SM植物膠在多布水電站地質(zhì)鉆探中的應用研究

張述清，王佳佳，唐慧云

（西北水利水電工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

1 工程概況

1.1 工程概況

多布水電站工程位于西藏林芝地區(qū)尼洋河干流上，距拉薩約375 km，電站規(guī)劃以發(fā)電為主，初擬正常蓄水位為3076.00 m，正常蓄水位以下庫容為6316萬m3，壩高為45 m，裝機容量為150 MW。

1.2 研究目的及要求

1）為保證地層巖性的各種力學參數(shù)，深厚覆蓋層中的巖芯采取率達到90%以上。

2）鉆孔孔深要求打入基巖2m，終孔孔徑φ75mm。

3）必須滿足地質(zhì)任務書要求的工期內(nèi)完成。

4）進一步探索SM植物膠漿液的各種性能變化情況，收集各種數(shù)據(jù)，不斷更新鉆孔循環(huán)液，改進深厚覆蓋層鉆探工藝。

2 勘探過程中存在的問題

1）常規(guī)鉆探方法鉆進，清水作為沖洗液，巖芯采取率較低，平均巖芯采取率不到70%。

2）施工人員對植物膠工藝參數(shù)了解不足，造成了孔內(nèi)機械事故頻發(fā)，進而造成工程進度嚴重滯后。

3）鉆孔過程中的工藝參數(shù)選取不當，造成臺班鉆孔效率低。

3 SM植物膠應用研究

SM植物膠（含28.8%高聚多糖）是一種利用多年生草本植物的根加工而成，呈土黃色的固體料粉末，無毒、無氣味，在干燥的環(huán)境下可保持多年不變質(zhì)。SM植物膠水解后是含無機鹽和有機高分子的溶液，與泥漿相比，因其不含固相，比重低，適合較高的轉速，它的性能在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，因而與清水相比有較好的攜帶巖屑能力，同時可在孔壁上形成薄膜而起到護壁作用。

3.1 SM植物膠作用

1）提高了鉆進速度。SM植物膠因比重小，固相含量低且不分散，大大提高了鉆進速度。

2）SM植物膠的潤滑性能好。SM植物膠水解后形成混合型高分子表面活性劑，可吸附在金屬管子和巖石表面起潤滑作用，減小鉆桿柱與孔壁間的摩擦阻力。其次潤滑性能好，減少了鉆桿折斷和卡鉆事故，減輕了設備易損件的磨損，提高了使用壽命。

3）SM植物膠護壁性能好，并有防滲和堵漏效用。SM植物膠高分子化合物，在巖層表面因多點吸附可形成薄的吸附膜，能夠減輕漿液對地層的浸蝕作用，而且對于破碎地層，可阻止濾液滲入裂縫和多點吸附膜的保護而不易坍塌掉塊，具有良好的護壁效果。同時在裂隙上形成多點吸附膜，阻止水的滲透，增強了孔壁的堵漏效果。

4）SM植物膠造孔孔內(nèi)清潔，減少了卡埋鉆等孔內(nèi)事故。首先，SM植物膠由于其流變性能好，即動塑比和K，n值比較好，剪切稀釋性好，在環(huán)空中易調(diào)節(jié)到改型層流，因而其攜帶巖屑的能力較強，孔內(nèi)凈化效果好。其次，SM植物膠有較強的絮凝作用，漿液體系中的巖屑顆粒粗，返出地表后易用機械除砂裝置或者在重力作用下沉淀下來，除砂效果好。因此，SM植物膠使得孔內(nèi)清潔，減少了二次破碎，鉆具回轉平穩(wěn)和升降順暢，從而減少了卡埋鉆等孔內(nèi)事故。

3.2 設備情況

1）投入XY-2型鉆機2臺，口徑φ75 mm，鉆進能力為300 m，匹配BW-200/40泥漿泵2臺，SD雙管單動金鋼石鉆具，以及簡易凈化系統(tǒng)。凈化系統(tǒng)包括加漿兼除砂功能的回漿槽、沉淀池和攪拌機。

2）地勘鉆孔常規(guī)孔身結構開孔孔徑為φ146 mm，終孔孔徑φ75 mm及相應的鉆具、巖芯管等鉆材。

3）全孔取芯兼作各種水文地質(zhì)試驗的儀器設備。

3.3 SM植物膠配制與維護

3.3.1 SM植物膠的配制

1）SM植物膠低固相沖洗液的配方：膨潤土（土粉）的加量4%～8%；SM植物膠的加量為0.5%～1%；純堿加量為土粉和SM植物膠總重量的5%～6%；PHP干粉加量為 100～300 PPm。

2）SM植物膠低固相沖洗液的制備：將土粉和SM植物膠粉混合后同時加入純堿水溶液中攪拌或先將土粉在純堿中攪勻后，再加入SM植物膠攪拌20～30 min，然后浸泡待稠化后使用。亦可將分別泡好的2種漿液按比例混合并加水稀釋，攪拌均勻即可使用。

3.3.2 SM植物膠的維護

1）在攪拌沖洗液時，首先應加入約攪拌機容量1/3的水量，開動攪拌機，加入所需的完全溶解后的純堿水，再加入SM植物膠干粉或土粉和植物膠的混合物。否則，將影響植物膠粉的分散，易形成大小不一的團塊，從而降低漿液的性能，堵塞吸水頭，給鉆進工作制造障礙。

2）當發(fā)現(xiàn)漿液中含砂量較高、性能迅速降低時，應立即進行換漿。

3）為了凈化漿液，在泥漿循環(huán)系統(tǒng)中至少應有一個沉淀箱，且循環(huán)槽的長度按適當?shù)钠露仍O計，不得小于10 m，否則將影響漿液中巖屑的沉淀，降低漿液循環(huán)使用的時間。

4）在鉆進過程中，如發(fā)現(xiàn)漿液漏失，應立即進行堵漏。如漏失嚴重堵漏無效時，可下套管進行隔離，嚴禁頂漏鉆進，否則極易造成孔壁坍塌事故。

5）限制起下鉆的速度，減少孔內(nèi)泥漿的激蕩壓力對孔壁穩(wěn)定造成的影響，每次起下鉆時應向孔內(nèi)回灌泥漿以維持孔內(nèi)的壓力平衡，保持孔壁的穩(wěn)定。

3.4 SM膠鉆進參數(shù)研究

1）在鉆進規(guī)程參數(shù)選擇中，對于砂層應遵循低壓、中轉速、小泵量的原則，即鉆壓應控制在2～3 MPa范圍內(nèi)，轉速在600～700 r/min比較適合，而泵量則應盡可能的小，以減少泥漿對孔壁的沖刷力；而對于中硬較完整巖層則采用低壓、高轉速及大泵量的原則，保證比較快的鉆進速度。

2）在鉆進中，應經(jīng)常清理堵塞在吸水頭上的攪散的泥漿團塊，以免使吸入孔內(nèi)的泥漿濃度降低，達不到最佳的護壁效果。

3）經(jīng)常檢查單動雙管鉆具的單動性能，尤其是軸承的靈活性，應及時拆卸，清洗加油，更換密封圈，合理調(diào)節(jié)內(nèi)、外管間隙。在砂土層中，將卡簧座及鉆頭的間隙增大到8～10 mm，以防水路堵塞，在卵礫層中則控制在3～5 mm為宜。

4 效果分析

在西藏尼洋河多布水電站勘探中，深厚覆蓋層使用SM植物膠作為鉆進漿液，全部鉆孔達到了鉆探取芯、取樣等標準。在鉆進過程中取出的巖芯完整，大多能分辨出原地層的物質(zhì)組成和結構狀態(tài)，還在砂層中取出了未擾動的柱狀原樣。通過此次植物膠鉆探施工，最深鉆孔達到251.1 m，平均日鉆孔完成量為17.20 m，巖芯采取率達到93.7%。

1）SM植物膠無固相泥漿和SM植物膠低固相泥漿性能優(yōu)良，具有很強的護壁防塌能力，在砂卵石覆蓋層鉆進中與金剛石雙管鉆具相配合，大大地提高了覆蓋層中的鉆進效率，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

2）采用SM植物膠金剛石鉆進工藝鉆進覆蓋層，可降低鉆探成本，同時使巖芯采取也得到了保障，特別是取出了常規(guī)鉆進所無法取得的近似原狀的純砂樣。

5 結語

SM植物膠漿液在多布水電站深厚覆蓋層中的應用得到了良好的效果，極大地降低了造孔成本，保證工期及勘探質(zhì)量。但在使用過程中仍需解決好以下問題。

1）SM植物膠成本高，在水電地質(zhì)勘探中，期待著更為低廉的低固相沖洗液應用。

2）SM植物膠造孔遇地下水位稀釋及強漏失地層，仍需加強鉆探工藝研究。

3）深厚覆蓋層造孔過程中，套管用量較大，尤其受孔壁泥漿對套管起撥阻力較大，管材損失嚴重。

總之，SM植物膠漿液可用于不同結構的覆蓋層或破碎基巖護壁鉆進，能極大提高巖芯采取率和鉆孔質(zhì)量。今后將在類似工程中，以降低工程造價、新型低固相漿液方面加強研究。

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