繩索取心鉆進(jìn)工藝在水利水電工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究

張正雄

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司勘察分院，云南昆明650041)

目前，我院水利水電工程地質(zhì)鉆探主要采用小口徑金剛石雙管鉆進(jìn)取心技術(shù)，由于采用提鉆取心鉆進(jìn)工藝，大量作業(yè)時(shí)間耗費(fèi)在輔助作業(yè)上，使得純鉆進(jìn)時(shí)間相對減少，鉆進(jìn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、鉆探成本高，尤其在破碎、復(fù)雜地層鉆進(jìn)方面存在鉆進(jìn)難、護(hù)壁難和取心難的問題，往往在時(shí)間緊、任務(wù)重的情況下感到力不從心，不能滿足競爭日益激烈的市場需求。

在國內(nèi)，繩索取心技術(shù)早已是成熟的鉆進(jìn)工藝，尤其在礦產(chǎn)勘探方面占據(jù)了主導(dǎo)地位，具有大量的借鑒和參考實(shí)例。但我院在水利水電鉆探方面的應(yīng)用還較少，因此，對繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用研究意義重大。

1 繩索取心鉆進(jìn)工藝簡述

1．1 主要特點(diǎn)

繩索取心鉆進(jìn)工藝是一種鉆進(jìn)效率高、巖心采取率高、取心質(zhì)量好的鉆探工藝技術(shù)方法，其操作特點(diǎn)是取心時(shí)不需要提出鉆孔內(nèi)的全部鉆桿柱，而用專用的打撈工具，通過孔內(nèi)鉆桿將裝有巖心的內(nèi)管提至地面獲得巖心，只有當(dāng)鉆頭被磨損需要檢查或更換時(shí)，才提升全部鉆桿柱，從而減少了提下鉆次數(shù)和升降鉆具的輔助時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。同時(shí)，即堵即起的巖心采取方法，對提高巖心采取率和質(zhì)量也起到了重要的作用。

與普通鉆進(jìn)工藝相比，繩索取心鉆進(jìn)工藝還具有可控制鉆孔偏斜度、降低工程成本、減少孔內(nèi)事故等優(yōu)點(diǎn)。

1．2 應(yīng)用范圍

繩索取心鉆進(jìn)工藝可在淺孔(100～300 m)和深孔中采用，對深孔鉆進(jìn)的優(yōu)越性更加突出。一般情況下，對于鉆進(jìn)6～10級中硬、硬巖巖層效果較好，不宜鉆進(jìn)11～12級巖石，尤其是巖石的組織致密、顆粒細(xì)小無研磨性的極堅(jiān)硬巖石，如石英閃長巖、石英砂礫巖、石英磁鐵礦等，或研磨性很強(qiáng)的硬、脆、碎巖石。

是否采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，應(yīng)該結(jié)合地層條件、鉆孔深度、鉆頭壽命以及繩索取心鉆具配套設(shè)施等綜合權(quán)衡并合理選用。

2 繩索取心鉆進(jìn)工藝的應(yīng)用研究

2．1 試驗(yàn)性應(yīng)用

由于我院鉆探生產(chǎn)以小口徑金剛石鉆進(jìn)工藝為主，對繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)尚未實(shí)踐應(yīng)用過，因此，為了能更好地投入到生產(chǎn)，先開展繩索取心技術(shù)的試驗(yàn)性研究工作。

本次試驗(yàn)選用XY－2型液壓立軸式鉆機(jī)、BW－250型臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵，循環(huán)液采用SM植物膠沖洗液，鉆桿、鉆頭、鉆具及附屬設(shè)備選用中地裝備無錫鉆探工具廠的S型標(biāo)準(zhǔn)系列。其中，S95、S75繩索取心鉆具各3套，鉆桿各200 m，繩索取心鉆頭各10個(gè)，打撈器和木馬夾持器各2套，其它附屬材料若干。

本次試驗(yàn)孔深100 m，首次對繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)進(jìn)行了深層次的分析研究和探索應(yīng)用，緊緊圍繞孔內(nèi)潤滑、護(hù)壁、取心及鉆進(jìn)質(zhì)量、效率等技術(shù)難題，重點(diǎn)探索研究了繩索取心鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及與之配套的循環(huán)液，初期成果明顯，為實(shí)踐性生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2．2 實(shí)踐性應(yīng)用

在試驗(yàn)性應(yīng)用取得成果的基礎(chǔ)上，在滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK2108孔進(jìn)行了實(shí)踐性應(yīng)用，對繩索取心鉆進(jìn)工藝作進(jìn)一步研究。

2．2．1 項(xiàng)目概況

滇中引水工程規(guī)劃區(qū)含迪慶、麗江、大理、楚雄、昆明、曲靖、玉溪、紅河等8個(gè)州(市)所轄的52個(gè)縣，國土面積約9.49萬km2(占全省總面積的1/4)，根據(jù)《滇中引水工程規(guī)劃報(bào)告》、《滇中引水工程項(xiàng)目建議書研究報(bào)告》，滇中引水工程一次建成，工程總干渠奔子欄—蒙自全長848.2 km，多年平均引水量34.17億m3，渠首設(shè)計(jì)流量145 m3/s。萬家—新莊段處于云南高原中部之滇東高原盆地區(qū)，沿線經(jīng)過楚雄紅巖高原亞區(qū)和昆明巖溶高原湖盆亞區(qū)兩個(gè)地貌單元，區(qū)內(nèi)山脈和主干河流受構(gòu)造控制明顯，線路通過地區(qū)地層發(fā)育齊全，沉積類型復(fù)雜、多樣，從元古界到第四系均有出露?？尚行匝芯侩A段計(jì)劃(含預(yù)留)鉆探工作總量38250 m，要求全孔巖心采取率≮95%，壓水試驗(yàn)執(zhí)行《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 31—2003)。由于部分地層以破碎玄武巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等巖溶地層為主，巖層破碎程度高、孔壁穩(wěn)定性差、孔內(nèi)事故率高、鉆進(jìn)難度大、鉆進(jìn)效率低。

ZK2108孔設(shè)計(jì)孔深220 m，位于昆明市盤龍區(qū)兩面寺附近的昆明—呈貢隧洞出口處，覆蓋層主要為碎塊石和粘土，基巖主要是灰質(zhì)白云巖、石英砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間多充填泥質(zhì)、巖屑等物質(zhì)，面起伏粗糙，以緩傾節(jié)理為主，受構(gòu)造影響，巖體較為破碎、松散，鉆進(jìn)難度較大。

2．2．2 鉆進(jìn)器具及附屬設(shè)備的配置

由于處于實(shí)踐性應(yīng)用階段，并受到目前人員、設(shè)備、材料等資源的限制，ZK2108孔的鉆進(jìn)主要用試驗(yàn)性階段的設(shè)備和器具材料。

2．2．3 鉆進(jìn)參數(shù)

繩索取心鉆進(jìn)效率取決于鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的選擇，必須根據(jù)地層條件和繩索取心鉆具特點(diǎn)，合理選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量。

2．2．3．1 鉆壓

鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆壓高于所鉆巖石的壓力硬度時(shí)，巖石就由表面破碎轉(zhuǎn)為體積破碎，但當(dāng)壓力接近或超過金剛石本身抗壓強(qiáng)度時(shí)，金剛石開始破損，同時(shí)，隨著鉆壓的增加，金剛石的磨損量也增加。由于繩索取心鉆頭胎體壁要比標(biāo)準(zhǔn)鉆頭厚2 mm，因此繩索取心鉆進(jìn)環(huán)狀克取面積比常規(guī)取心鉆進(jìn)增大了10%以上，鉆進(jìn)時(shí)所用鉆壓亦相應(yīng)增大10%左右。實(shí)際選擇鉆壓應(yīng)按具體巖層條件、鉆頭類型、鉆頭實(shí)際尺寸等，通過實(shí)踐合理確定。

2．2．3．2 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響繩索取心金剛石鉆進(jìn)速度的重要因素，轉(zhuǎn)速過快或過慢，對繩索取心鉆進(jìn)都不利。通常情況下，孕鑲金剛石鉆頭的圓周線速度在1.5～3 m/s范圍內(nèi)較合適，表鑲金剛石鉆頭則在1～2 m/s較為合適。

2．2．3．3 沖洗液量

沖洗液除冷卻鉆頭和懸排巖粉外，還有調(diào)節(jié)金剛石鉆頭胎體正常磨損的作用。由于繩索取心鉆桿與孔壁間隙很小，沖洗液上升速度得到了提高，因此，流量比普通雙管略低。通常情況下，保持環(huán)狀間隙上返流速在0.45～1.5 m/s范圍內(nèi)，鉆頭唇面單位面積(cm2)沖洗液量在3～5 L/min(中硬—硬巖)或2.4～4 L/min(硬—堅(jiān)硬巖)較為合適，宜根據(jù)具體施工條件合理確定。

2．2．4 沖洗液

沖洗液的選用種類很多，一般可選用聚丙烯酰胺、不分散低固相沖洗液、低粘增效粉(LBM)泥漿、天然植物膠溶液、生物聚合物溶液等。繩索取心鉆進(jìn)應(yīng)根據(jù)地層特點(diǎn)、鉆孔設(shè)計(jì)深度來合理選擇沖洗液，沖洗液應(yīng)有良好的流動(dòng)性，對孔壁的側(cè)壓力小，防塌排粉效果好，能迅速堵塞巖石的自然空隙。

該孔鉆進(jìn)選用聚丙烯酰胺低固相沖洗液，按照膨潤土的加量為3% ～5%，純堿的加量為0.2% ～0.3%，聚丙烯酰胺的加量為0.1%來配制，將水解的聚丙烯酰胺和純堿溶液加入到泥漿中，混合攪拌均勻后即可使用。

2．2．5 取心操作技術(shù)

當(dāng)鉆進(jìn)到巖心快裝滿內(nèi)管或發(fā)生巖心堵塞時(shí)，立即停泵起鉆。內(nèi)管撈出孔口后，卸開撈鉤，檢查巖心采取情況，若有巖心，則擰開內(nèi)管任意一端后，輕輕敲擊內(nèi)管倒出巖心;若發(fā)現(xiàn)內(nèi)管中無巖心或巖心欠缺時(shí)，應(yīng)當(dāng)判斷原因，采取相應(yīng)措施及時(shí)處理。任何情況下，回次進(jìn)尺長度不應(yīng)超過巖心管有效容納長度。

2．2．6 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的探索與應(yīng)用

2．2．6．1 套管護(hù)壁

鉆孔必須下孔口管保護(hù)孔口、防止偏斜，必要時(shí)，還應(yīng)下表層套管，以防止表層漏失和坍塌。下好表層套管是保證繩索取心正常鉆進(jìn)的基礎(chǔ)，一般情況下，應(yīng)根據(jù)所采用繩索取心鉆具規(guī)格和孔徑要求來選擇套管直徑，套管直徑應(yīng)與鉆具口徑相匹配，直徑過大會(huì)造成鉆具工作不穩(wěn)定，容易折斷鉆桿，不利于提高鉆具回轉(zhuǎn)速度;直徑過小，容易造成起下鉆困難，不利于懸排巖粉。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)所遇地層巖性完整程度來確定所下套管的深度，套管應(yīng)下入完整基巖，并應(yīng)盡量一次下入到需要的最大深度，以減少換徑次數(shù)，簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。

該孔根據(jù)地層情況下入了孔口管和表層套管，并在鉆進(jìn)至171 m遇到破碎層出現(xiàn)坍塌、掉塊時(shí)，采取將表層套管撥出，擴(kuò)孔到完整基巖下部3 m左右下套管的方法解決護(hù)壁問題。

2．2．6．2 巖心打撈

在巖心打撈過程中，往往會(huì)存在內(nèi)管卡死在外管總成內(nèi)打撈不成功，或打撈器打撈不住內(nèi)管總成，亦或是打撈途中遇阻提拉不上來等情況。對于這些情況的出現(xiàn)，應(yīng)認(rèn)真分析原因，采取鉆進(jìn)前認(rèn)真檢查、鉆進(jìn)中起大鉆檢查、設(shè)置循環(huán)液沉淀池等有效措施進(jìn)行防范和處理。

該孔鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)了打撈途中遇阻提拉不上來的情況，取出鉆具后檢查分析發(fā)現(xiàn)，阻礙內(nèi)管起下的原因是鉆桿內(nèi)有泥皮，通過調(diào)整泥漿性能，采用循環(huán)沉淀系統(tǒng)，增設(shè)除砂和除泥裝置后，該問題得以順利解決。

2．2．6．3 孔內(nèi)事故預(yù)防

由于繩索鉆桿與孔壁間隙小、摩擦大，鉆桿接頭容易磨損變薄，容易發(fā)生鉆桿折斷事故，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的沖洗液進(jìn)行潤滑，并選用材質(zhì)良好的鉆桿及鉆具，在起下大鉆時(shí)多檢查鉆桿接頭處，以免發(fā)生事故。

在地質(zhì)條件復(fù)雜或地質(zhì)情況不明的情況下，也可以考慮終孔孔徑比所要求的孔徑增大一級，以預(yù)防可能出現(xiàn)的意外情況，或者在不改變終孔孔徑的情況下，在開孔時(shí)預(yù)留一級口徑，以備在遇到意外情況時(shí)采取相應(yīng)的處理措施。

2．2．6．4 與普通鉆進(jìn)工藝的結(jié)合使用

對于破碎復(fù)雜地層，一般較為松散，孔壁易垮塌、掉塊，需要下套管隔離或采用水泥封孔，亦或是選用合適泥漿進(jìn)行護(hù)壁。由于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)本身的缺陷，采用繩索取心鉆進(jìn)反而局限性較大，會(huì)出現(xiàn)無法鉆進(jìn)的情況，這種地層往往需要采用與常規(guī)鉆進(jìn)工藝相結(jié)合使用。

該孔的鉆進(jìn)過程中，先采用普通鉆進(jìn)工藝鉆穿覆蓋層進(jìn)入完整基巖，下入套管護(hù)壁，然后采用95 mm口徑的繩索取心鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)。由于缺乏對地層的全面認(rèn)識(shí)和了解，在鉆穿完整基巖遇到破碎、復(fù)雜的地層后，繩索取心鉆進(jìn)工藝無法實(shí)施正常鉆進(jìn)。起大鉆后采用110 mm口徑的普通鉆進(jìn)工藝擴(kuò)孔穿過破碎層并下入套管護(hù)壁后，繼續(xù)采用繩索取心工藝鉆進(jìn)。

2．2．7 應(yīng)用效果對比分析

ZK2108孔與相距1.1 km的ZK2109孔地層情況相似，ZK2109孔采用普通鉆進(jìn)工藝。2個(gè)孔采用不同鉆進(jìn)工藝的效果對比分析詳見表1。

表1 ZK2108孔與ZK2109孔鉆進(jìn)效果對比分析

由表1可知，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)，可大大節(jié)省起下鉆時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高鉆進(jìn)效率和巖心質(zhì)量，降低勘探成本。

2．2．7．1 鉆進(jìn)效率大幅提高

通過表1的對比分析情況，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝的鉆進(jìn)效率比普通鉆進(jìn)工藝提高了107.56%。在實(shí)踐應(yīng)用過程中，更是以單班最快進(jìn)尺達(dá)到17 m的效率，刷新了類似地層采用普通鉆進(jìn)工藝的記錄，鉆進(jìn)效率得到大幅度提高。

2．2．7．2 巖心質(zhì)量明顯改善

采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，巖心堵塞立即撈取巖心，避免重復(fù)破碎，提高了巖心采取率和巖心品質(zhì)，巖心采取率比普通鉆進(jìn)工藝提高6.5%，尤其局部松散或軟弱夾層的采取率可達(dá)100%，這是普通鉆進(jìn)工藝難以達(dá)到的(見圖1)。

圖1 繩索取心鉆進(jìn)采取的巖心質(zhì)量

2．2．7．3 勞動(dòng)強(qiáng)度和勘探成本有效降低

繩索取心鉆進(jìn)工藝采用繩索絞車帶動(dòng)打撈器打撈內(nèi)管總成采取巖心，避免了普通鉆進(jìn)工藝起下大鉆采取巖心的高強(qiáng)度運(yùn)作方式，起下大鉆的次數(shù)減少了93.75%，勞動(dòng)強(qiáng)度得到大幅降低。

由于鉆進(jìn)效率的提高和投入資源的減少，勘探成本也明顯降低。根據(jù)表1的對比分析結(jié)果，結(jié)合目前鉆進(jìn)類似地層的臺(tái)班鉆進(jìn)直接成本情況(含材料費(fèi)、人工費(fèi)、燃油費(fèi)約1000元)，則繩索取心鉆進(jìn)工藝的單位成本為202.43元/m，普通鉆進(jìn)工藝的單位成本為 416.67元/m，單位成本降低了51.42%。

2．2．7．4 護(hù)壁和懸排巖粉效果明顯

由于繩索取心鉆進(jìn)工藝的鉆桿起到套管護(hù)壁的作用，加上應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的聚丙烯酰胺低固相泥漿循環(huán)液，具有良好的潤滑、冷卻和懸排巖粉的能力，減小了鉆進(jìn)負(fù)荷，降低了事故發(fā)生率，護(hù)壁和懸排巖粉效果明顯(見圖2)。

圖2 聚丙烯酰胺低固相循環(huán)液懸排巖粉效果

3 技術(shù)總結(jié)及推廣應(yīng)用

3．1 技術(shù)總結(jié)

(1)采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，大大節(jié)省了起下鉆的時(shí)間，也減少了起下鉆掃孔等輔助時(shí)間，還可以減小孔壁擾動(dòng)和掉塊，從而提高了鉆進(jìn)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和勘探成本，鉆進(jìn)安全系數(shù)更高。

(2)由于繩索取心鉆進(jìn)工藝巖心即堵即起，減小了巖心對磨或擾動(dòng)，避免了重復(fù)破碎，對提高巖心質(zhì)量有著重要的作用。

(3)在鉆進(jìn)過程中，要根據(jù)巖層性質(zhì)，盡量采用小口徑鉆進(jìn)，并合理選擇鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，合理控制鉆進(jìn)時(shí)效，遇到巖心堵塞時(shí)及時(shí)提鉆取心，不能盲目靠加大鉆壓來追求進(jìn)尺速度。

(4)繩索取心鉆進(jìn)外環(huán)間隙小、循環(huán)壓力高，容易造成循環(huán)漏失、壓塌孔壁，而頻繁提鉆產(chǎn)生的抽吸對地層的穩(wěn)定性也造成一定程度的破壞，對非完整性地層需要使用優(yōu)質(zhì)的泥漿鉆進(jìn)。尤其在鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)，應(yīng)放慢起下鉆速度，提升鉆具及打撈內(nèi)管總成時(shí)，均須向孔內(nèi)回灌一定量的沖洗液。

(5)繩索取心鉆進(jìn)工藝的初次實(shí)踐應(yīng)用效果較好，為我院在水利水電工程地質(zhì)勘探中推廣該項(xiàng)工藝積累了經(jīng)驗(yàn)。

3．2 推廣及應(yīng)用

鑒于繩索取心在ZK2108孔應(yīng)用取得的初期成果，結(jié)合本期實(shí)踐應(yīng)用中積累的經(jīng)驗(yàn)，新購買了JS系列鉆桿JS95A、JS75C各700 m，Q系列HQ、NQ繩索鉆具各4套，并成功應(yīng)用于廣東某地質(zhì)勘察項(xiàng)目650 m的深孔和滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK1094(480 m)、ZK1095(550 m)的深孔鉆進(jìn)，標(biāo)志著我院繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電工程鉆探中的應(yīng)用取得了重大突破，并初步具備了推廣使用該項(xiàng)技術(shù)的條件。

4 結(jié)語

由于繩索取心鉆進(jìn)工藝有著常規(guī)鉆進(jìn)工藝無可替代的優(yōu)勢，是一項(xiàng)先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)，但在水利水電地質(zhì)勘探中的應(yīng)用還較少，因此，在水利水電工程地質(zhì)勘探中推廣應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)前景廣闊。但根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果，完整地層鉆進(jìn)優(yōu)勢較為明顯，破碎、復(fù)雜地層鉆進(jìn)局限性較大，在繩索取心技術(shù)的下步應(yīng)用中，將持續(xù)加大對復(fù)雜地層鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的探索和應(yīng)用研究，以期達(dá)到在水利水電工程地質(zhì)勘探中全面普及和推廣應(yīng)用繩索取心鉆進(jìn)工藝的效果。

［1］ 武孟元，王險(xiǎn)峰．繩索取芯鉆探施工技術(shù)［J］．水科學(xué)與工程技術(shù)，2006，(3):5 －6．

［2］ 張春波．繩索取心鉆探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］．探礦工程，1999，(S1):137 －139．

［3］ 王守奎，張曉峰，王金志，等．繩索取心技術(shù)在鉆探施工中的應(yīng)用［J］．吉林地質(zhì)，2009，(4):112 －113．

［4］ 郭明，李守圣，易學(xué)文，等．繩索取心鉆進(jìn)在水利水電勘探中存在的問題及解決思路［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(3):24－27．

［5］ 四川省峨眉山四零三建設(shè)工程公司．金剛石繩索取心鉆進(jìn)操作規(guī)程［Z］．四川峨眉山:四川省峨眉山四零三建設(shè)工程公司，2005．

［6］ 王家強(qiáng)．吳家莊水庫繩索取心金剛石鉆探技術(shù)［J］．山西水利科技，2011，(4)．

［7］ 林華虎，甘杰，林大明．繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電超深孔鉆探中的應(yīng)用［J］．水利水電工程設(shè)計(jì)，2012，31(2)．

［8］ 常江華，凡東，劉慶修，等．水平孔繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在金礦坑道勘探中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(1):40－43．