SM植物膠和SD系列金剛石鉆進(jìn)工藝在卵石層的應(yīng)用

董艷平

(武漢地質(zhì)工程勘察院，湖北武漢 430051)

0 引言

四川省綿陽(yáng)—遂寧高速公路綿陽(yáng)段是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中成渝地區(qū)環(huán)線(xiàn)高速公路的重要組成部分，亦是成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要交通樞紐。項(xiàng)目的建成對(duì)完善國(guó)家和四川路網(wǎng)規(guī)劃，推進(jìn)四川省災(zāi)后重建及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。該項(xiàng)目起于綿陽(yáng)市張家坪，經(jīng)游仙、松埡、老馬、三臺(tái)，止于百頃，接擬建的綿遂高速公路遂寧段，全長(zhǎng)約78 km。

綿遂高速公路B10合同段位于四川省綿陽(yáng)市三臺(tái)縣境內(nèi)，線(xiàn)路多座大橋處于涪江一、二級(jí)階地上，第四系全新統(tǒng)沖積(Qal4)的卵石層厚度一般5～20 m，局部地段厚度＞30 m，呈松散—中密狀，卵石成分為石英巖、石英砂巖、灰?guī)r、硅質(zhì)巖等，充填物以砂、礫為主，地下水豐富，鉆進(jìn)困難，孔壁易坍塌，常發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁、合金鉆頭鉆進(jìn)方法，不但鉆進(jìn)速度慢，而且?guī)r芯采取率低，達(dá)不到地質(zhì)分層的要求，從而影響工程勘察質(zhì)量。

本次詳勘要求卵石層巖芯采取率應(yīng)≥60%，為了提高巖芯采取率，準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)分層，提高勘察報(bào)告的質(zhì)量，勘察中引用了SM植物膠和SD系列金剛石鉆具鉆探技術(shù)，取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)備的選擇

1．1 鉆探設(shè)備

根據(jù)地層情況及鉆孔深度要求選用的是GY-150型高速鉆機(jī)、BW-150型泥漿泵、SM-1型鉆井液攪拌機(jī)及相應(yīng)附屬設(shè)備。

1．2 鉆具、鉆頭

鉆頭:鉆頭的選擇和使用，不僅影響鉆進(jìn)效率，還影響取芯質(zhì)量和鉆探成本，根據(jù)本項(xiàng)目地層情況及前期鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，本次采用平底熱壓孕鑲金剛石鉆頭，其技術(shù)參數(shù)為:金剛石目數(shù)為60～80混合目，金剛石硬度100%，金剛石品級(jí)為SMD優(yōu)質(zhì)級(jí)，胎體硬度35～46HRC［1］。

2 SM植物膠的配制

2．1 配比

SM植物膠的用量一般為0．8% ～1．5%(與水的重量比)，膨潤(rùn)土的用量一般為3% ～5%(與水的重量比)，純堿(工業(yè)用堿)用量為膨潤(rùn)土粉和SM植物膠粉總重量的5% ～6%，另外，加入0．2%(與水的重量比)的羧甲基纖維素納鹽(CMC)，進(jìn)一步增加泥漿粘度降低失水量，提高防塌效果［2］。

2．2 配制流程

先將純堿(工業(yè)用堿)按比例投入到裝有清水的攪拌桶中進(jìn)行溶解，然后將SM植物膠粉和膨潤(rùn)土粉同時(shí)均勻的加入水中，邊攪拌邊撒入，應(yīng)注意不可快速倒入，防止結(jié)團(tuán)。在攪拌均勻后(20－30 min)，再加入羧甲基纖維素納鹽(CMC)，高速攪拌均勻后(15－20 min)，放入泥漿池中浸泡約8 h，待植物膠粉充分溶解，漿液稠化后即可使用［3］。

照片1 SD94鉆具Photo 1 SD94 drilling tool

圖1 SD94鉆具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram SD94 drilling tool

3 鉆探工藝

3．1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層情況，護(hù)壁措施及鉆孔結(jié)構(gòu)如下:

3．2 鉆進(jìn)參數(shù)及操作要領(lǐng)

根據(jù)在卵石層中施工鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，為確保安全順利鉆進(jìn)并保證取芯質(zhì)量，鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)遵循“低壓力、中轉(zhuǎn)速、小泵量”的原則，以達(dá)到平穩(wěn)的鉆進(jìn)速度。采用的技術(shù)參數(shù)為轉(zhuǎn)速300～600 r/min，鉆壓為4～7 kN，泵量為25～40 L/min;同時(shí)應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)情況，正確及時(shí)地調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速，適當(dāng)控制給進(jìn)速度，在卵石層中速度一般4～7 cm/min，不宜過(guò)快;下鉆后，應(yīng)用較大泵量沖孔，而后降低泵量鉆進(jìn)。此外還應(yīng)掌握好以下幾個(gè)操作環(huán)節(jié):

(1)控制起下鉆速度，操作卷?yè)P(yáng)要平穩(wěn)，盡量減小慣性作用，特別是在裸孔段更應(yīng)注意，以免鉆具抽吸而產(chǎn)生壓力脈沖，影響孔壁穩(wěn)定;

(2)回次進(jìn)尺控制在1．00～1．50 m，發(fā)現(xiàn)巖芯堵塞，應(yīng)立即提鉆;

(3)經(jīng)常檢查SD鉆具的單動(dòng)性能尤其是軸承的靈活性，及時(shí)拆洗加油，更換密封圈，要保證水眼暢通;合理調(diào)節(jié)內(nèi)、外管的間隙，在卵石層中，將卡簧座與鉆頭間隙調(diào)整在3～5 mm為宜;

(4)孔口管上設(shè)置三通與水泵回水管相連接，起鉆時(shí)繼續(xù)開(kāi)泵進(jìn)行回灌，以保持泥漿液面，維持孔壁穩(wěn)定;

(5)在鉆進(jìn)中，應(yīng)經(jīng)常清理堵塞在吸水頭上的泥漿團(tuán)塊，避免孔內(nèi)的泥漿濃度下降，而達(dá)不到最佳的護(hù)壁效果。

4 技術(shù)指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益

本次施工中，對(duì)百頃壩大橋(見(jiàn)照片2)初勘的CZK6、CZK9號(hào)孔(見(jiàn)照片3、照片4)和詳勘的SZK7、SZK11號(hào)孔(見(jiàn)照片5、照片6)做了對(duì)比試驗(yàn)。從對(duì)比試驗(yàn)效果看，使用SM植物膠、SD系列鉆具及金剛石鉆頭(SZK7、SZK11號(hào)孔)的鉆進(jìn)時(shí)間比使用清水或普通泥漿(CZK6、CZK9號(hào)孔)明顯縮短，而且使用SM植物膠、SD系列鉆具及金剛石鉆頭的2個(gè)鉆孔卵石層巖芯呈圓柱狀，巖芯采取率明顯提高(見(jiàn)表1)。

照片2 百頃壩大橋地形地貌Photo 2 Topography and geomorphology of Baiqingba bridge

照片3 CZK6號(hào)孔卵石層巖芯Photo 3 Cylindrical core of C2K 6 cobble layer

表1 鉆探成果對(duì)比表Table 1 Contrast table of drilling achievements

表2 鉆孔經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表Table 2 Contrast table of economic index of drill hole

照片4 CZK9號(hào)孔卵石層巖芯Photo.4 Cylindrical core of CZK9 cobble layer

照片5 SZK7號(hào)孔卵石層圓柱狀巖芯Photo.5 Cylindrical core of SZK7 cobble layer

照片6 SZK11號(hào)孔卵石層圓柱狀巖芯Photo.6 Cylindrical core of SZK11 cobble layer

現(xiàn)將初勘CZK9號(hào)孔和詳勘SZK11號(hào)孔鉆至同樣深度(30 m)的成本做了比較(未計(jì)算運(yùn)費(fèi)、管理、稅收等費(fèi)用)，具體對(duì)比見(jiàn)表2。

5 使用SM植物膠和SD系列鉆具的優(yōu)點(diǎn)

5．1 明顯提高鉆進(jìn)效率

SM植物膠具有粘度高、失水量小等特點(diǎn)，有良好的護(hù)壁防塌作用。護(hù)壁排粉效果較理想，且能保持孔內(nèi)清潔，減少了卡鉆、埋鉆事故。在松散的卵石層中無(wú)需反復(fù)撈取沉淀物，大大減少了鉆進(jìn)的輔助時(shí)間，顯著提高了鉆進(jìn)效率，一般可提高40%左右(見(jiàn)表1)。

5．2 取芯質(zhì)量好

SM植物膠具有良好的護(hù)壁作用，在芯樣表面形成了一層保護(hù)膜，輔以SD系列鉆具，由于該鉆具單動(dòng)性能好，同心度好，穩(wěn)定性強(qiáng)，使芯樣保持原狀結(jié)構(gòu)，大大提高了巖芯采取率，見(jiàn)表1。

5．3 降低了勞動(dòng)強(qiáng)度

使用常規(guī)的方法鉆進(jìn)松散地層，必須下多層護(hù)壁套管，起拔套管時(shí)，鉆機(jī)與材料消耗大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，且易發(fā)生套管折斷或脫節(jié)事故，造成人力、物力及時(shí)間的浪費(fèi)。采用SM植物膠和SD系列鉆具鉆進(jìn)，不需要完全跟管鉆進(jìn)，甚至可裸鉆，待鉆入完整基巖后再下套管，且容易起拔，這樣減少了起下套管時(shí)間，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5．4 節(jié)約成本

SM植物膠潤(rùn)滑性能好，使孔內(nèi)阻力減小，功率消耗降低，可減輕鉆機(jī)及鉆具的磨損，特別是鉆具的磨損，有利于延長(zhǎng)金剛石鉆頭的壽命。同時(shí)，也可節(jié)約膨潤(rùn)土粉及處理劑的用量。

6 結(jié)語(yǔ)

SM植物膠結(jié)合SD系列金剛石鉆具對(duì)松散卵石覆蓋層鉆進(jìn)是一種較好的方法。鉆進(jìn)效率一般可提高40%左右，覆蓋層巖芯采取率可達(dá)85%以上，可準(zhǔn)確地進(jìn)行地質(zhì)分層，提高勘察質(zhì)量，為設(shè)計(jì)提供可靠的地質(zhì)資料。

SM植物膠是鉆探工程中新興的一種高科技產(chǎn)品，是以一種分布較廣泛的野生植物為主要原料加工而成，無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)污染，容易加工，使用簡(jiǎn)單，被譽(yù)為21世紀(jì)“綠色鉆井助劑”，目前在湖北勘察市場(chǎng)中還很少被使用，值得推廣應(yīng)用。

［1］ 劉錚．地質(zhì)勘探技術(shù)手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)工程技術(shù)出版社，2006．

［2］ 王堅(jiān)．植物膠在松散破碎地層施工中的應(yīng)用［M］．北京:地質(zhì)出版社，2005．

［3］ 李月良．砂卵石層金剛石鉆進(jìn)［R］．成都:國(guó)電公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1999．