復(fù)雜破碎地層中應(yīng)用SDB系列金剛石鉆探工藝提高取芯質(zhì)量的探索

陶 曙

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,湖南長(zhǎng)沙 410008)

所謂復(fù)雜地層包括松散地層和破碎地層。松散地層指第四系砂卵石覆蓋層;破碎地層指基巖經(jīng)風(fēng)化和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而形成的硬、脆、碎地層或軟、酥、脆地層。復(fù)雜地層巖芯鉆探取芯難度較大,如果沒(méi)有采取有效的措施,鉆探取芯就可能達(dá)不到地質(zhì)要求而造成損失。運(yùn)用SDB系列金剛石鉆具(也稱雙級(jí)單動(dòng)金剛石鉆具)配套S系列植物膠鉆井液的鉆進(jìn)方法,復(fù)雜地層的巖芯采取率可達(dá)到95%～100%,而且大多數(shù)可取得原狀結(jié)構(gòu)柱狀巖芯,能直觀準(zhǔn)確反映地層的原位結(jié)構(gòu)和成份。本文結(jié)合實(shí)際工程,探討和總結(jié)該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

1 復(fù)雜地層中影響取芯質(zhì)量的因素

1.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素是地質(zhì)條件決定的取芯難易程度,復(fù)雜地層取芯大致可分為以下2大類:

1)取芯比較困難,或者相當(dāng)困難的復(fù)雜地層,如砂卵石覆蓋層、基巖的斷層帶、軟弱夾層、嚴(yán)重破碎的擠壓破碎帶、軟酥脆巖層以及自然狀態(tài)下完整,但一經(jīng)鉆進(jìn)就成為粗砂顆粒的巖層(如白云巖、硅質(zhì)巖等),這類地層必須經(jīng)過(guò)人們采用特殊的工藝技術(shù)措施和特殊的工具才能滿足取芯的質(zhì)量要求。

2)取芯非常困難,目前只能通過(guò)一定特殊的工具采取部分代表性樣品的地層,既不能保證巖芯采取率要求,更不能保證巖樣結(jié)構(gòu)的地層,如基巖中已經(jīng)壓破碎成均勻粗顆粒,又無(wú)粉狀物充填的硬碎地層;砂卵石地層中的架空層,近代沉積的淺表層、人工堆積層、無(wú)細(xì)顆粒充填的均勻礫石層,石英砂巖卵石層,以及抽水井、降水井周圍卵石層等。

1.2 技術(shù)因素

技術(shù)因素是指人們采用的取芯工具、材料和工藝技術(shù)措施對(duì)取芯質(zhì)量的影響。

1.2.1 沖洗液的影響

從傳統(tǒng)的要求來(lái)說(shuō),鉆探?jīng)_洗液的作用只是冷卻鉆頭、排除巖粉、保護(hù)孔壁(部分沖洗液)和潤(rùn)滑鉆具(潤(rùn)滑沖洗液)四大功能。

傳統(tǒng)的沖洗液如清水、加潤(rùn)滑劑的水溶液、泡沫液、泥漿及聚丙烯類無(wú)固相沖洗液,都對(duì)巖芯有沖刷、浸潤(rùn)和液化作用,巖芯中松軟破碎的細(xì)顆粒成份都會(huì)潰散而被沖掉,因此很難取得高質(zhì)量的巖芯?，F(xiàn)在植物膠類粘彈性鉆井液的研究和應(yīng)用,除了上述功能外,還具有保護(hù)巖芯(護(hù)膠作用),粘彈性減振作用和降摩阻效應(yīng)三大特殊功能,這三大特殊功能為上述第一類復(fù)雜地層提高取芯質(zhì)量創(chuàng)造了必需的先決條件。

1.2.2 取芯鉆具的影響

取芯鉆具的影響包括鉆具的種類、結(jié)構(gòu)和加工質(zhì)量。單管鉆具只在完整巖層和巖芯質(zhì)量無(wú)嚴(yán)格要求的地層中使用,孔底反循環(huán)鉆具因?yàn)閹r芯嚴(yán)重分選和混亂,現(xiàn)在也很少應(yīng)用。

鉆具的單動(dòng)性能是鉆具影響取芯質(zhì)量的主要因素,SDB系列鉆具目前是國(guó)內(nèi)外單動(dòng)性能比較好的單動(dòng)雙管鉆具。其基本要求是鉆進(jìn)速度快、不易堵巖芯、不磨損巖芯,不因切削具的振動(dòng)而破碎巖芯。不難理解:選擇的鉆頭進(jìn)尺快,巖芯在鉆頭處停留的時(shí)間短,被沖洗液沖刷的時(shí)間短;鉆頭設(shè)計(jì)的保徑效果好,內(nèi)徑磨損小,不呈喇叭口,則不易堵巖芯,避免巖芯自磨;硬質(zhì)合金雙管鉆頭和復(fù)合片鉆頭不設(shè)計(jì)內(nèi)出刃,在軟巖中鉆進(jìn)不會(huì)因?yàn)殂@具的晃動(dòng)使巖芯直徑變小。

1.2.3 操作技術(shù)的影響

操作技術(shù)包括鉆進(jìn)參數(shù)和施工工藝。就巖芯鉆探來(lái)說(shuō),鉆進(jìn)參數(shù)是指鉆進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速和泵量。泵量是影響取芯質(zhì)量最關(guān)鍵的鉆進(jìn)參數(shù)。不論哪一種沖洗液,泵量越大,沖刷巖芯越嚴(yán)重,對(duì)軟弱、破碎的巖芯十分不利,因此應(yīng)根據(jù)巖石的性質(zhì)選擇沖洗液的種類,保證冷卻鉆頭和排除巖粉的條件下,應(yīng)盡量采用最小的泵量。泵壓在正常條件下不作為鉆進(jìn)參數(shù)的要求,但是泵壓在不正常時(shí),會(huì)影響取芯質(zhì)量,應(yīng)引起操作者注意,查明原因,采取措施排除。

1.3 人為因素

人為因素對(duì)取芯質(zhì)量的影響是人們對(duì)取芯質(zhì)量的要求和付出的努力程度。由于工程勘探的目的不同,對(duì)取芯質(zhì)量的要求不一樣,對(duì)于取芯質(zhì)量要求不高的鉆孔,自然毋須花大的代價(jià)去追求高的取芯質(zhì)量。但對(duì)于取芯質(zhì)量要求高的工程和鉆孔,特別是取芯難度大的鉆孔,不花代價(jià)是較難達(dá)到目的的。

2 S系列植物膠鉆井液的功能

S系列植物膠鉆井液,是粘彈性鉆井液,不僅具有其他鉆探?jīng)_洗液的基本性能,而且具有與其他沖洗液不同的特殊功能;在鉆孔中,尤其是復(fù)雜地層護(hù)壁效果較好;使用中因?yàn)榕渲频谋碛^粘度比較高,即使采用較小的泵量,排粉的能力也很強(qiáng),可以排除3 mm以上的砂礫;它本身具有一定的潤(rùn)滑性,可降低水的潤(rùn)滑系數(shù)1/4,起到潤(rùn)滑鉆具的作用。在采用必須的泵量保證冷卻鉆頭的條件下,它們能夠充分地起到普通鉆探?jīng)_洗液四大功能的作用。值得深入探索和充分利用的是S系列植物膠配置的鉆井液的特殊功能,這些特殊功能起到了普通鉆探?jīng)_洗液不能起到的作用,因而解決了巖芯鉆探中一些較難解決的難題。

S系列植物膠配置的粘彈性鉆井液表現(xiàn)突出的特殊功能有3項(xiàng):①護(hù)膠作用(也叫護(hù)心作用);②粘彈性減振作用;③減摩阻效應(yīng)。

2.1 護(hù)膠作用

S系列植物膠是天然多糖類支鏈型高分子材料,用水溶脹后形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在巖芯表面吸附形成膠膜,防止水份滲入和穿透,避免液化和崩塌,因此也避免巖芯被沖刷,起到隔水作用。濃度越高,網(wǎng)狀膠膜越厚而密實(shí),因而護(hù)心、護(hù)壁的效果好,同時(shí)這種粘彈性膠體在砂樣和軟弱巖芯表面及一定深度的表層具有膠結(jié)作用和粘彈性強(qiáng)度,抵抗鉆具的振動(dòng)破壞和地表其他外力的破壞,保持原狀結(jié)構(gòu),而泥漿產(chǎn)生的泥皮是粘塑性體,膠體很少,大多是固體顆粒,護(hù)壁原理不一樣,效果也就不一樣,因而不能護(hù)芯。如在湖南省張花高速公路青坪大橋補(bǔ)勘中,同一鉆探點(diǎn)、同樣的巖層,分別運(yùn)用普通鉆井液與植物膠鉆井液(配合SDB系列金剛石鉆具)取得的巖芯如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巖芯示意圖

2.2 粘彈性減振作用

粘彈性是指流體既有粘性又有彈性,是高分子類流體的一種特性。鉆桿在粘彈性沖洗液的鉆桿中高速旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)速越高,橫向振動(dòng)力越大,但鉆桿某一點(diǎn)橫向作用于沖洗液某一點(diǎn)的時(shí)間就越短,沖洗液對(duì)鉆桿的徑向反作用力就越大,這個(gè)力阻止鉆桿彎曲變形,就像鉆桿在同口徑的直孔中選裝一樣,這樣就增大了鉆桿彎曲的半波長(zhǎng)度,減小了振動(dòng),也減輕了鉆桿對(duì)孔壁的敲擊作用,這就是粘彈性鉆井液能減振的原因。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明,S系列植物膠鉆井液粘度越高,鉆桿轉(zhuǎn)速越高,減振的效果越明顯,振動(dòng)越小,越平穩(wěn)。在同等條件下,它比其他沖洗液鉆進(jìn),轉(zhuǎn)速可高開1～2檔。在數(shù)十米砂卵石層鉆孔中,Φ94口徑可開800～1 000 r/min轉(zhuǎn)速。金剛石鉆進(jìn)需要高轉(zhuǎn)速,才可能高效率,進(jìn)尺快,減少巖芯在鉆頭處被沖刷的時(shí)間,有利于提高取芯質(zhì)量。,松軟地層和軟弱巖層鉆進(jìn)進(jìn)尺很慢時(shí),取芯效果就不好。同時(shí),鉆具旋轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動(dòng)小,也減少了鉆具對(duì)巖芯的機(jī)械破壞作用。有利于提高取芯質(zhì)量。

2.3 減摩阻效應(yīng)

潤(rùn)滑沖洗液是為了降低鉆井液的摩擦系數(shù),減少在循環(huán)通道中的摩擦阻力,而達(dá)到降低泵壓,減小鉆具振動(dòng)的目的。S系列植物膠鉆井液具有較好的減摩阻效應(yīng),不是因?yàn)楸旧砟Σ料禂?shù)大小的原因,而是一種層間滑動(dòng),它的摩擦系數(shù)為0.26,水中加入皂化油的摩擦系數(shù)是0.12,但是S系列植物膠鉆井液比皂化液、清水、低固相泥漿(含PHP)的降摩阻效果都好。

在松散破碎底層鉆進(jìn)中,S系列植物膠粘彈性鉆井液的減摩阻效應(yīng)有如下好處:

1)泵壓低,不會(huì)在鉆頭附近和內(nèi)管形成高壓區(qū),可以避免巖芯被破壞。

2)沖洗液與巖芯之間的摩擦力小,減小巖芯被沖刷摩擦破壞的可能性;內(nèi)管內(nèi)壁與巖芯的摩擦力也小,巖芯不容易被粗糙的內(nèi)管摩擦而損壞。

3)金剛石鉆頭和鉆具的磨損降低,提高鉆頭和鉆具的使用壽命。

4)水泵壓力小,動(dòng)力消耗少,水泵故障減少。

以上S系列植物膠粘彈性鉆井液在很大程度上解決了復(fù)雜地層提高取芯質(zhì)量、金剛石鉆進(jìn)開高轉(zhuǎn)速和降泵壓的難題。

3 SDB系列金剛石鉆具的介紹

3.1 概述

SDB系列鉆具是深厚砂卵石覆蓋層和基巖金剛石鉆進(jìn)專用系列鉆具。是配有普通內(nèi)管和半合式內(nèi)管互換的兩級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙層巖芯管鉆具,包括SDB110、SDB94、SDB77三級(jí)口徑。它適用于未膠結(jié)的砂卵石覆蓋層及所有基巖地層金剛石巖芯鉆探,配合S系列植物膠鉆井液巖芯采取率高,可隨鉆取原狀巖樣。

3.2 特點(diǎn)

本系列鉆具的結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)向除砂打撈機(jī)構(gòu)、單向閥機(jī)構(gòu)、雙級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)、內(nèi)管機(jī)構(gòu)和外管機(jī)構(gòu)五大部分。下面分述SDB系列金剛石鉆具各部件的特點(diǎn)。

1)雙級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)。為提高鉆具的單動(dòng)性能,保障單動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性,SDB系列鉆具設(shè)計(jì)了兩級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)起單動(dòng)作用。

2)內(nèi)壁磨光的內(nèi)管和半合管。SDB系列鉆具的內(nèi)管有2種:一種是內(nèi)壁磨光的普通內(nèi)管;另一種是內(nèi)壁磨光的半合管。可以根據(jù)需要互換。半合管是在鉆進(jìn)松散、破碎地層時(shí)為了取原結(jié)構(gòu)巖芯樣時(shí)才使用。

3)單向閥。單向閥使沖洗液在正循環(huán)鉆進(jìn)時(shí)暢通,而在下鉆過(guò)程中封閉,防止鉆具在接近孔底時(shí),孔內(nèi)高粘度的沖洗液懸浮的砂子進(jìn)入鉆桿和內(nèi)外管之間,堵塞過(guò)水通道。單向閥的上閥座上面有打撈頭,用于打撈鉆具。

4)縮短了巖芯管,增設(shè)了沉砂管和隔砂管。為了保證鉆具有良好的單動(dòng)性,縮短了內(nèi)外管長(zhǎng)度。但鉆進(jìn)基巖時(shí),可根據(jù)用戶需要同時(shí)增加內(nèi)外管長(zhǎng)度。在沉砂管內(nèi)設(shè)有隔砂管,進(jìn)入沉砂管內(nèi)的鉆井液,由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心分離作用,巖屑分離下沉,避免進(jìn)入單向閥和內(nèi)外管之間,起到了除砂作用。

智庫(kù)圖書館的建設(shè)已經(jīng)是未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)，我們必須著力推進(jìn)，切實(shí)有效制定一套智庫(kù)建設(shè)的發(fā)展策略，最大限度實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化與整合，打造具有高校特色的新型智庫(kù)，并將智庫(kù)理念融入信息服務(wù)中，促進(jìn)高校圖書館信息服務(wù)的穩(wěn)步發(fā)展。

4 SDB系列金剛石鉆探工藝操作技術(shù)要點(diǎn)

4.1 鉆進(jìn)參數(shù)及操作注意事項(xiàng)

1)S系列植物膠鉆井液和SDB鉆具鉆進(jìn)砂卵石地層和基巖破碎地層時(shí),要注意按照鉆進(jìn)參數(shù)(表1)一高兩小的三要素操作,即“高轉(zhuǎn)速,小泵量,小壓力”才能得到最好的鉆進(jìn)和取芯效果。

表1 砂卵石地層和破碎地層金剛石鉆進(jìn)參數(shù)

2)鉆具在孔內(nèi)正常進(jìn)尺時(shí),不要提動(dòng)鉆具,也不要隨意改變鉆進(jìn)參數(shù),否則易產(chǎn)生巖芯堵塞。

3)出現(xiàn)巖芯堵塞后,若提動(dòng)鉆具幾次無(wú)效,應(yīng)及時(shí)提鉆,避免磨掉巖芯。

4)裸孔鉆進(jìn)中,如出現(xiàn)坍塌掉塊,處理的措施有繼續(xù)打入套管,下入小一級(jí)套管,水泥固壁等,不要強(qiáng)行鉆進(jìn),防止埋鉆。

5)孔較深時(shí),起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液,以保持壓力平衡,防止鉆孔坍塌掉塊。

6)泥土層和純砂層鉆進(jìn),回次末要停泵干鉆幾公分再起鉆,使巖芯自然堵塞,以防巖芯脫落。

4.2 基巖鉆進(jìn)操作技術(shù)要點(diǎn)

1)基巖鉆進(jìn)中,遇到破碎地層,鉆進(jìn)參數(shù)與砂卵石層樣,要一高兩小,尤其要注意控制泵量,才能取好破碎地層巖芯,在張花路青坪橋ZK8—1效果如圖2所示。

2)基巖鉆進(jìn),根據(jù)孔深,應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)內(nèi)外管長(zhǎng)度,內(nèi)管長(zhǎng)度2.5～3 m為宜。

圖2 張花路青坪橋ZK 8—1效果示意圖

4)復(fù)雜地層起下鉆時(shí)速度要慢,起鉆時(shí)注意向孔內(nèi)回灌漿液。

5)破碎性較大的巖層鉆進(jìn)時(shí),巖芯易破碎,取芯困難,采取的措施有:

①選擇振動(dòng)較小進(jìn)尺又快的金剛石電鍍鉆頭。

②減短鉆具內(nèi)外管長(zhǎng)度,保證單動(dòng)性能良好。

③提高沖洗液的粘度,S系列植物膠,可提高2～3min以上的粘度。

④鉆機(jī)轉(zhuǎn)速以中等轉(zhuǎn)速為宜,減小振動(dòng)。

⑤泵量要小,以能冷卻鉆頭為宜。

⑥鉆具口徑在可能的條件下選擇較大一些為好,一般宜用Φ108或Φ91。

⑦軟塑性地層,孕鑲金剛石鉆頭進(jìn)尺慢,取芯不好,則可選用硬質(zhì)合金雙管鉆頭或復(fù)合片鉆頭,進(jìn)尺快,則取芯好。

5 SDB系列金剛石鉆探分析總結(jié)

5.1 優(yōu)勢(shì)

工程地質(zhì)勘察中,在復(fù)雜地層取芯困難,運(yùn)用SDB系列金剛石鉆具結(jié)合S系列植物膠鉆井液進(jìn)行鉆探取芯,能提供直觀有效的地質(zhì)資料(圖3),其重要作用表現(xiàn)為:

1)對(duì)破碎巖石鉆探能大幅度提高巖芯采取率。

2)對(duì)巖石原狀結(jié)構(gòu)破壞很小,能提高技術(shù)員對(duì)巖石的分析和判斷。

3)查清滑坡和查找滑動(dòng)面比較準(zhǔn)確。

5.2 不足之處

5.2.1 無(wú)法滿足極個(gè)別特殊地層取芯要求

在堵漏技術(shù)和材料方面還沒(méi)有突破性的進(jìn)展,尤其是長(zhǎng)孔段縱向裂隙沿孔漏失加上坍塌,還束手無(wú)策。即使在鉆進(jìn)、護(hù)壁、取芯3個(gè)方面,也還有不能滿足要求的特殊情況,如堅(jiān)硬打滑地層鉆進(jìn),強(qiáng)水敏性地層的護(hù)壁,第三類復(fù)雜地層的取芯,都存在有難度,一點(diǎn)巖芯都取不上來(lái)也是有可能的,有待于勘探工作者不斷探索和研究。

圖3 青坪橋ZK 8—1對(duì)比效果圖

5.2.2 運(yùn)行成本高

1)植物膠比較貴,每1 t需要5 000多元,而普通泥粉每1 t只需400多元,折算到進(jìn)尺上比較,用植物膠比用泥粉每1 m增加成本30元左右。

2)鉆探施工每班需要作業(yè)人員比普通鉆探施工多2人。

3)鉆進(jìn)輔助工作時(shí)間太長(zhǎng),比普通鉆探施工每1 d少鉆進(jìn)4m左右,使得生產(chǎn)進(jìn)度較慢。

綜上3點(diǎn),使用此項(xiàng)鉆探工藝比普通鉆探施工的生產(chǎn)成本高出1倍,對(duì)此,提出下列2點(diǎn)建議:

1)遇復(fù)雜地層確實(shí)需要解決少量控制性鉆孔取芯難題時(shí)才應(yīng)用此鉆探工藝。

2)施工作業(yè)時(shí),需2套SDB鉆具同時(shí)配合使用,以減少輔助工作時(shí)間,提高鉆進(jìn)效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

在全國(guó)工程地質(zhì)勘察行業(yè),還有許多單位不了解SDB系列金剛石鉆具結(jié)合S系列植物膠鉆井液進(jìn)行鉆探取芯工藝的優(yōu)越性,或者沒(méi)有真正掌握它的要領(lǐng)。此項(xiàng)特殊鉆探工藝取芯率高,并能取得原狀結(jié)構(gòu)柱狀巖芯,很好地解決了復(fù)雜地層中鉆探取芯困難的問(wèn)題,在實(shí)際工作中可加以推廣應(yīng)用。

[1]李月良,李映華.提高巖心鉆探取芯質(zhì)量的研究和技術(shù)[Z].2007.

[2]李月良,李映華.復(fù)雜地層金剛石鉆進(jìn)提高取心質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)[Z].2008.