理的鉆進(jìn)參數(shù)，成功解決了清水鉆進(jìn)中破碎砂泥巖的取芯技術(shù)難題，為地質(zhì)專業(yè)提供了可靠實(shí)物資料，達(dá)到了準(zhǔn)確判斷地層地質(zhì)巖性的目的，該取芯方法可在類似地層鉆探中推廣應(yīng)用。

圖4 強(qiáng)風(fēng)化破碎地層取芯效果（ZK115孔29.0～30.5 m回次巖芯）

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