永凍地層鉆探施工方法論述

摘要：作為永凍地層勘探的重要技術(shù)措施，良好的鉆探施工方法對于提升永凍地層的鉆探水平具有重要作用。本文首先介紹了永凍地層鉆進過程中面臨的主要困難，然后具體探討了永凍地層鉆探施工方法，以期為相關(guān)技術(shù)及研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：永凍地層；鉆探施工；方法

常年存在的永凍曾，在實際地層鉆探過程中容易受到鉆桿高速轉(zhuǎn)動熱量過高及沖洗液沖刷等因素的干擾，化冰時很容易導(dǎo)致地層融蝕，嚴重時則可能崩塌，造成成孔苦難、鉆進困難；另外由于外界環(huán)境溫度過低導(dǎo)致高分子難以溶解，沖洗液流變性較低，很難有效發(fā)揮性能。這些都在一定程度上影響著永凍地層的整體鉆進施工。因此，加強有關(guān)永凍地層鉆探施工方法的研究，對于改善永凍地層的勘探效益及質(zhì)量具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

一、永凍地層鉆進過程中面臨的主要困難

（1）在永凍層和部分蝕變過度的孔段施工時，不僅巖心采取難度較高，且容易坍塌憋泵造成鉆進中止，由此常常造成鉆孔越打越淺的問題。

（2）凍土層孔段施工過程中，由于鉆桿的高速回轉(zhuǎn)形成的熱量及沖洗液的大范圍浸泡會造成凍土逐漸融化崩塌，鉆孔局部很容易全面崩潰，開孔難度較大的同時會大幅度增加各類事故發(fā)生的概率。

（3）凍土地區(qū)植被脆弱，原有的常規(guī)的技術(shù)設(shè)備在使用時會因修路及機臺地盤等占用過多的土地面積，其對草地等生態(tài)植被的破壞程度較為嚴重，且由于占地而引發(fā)的毀草賠償問題很難達成協(xié)議，容易增大鉆探費用。

（4）由于溫度變化過快/溫差過大等因素的影響，勘探地區(qū)沖洗液的配制難度較大，泥漿結(jié)冰后其流變性變?nèi)?，很容易減緩施工進度。

二、永凍地層鉆探施工方法

1、選用恰當(dāng)?shù)牡貙鱼@探施工方法

依據(jù)相關(guān)工程實踐數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在鉆孔上部復(fù)雜地層鉆進過程中跟管鉆進法是當(dāng)前效率最高的一種方法，其依次下入護壁套管，對鉆孔上部的復(fù)雜地層具有良好的支撐隔離作用。該種方法的主要技術(shù)措施為：

（1）使用改進后的f110mm硬質(zhì)合金筋骨鉆頭或f130mm的普通硬質(zhì)合金鉆頭實施鉆進；

（2）待孔洞深度達到1.5m深時，將開孔鉆具拔出，放入長度為1m、f146mm護壁套管，在其首節(jié)下部安裝有f 150mm普通硬質(zhì)合金鉆頭；[1]

（3）將開孔鉆具再次放入，以原有孔洞深度為起點再次鉆進，直至到2.5m深位置處，隨后將鉆具拔出，在原有護壁套管基礎(chǔ)上再次接入f146mm的護壁套管。

（4）按照上述跟管鉆進方式交替施工，鉆進過程中護壁套管附帶的鉆頭與鉆進鉆頭之間的距離應(yīng)保持在1.5m左右，先進行1m左右的鉆進，再接著跟進接入護壁套管，直到將第一級護壁套管通過回轉(zhuǎn)加壓方式固定在底部永凍層中比較穩(wěn)定的部位為止。首級護壁套管通常會下入到5～6m的位置其對融凍層具有良好的保護支撐作用。

（5）待第一級f146mm護壁套管完全滲入孔內(nèi)后，改用f91mm專用肋骨式硬質(zhì)合金探頭實施鉆探，并同時搭配采用低溫聚合物沖洗液，在全部穿過永凍層中基巖上部容易出現(xiàn)裂隙及破碎問題的地層直到達到穩(wěn)定層后，將f108mm的護壁套管下入到洞內(nèi)。鉆探時若出現(xiàn)漏失、坍塌等事故問題而造成鉆探中止時，也可選用跟管鉆進法進行施工。作為第二級護壁套管，f108mm護壁套管在完全放入后可用于支撐保護基巖上部容易裂隙及破碎問題的地層。

（6）在中深孔鉆進過程中可選用S75繩索取心鉆孔，以有效改善鉆探效率。二級護壁套管完全放入后，完成磨孔后再使用f76mm的金剛頭鉆頭鉆探到終孔。

2、做好沖洗液選用及配制

當(dāng)前在永凍層鉆進施工過程中，可選用的沖洗液或采取的技術(shù)方法通常為：使用各類有機抗凍劑，其施工費用相對較高，效果不顯著；在對沖洗液實施預(yù)先加熱后再將其送入孔內(nèi)，其僅在鉆探過程中具有較高的適應(yīng)性，且容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故；使用多種濃度和類型配制的無機鹽類沖洗液，具有明顯的效果；采用傳統(tǒng)的清水或細分散型泥漿，其事故發(fā)生率較高，且施工效率較差；將煤油或柴油注入到孔內(nèi)，可在短時間內(nèi)發(fā)揮作用，但容易產(chǎn)生油垢粘附在鉆桿柱上，進而導(dǎo)致沖洗液循環(huán)不流暢而引發(fā)燒鉆事故。 [2]

（1）抗低溫沖洗液

低溫條件下在永凍地層勘探過程中，應(yīng)不斷改善沖洗液的防凍及護壁性能。作為一種泥漿添加劑，高分子聚合物通常具備較高的護壁性能，然而由于其鏈接較長、分子量較大，在日常溫度條件下溶解度較低，當(dāng)受到低溫環(huán)境條件影響時，其溶解度會降至更低，沖洗液結(jié)凍后流變性能更差，這在很大程度上影響了沖洗液的使用及配制。在永凍層沖洗液多次試驗中發(fā)現(xiàn)，采用3%的膨潤土、2.5%的TM植物膠及乙二醇等可配制出膠體率在98%以上的、泥皮厚度在1mm以下的低溫低固相泥漿沖洗液，實踐中證明其可有效改善孔壁支護條件，巖心采取率可提升至85%以上。

（2）沖洗液配制

在泥漿配制過程中應(yīng)在摻加完其他添加劑后再加入乙二醇，在加入食鹽后在添加純堿，以提升低溫條件下泥漿的流變性。此兩種添加劑均應(yīng)在試驗標準條件下進行使用。

因部分地區(qū)加熱條件不足，可在其他區(qū)域加熱條件下先將高分子聚合物配置為固定濃度的預(yù)制液，使用桶裝運輸至機臺位置以方便備用。

因低溫條件干擾，泥漿攪拌時間應(yīng)比常溫條件下長2～3倍。[3]

3、鉆具選用及操作

（1）一般條件下，施工鉆進的鉆壓通?？刂圃?～4kN，由此避免巖心發(fā)生糊鉆或阻塞；鉆速應(yīng)避免過快，以保護地層礦心。

（2）在實踐中發(fā)現(xiàn)，采用金剛石鉆探時，應(yīng)在原有鉆頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改造，增大水口數(shù)量，改善水口排列，鉆頭側(cè)面改用肋條式，以降低鉆頭阻力系數(shù)，適應(yīng)鉆頭冷卻條件；在選用硬質(zhì)合金鉆探時，應(yīng)選用外出刃較大的鉆頭或肋骨式鉆頭。

（3）由于“干鉆”法施工時機械鉆速過快，容易破壞巖心原始結(jié)構(gòu)，且容易出現(xiàn)糊鉆、燒鉆等事故，因此在選用沖洗介質(zhì)及鉆探方法時，應(yīng)避免采用該法。

結(jié)束語：

鉆探方法的應(yīng)用質(zhì)量將直接關(guān)系著永凍地層的勘探水平及工程整體效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強有關(guān)永凍地層鉆探方法的研究，總結(jié)鉆探方法選擇要點及關(guān)鍵技術(shù)措施，以逐步改善永凍地層鉆探水平。

參考文獻：

[1] 丁付利.凍土地層低溫鉆井液體系研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.2014，06（10）：61-62

[2] 盧采田，李建平.永凍層繩索取心鉆探?jīng)_洗液技術(shù)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）. 2012，05（35）：57-58

[3] 陳鑫發(fā)，陳瑩，余立明，羅園.淺析豫西地區(qū)復(fù)雜地層快速鉆探設(shè)備及機具選用[J].地質(zhì)裝備.2012，13（14）：74-75.

作者簡介：伍陳東 （1985-），男，重慶，學(xué)歷：本科，研究方向：鉆探工程endprint