厚壁套管與植物膠用于深厚砂卵礫石層鉆進(jìn)的應(yīng)用研究

李建軍，陳保國

(中國水電顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，北京100024)

1 概述

巴底水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，裝機(jī)容量700 MW，年發(fā)電量28.86億kW·h;水庫總庫容1.699億m3，正常蓄水位2075 m，攔河壩壩高98 m，為二等大(2)型工程。

工程區(qū)河床覆蓋層大約在60～140 m左右。由含泥砂礫石、塊碎石和三層細(xì)粉砂層相間構(gòu)成，孤石較多，區(qū)內(nèi)遇到最大孤石直徑達(dá)8 m左右，同時(shí)存在局部架空現(xiàn)象。工程區(qū)地層無膠結(jié)、透水性強(qiáng)、極易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、孔壁不穩(wěn)定、漏漿嚴(yán)重，且局部區(qū)域存在涌水現(xiàn)象，易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故，屬于典型的復(fù)雜地層，鉆進(jìn)難度較大。經(jīng)過不斷分析、摸索后，形成了一套行之有效的深厚砂卵礫石層鉆進(jìn)工藝，順利完成了規(guī)定的鉆探任務(wù)，積累了在深厚砂卵石地層鉆進(jìn)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 鉆進(jìn)工藝

2.1 鉆進(jìn)設(shè)備及機(jī)具

本次鉆進(jìn)工作使用的鉆探設(shè)備及機(jī)具為:XY－2型鉆機(jī)，BW－150型泥漿泵，SDB雙管金剛石鉆具，8 m四腳鉆塔，厚壁地質(zhì)管材。

2.2 沖洗液選擇與配制

本次鉆探過程中使用的沖洗液按照植物膠低固相沖洗液的配比進(jìn)行配制，具備攜帶巖粉清洗孔底、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具、保護(hù)巖心、潤(rùn)滑鉆具、減少振動(dòng)以及優(yōu)越的減阻效應(yīng)等特點(diǎn)，可滿足深孔鉆進(jìn)的要求。植物膠低固相沖洗液的配制是在生產(chǎn)廠家的建議配比的基礎(chǔ)上，將SH植物膠粉和鈉土的比例做了小幅調(diào)整配制而成的［1，2］。

2.2.1 配方

SH∶鈉土∶水=3∶6∶100(質(zhì)量比)。燒堿∶SH=8∶100(干粉質(zhì)量比)。

2.2.2 配制

先在攪拌槽中加入一半的水，開動(dòng)攪拌機(jī)后加入SH植物膠干粉，攪拌均勻至沒有結(jié)塊現(xiàn)象，然后加滿水繼續(xù)攪拌，同時(shí)加入燒堿，攪拌5 min后，加入粘土粉繼續(xù)攪拌，直至全部分散。

2.3 鉆頭選擇

植物膠低固相沖洗液的優(yōu)越潤(rùn)滑性可極大地降低鉆頭磨損，但由于砂卵礫石層自身的不穩(wěn)定性(表現(xiàn)為卵石之間極易錯(cuò)動(dòng))，導(dǎo)致金剛石鉆頭在孔底的工作條件仍然較差［3］。綜合考慮地層特點(diǎn)和沖洗液性能等多方面因素，最終選擇熱壓孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC45～50，底唇厚度15 mm。

2.4 鉆進(jìn)實(shí)例

2.4.1 鉆進(jìn)過程

以ZKz40鉆孔為例(覆蓋層深度122 m)。

在鉆進(jìn)過程中，若遇到孤石，可以計(jì)算其確切位置進(jìn)行孔內(nèi)爆破處理。該孔在放炮跟管工藝操作下，168 mm套管跟進(jìn)深度約36 m，考慮起拔安全，及時(shí)進(jìn)行了變徑。變徑后采用110 mm SDB植物膠鉆具進(jìn)行取心、139 mm套管進(jìn)行護(hù)壁的鉆進(jìn)工藝。139 mm套管跟進(jìn)深度達(dá)到106 m。套管最大下入深度見表1。

表1 套管下入最大深度

鉆進(jìn)程序:植物膠鉆具取心→孔內(nèi)爆破(偶爾進(jìn)行)→跟進(jìn)套管→植物膠鉆具取心。此過程循環(huán)進(jìn)行直至鉆穿覆蓋層或者達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.4.2 鉆進(jìn)參數(shù)及注意事項(xiàng)

在植物膠鉆進(jìn)中，鉆進(jìn)參數(shù)具有高轉(zhuǎn)速、小泵量、低鉆速的特點(diǎn)(具體參數(shù)見表2)。

(1)在配制植物膠低固相沖洗液時(shí)，必須保證鈉土和植物膠干粉全部分散，無結(jié)塊現(xiàn)象，以免堵塞水龍頭或者SDB鉆具。

表2 SDB鉆具鉆進(jìn)參數(shù)

(2)為了保證沖洗液里的固相含量在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)，要在循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)挖建沉淀池，或者在漿液中加入高水解度的聚丙烯酰胺水溶液，可以加速巖粉的沉淀，以維護(hù)沖洗液的各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定［4］。

(3)隨著沖洗液的不斷循環(huán)，粘彈性物質(zhì)含量逐漸降低，其粘度就會(huì)隨之降低，應(yīng)定期補(bǔ)充新沖洗液，維持沖洗液的粘彈性等各項(xiàng)指標(biāo)［5］。

(4)在采用SDB鉆具鉆進(jìn)時(shí)，回次進(jìn)尺根據(jù)具體鉆進(jìn)情況而定，為保證取心質(zhì)量，一般應(yīng)控制在1～1.5 m范圍內(nèi)。

(5)對(duì)于孔內(nèi)漏漿嚴(yán)重的地層，要通過投粘土球的方式即時(shí)堵漏，效果不明顯時(shí)，可以縮短回次進(jìn)尺，不斷跟進(jìn)套管，縮短裸孔段。

2.5 取心質(zhì)量

深厚砂卵礫石層鉆進(jìn)不僅要求得到準(zhǔn)確的覆蓋層的厚度，而且對(duì)砂卵礫石層的原狀巖心要求也較高，在采用植物膠低固相沖洗液后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)不斷調(diào)整配比，在取心質(zhì)量和巖心采取率方面都取得了非常好的效果，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到地質(zhì)任務(wù)書的要求。具體取心情況見圖1、圖2所示。

2.6 孔內(nèi)事故預(yù)防及處理

在深厚覆蓋層鉆進(jìn)過程中，頻繁發(fā)生埋鉆事故和套管斷裂脫落事故。預(yù)防及處理方法如下。

2.6.1 埋鉆事故

2.6.1.1 預(yù)防

(1)根據(jù)孔壁穩(wěn)定性及是否返漿決定超前鉆進(jìn)長(zhǎng)度。漏漿嚴(yán)重時(shí)，盡量保證鉆具不要完全伸出套管管靴。注意觀測(cè)孔口返漿量，如果孔內(nèi)漏失比較明顯時(shí)，必須進(jìn)行堵漏，嚴(yán)防沖洗液由于沖洗液失去護(hù)壁效果而發(fā)生孔壁坍塌［7］。

圖1 ZKz40砂層原狀巖心

圖2 ZKz40砂卵石原狀巖心

(2)起下鉆具時(shí)要保持勻速慢速，防止對(duì)孔內(nèi)沖洗液形成回抽吸力或者激蕩壓力，影響孔壁穩(wěn)定或?qū)е驴妆谔?/p>

(3)植物膠低固相沖洗液的護(hù)壁效果雖佳，但是還是要求根據(jù)具體鉆進(jìn)情況，適時(shí)下入各級(jí)套管進(jìn)行護(hù)壁，不可強(qiáng)行裸孔鉆進(jìn)，以免發(fā)生孔壁坍塌、埋鉆等孔內(nèi)事故。

2.6.1.2 處理

(1)在加大沖洗液流量的情況下，提動(dòng)鉆具，若發(fā)現(xiàn)此法不能奏效，說明埋鉆事故較嚴(yán)重，只好采用針對(duì)性的措施進(jìn)行處理。

(2)利用更大口徑的鉆具進(jìn)行套撈。

(3)利用反絲鉆桿帶著反絲錐對(duì)被埋鉆桿進(jìn)行打撈，最后利用小一徑的單管鉆具進(jìn)行“掏心”將被埋鉆具內(nèi)管打撈上來，然后進(jìn)行變徑鉆進(jìn)［8，9］。

(4)以上幾種嘗試都無法處理事故時(shí)，只能采用導(dǎo)偏進(jìn)行鉆進(jìn)。在事故段上方一定距離采用灌漿封孔，待凝固后進(jìn)行導(dǎo)偏鉆進(jìn)。

2.6.2 套管斷裂事故的預(yù)防及處理

2.6.2.1 預(yù)防

(1)在套管選用方面，最好使用公母連接的反扣厚壁套管?？梢杂行Х乐固坠艿拿摽?。

(2)如果使用的套管是管箍連接的正絲套管，在下入套管時(shí)，要將套管纏麻等防止脫扣。

(3)每次下管前，要檢查套管是否有損壞，絲扣損壞或者變形的套管嚴(yán)禁下入孔內(nèi)。

(4)及時(shí)進(jìn)行糾偏，防止鉆孔傾斜。

2.6.2.2 處理

(1)利用相對(duì)應(yīng)的公錐進(jìn)行錐取。對(duì)于薄壁套管，由于其抗扭強(qiáng)度較低，在套取時(shí)不可采用鉆機(jī)立軸強(qiáng)行扭轉(zhuǎn)，應(yīng)利用管鉗通過人力進(jìn)行上扣擰緊以達(dá)到鎖緊套管的目的，然后通過吊錘錘擊力起拔套管。

(2)利用比斷裂套管小一徑的蓋頭或蓋頭接一節(jié)薄壁套管，然后加卡料的方式對(duì)套管尤其厚壁大口徑套管打撈，效果明顯。在蓋頭下方連接薄壁套管，不僅增加了卡死的區(qū)間，而且由于薄壁套管容易被卡料擠壓變形，便于卡死，在通過吊錘往上錘擊的過程中不易脫落［10］。

(3)也可利用專門定做的楔形打撈器進(jìn)行套管打撈，由于打撈器兩頭本身帶有斜度，很容易卡死卡料。

3 成效與問題

3.1 取得的成效

(1)采用植物膠低固相沖洗液可以大幅度提高鉆進(jìn)效率，降低鉆探成本。使臺(tái)班進(jìn)尺比清水鉆進(jìn)提高一倍。

(2)采用植物膠沖洗液，可以提高砂卵石的取心率和取心質(zhì)量，取到了膠結(jié)較好的、能夠清晰的反映砂卵礫石層沉積的原狀巖心。

3.2 存在問題

(1)在涌水地層，仍然存在植物膠沖洗液失效的問題，在維護(hù)其穩(wěn)定方面尚沒有行之有效的方法。

［1］付兵，邱太寶.深厚砂卵礫石層金剛石鉆探施工技術(shù)和工藝［J］.四川水力發(fā)電，2007，(1).

［2］張志平.SM植物膠在水電工程中的實(shí)踐總結(jié).四川水力發(fā)電，2003，(2).

［3］侯滿柱.堅(jiān)硬地層金剛石鉆進(jìn)參數(shù)的選擇［J］.山西建筑，2005，31(6):71 －71.

［4］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(巖土鉆掘工程)，2008，35(3):13－15，17.

［5］馮建明.田灣河大發(fā)電站閘址深厚覆蓋層勘探的實(shí)踐［J］.四川水力發(fā)電，2001，20(3):77 －78.

［6］黃小軍.跟管鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)在水電勘探中的研究與應(yīng)用［J］.巖土工程技術(shù)，2011，25(2):59 －63.

［7］王福.淺析復(fù)雜地層孔內(nèi)事故的預(yù)防［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2007，(3).

［8］劉志剛.淺談地質(zhì)鉆探中孔內(nèi)事故發(fā)生及防范措施［J］.科園月刊，2008，(8).

［9］馬舉，陳衛(wèi)杰，劉惠民.埋鉆事故的預(yù)防和處理措施［J］.黑龍江水利科技，2003，(2).

［10］李世忠.鉆探工藝學(xué)(中冊(cè)).北京:地質(zhì)出版社，1988.