在復(fù)雜巖層提高巖心采取率的經(jīng)驗(yàn)探討

李亞煒

摘要：介紹了在南水北調(diào)洺河渡槽地質(zhì)鉆探施工中，針對(duì)全、強(qiáng)風(fēng)化砂巖層巖心采取率過低的問題所采用的綜合技術(shù)措施，有效地解決了巖心采取率過低的問題，施工中積累的經(jīng)驗(yàn)可為類似工程提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：洺河渡槽；植物膠；底噴鉆頭；采取率

1.地層巖性

洺河渡槽地處太行山與河北平原過渡地帶的低山丘陵區(qū)。建筑區(qū)上部覆蓋有第四系壤土、砂壤土、砂土、卵石，下伏二疊系石盒子組泥巖、砂巖。壤土：棕色，稍濕，可塑～硬塑。卵石：紫紅色、灰白色，主要成分為長(zhǎng)石石英砂巖，次圓狀，最大直徑約300mm，含量50～80%，充填泥質(zhì)或中粗砂。泥巖：多呈紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，全風(fēng)化～微風(fēng)化。砂巖：多呈紫色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，局部節(jié)理裂隙發(fā)育，全風(fēng)化～弱風(fēng)化。

2.施工中存在的主要難題

在鉆探中發(fā)現(xiàn)的主要問題是全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化砂巖層巖心采取率低，尤其在靠近河道右岸，砂巖層軟、硬相互交替，巖心采取率僅30%～50%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)所提出的巖心采取率不低于85%的技術(shù)要求。

3.造成采取率過低的技術(shù)分析

3.1巖層特點(diǎn)分析

砂巖為粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，力學(xué)強(qiáng)度極低，屬極軟類巖石，且膠結(jié)成度不一，軟硬層相互交替。鉆進(jìn)時(shí)進(jìn)入到內(nèi)管的巖心容易被震碎，提鉆時(shí)內(nèi)管及卡簧夾持不住巖心，造成巖心采取率不足。

3.2鉆進(jìn)工藝的影響

鉆具的選擇也對(duì)采取率有很大的影響。單層管鉆具的缺點(diǎn)是沖洗液沖刷整個(gè)巖心，在軟弱破碎巖層中使用時(shí)勢(shì)必造成對(duì)巖心的嚴(yán)重漏失。雙動(dòng)雙管鉆具減少了沖洗液對(duì)巖心的沖刷，沖刷只發(fā)生在內(nèi)管底部和鉆頭一帶，可提高巖心采取率，但由于內(nèi)管轉(zhuǎn)動(dòng)，巖心與內(nèi)管之間有摩擦扭力作用，巖心易受擾動(dòng)，影響巖心采取率。單動(dòng)雙管鉆具和繩索取芯鉆具則同時(shí)解決了沖刷和巖心隨內(nèi)管轉(zhuǎn)動(dòng)磨損兩方面的問題。沖洗液從外管和內(nèi)管之間的空隙流入到鉆頭部位，不會(huì)對(duì)進(jìn)入巖心管的巖心造成沖刷。由于內(nèi)管不隨鉆進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而進(jìn)入內(nèi)管的巖心也減少了擾動(dòng)，有利于保持巖心的原狀性，提高巖芯采取率。

3.3循環(huán)液的影響

采用繩索取心鉆具或單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)時(shí)，巖心進(jìn)入內(nèi)管后雖然沖洗液不會(huì)再直接沖刷巖心，但在鉆頭部位赳取巖心時(shí)對(duì)松散的砂巖沖刷也會(huì)造成巖心采取率降低。

3.4鉆進(jìn)參數(shù)的影響

沖洗液用量、泵壓、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、鉆壓等鉆進(jìn)參數(shù)的選擇也會(huì)對(duì)巖心采取率造成一定的影響。

4.提高采取率所采用的技術(shù)措施

4.1鉆具的選擇

采用單動(dòng)雙管鉆具鉆進(jìn)，以減少巖心進(jìn)入內(nèi)管后的擾動(dòng)和破壞。由于巖心強(qiáng)度低易折斷破碎，為了提高巖心的完整性，施工中采用φ110mm大直徑單動(dòng)雙管鉆具代替初期采用的φ75mm單動(dòng)雙管鉆具，巖心直徑增大后，抗折性提高，巖心采取率和完整性明顯提高。

4.2循環(huán)液的選擇

利用SM植物膠漿液替代清水作為循環(huán)液，有效降低了清水對(duì)砂巖的沖刷。植物膠漿液能在巖樣表面形成堅(jiān)韌的膠膜，可膠結(jié)包裹軟弱的巖心，使破碎、軟弱的巖心保持原狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用植物膠的潤滑作用又能減少鉆具震動(dòng)，有利提高巖心采取率。施工中采用了純SM植物膠漿液和SM植物膠與膨潤土混合漿液兩種循環(huán)液，取心效果都比較好。具體配比如下：

（1）SM植物膠漿液

SM膠干粉（質(zhì)量）：水（質(zhì)量）=1：50

純堿加量為SM膠干粉質(zhì)量的5%。

（2）SM植物膠和膨潤土混合漿液

SM膠干粉：膨潤土：水=1：100：250

4.3鉆頭的選擇

為防止鉆頭在赳取巖石時(shí)對(duì)未膠結(jié)和膠結(jié)差的砂巖的破壞，減少?zèng)_洗液在鉆頭部位對(duì)軟弱巖層的沖刷，選用了階梯形底噴硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，取得了很好的效果。鉆頭的特點(diǎn)是端部半徑小，內(nèi)保徑部分短，鉆頭底部切有“泄水孔”使大部分沖洗液直達(dá)鉆頭底部，在鉆進(jìn)時(shí)既可達(dá)到冷卻、潤滑鉆頭作用，又能減少磨碎巖心和沖洗液沖壞巖心的危險(xiǎn)。

4.4鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

（1）鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

采用較低的轉(zhuǎn)速，減少對(duì)巖心的擾動(dòng)。一般選用轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)速400～600r/min。

（2）鉆壓

由于巖石強(qiáng)度低、膠結(jié)情況差，鉆壓不宜過高，采用3～7MPa。

（3）沖洗液量

在達(dá)到排粉、冷卻鉆頭、潤滑鉆具的前提下，盡可能采用小泵量，減少?zèng)_洗液對(duì)松散巖層的擾動(dòng)，一般采用40～60L/min。

（4）回次進(jìn)尺

根據(jù)巖石破碎、風(fēng)化情況合理控制回次進(jìn)尺，一般回次進(jìn)尺0.5～1.0m左右。

5.取心效果對(duì)比

通過所采取的綜合技術(shù)措施，在南水北調(diào)洺河渡槽鉆探中巖心采取率取得了極大提高，對(duì)比指標(biāo)見下表1。

6.結(jié)語

在復(fù)雜地層鉆探施工中影響巖心采取率高低的因素是多方面的，需要根據(jù)不同的工程地質(zhì)情況具體分析，找出影響的原因以便采取正確的解決辦法。在南水北調(diào)洺河渡槽地質(zhì)鉆探施工中采用單動(dòng)雙管鉆具配合植物膠循環(huán)護(hù)壁取心等綜合施工工藝極大提高巖心采取率，有效地解決了砂巖強(qiáng)度低、破碎、膠結(jié)程度差、軟弱互層等因素造成巖心采取率過低的技術(shù)難題，同時(shí)也為在其它復(fù)雜地層提高取心率提供了一些思路。