珊瑚礁地層鉆探取心技術(shù)研究及應(yīng)用

班金彭，宋繼偉，黃明勇，彭 坤，代云鵬

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一五地質(zhì)大隊(duì)，貴州清鎮(zhèn)551400；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一一二地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000）

0 引言

我國南海分布有大量的珊瑚島礁，對島礁的開發(fā)利用，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和戰(zhàn)略意義［1-2］。珊瑚島礁具有獨(dú)特的地質(zhì)特征和巖土力學(xué)特性，目前，對珊瑚礁的了解卻非常有限，對珊瑚礁的面積缺少準(zhǔn)確的估計(jì)，對于大多數(shù)珊瑚島礁難以提供準(zhǔn)確的地形、地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和生態(tài)現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)信息，很難滿足有關(guān)工程建設(shè)的需求［3-5］。近年來，我國加大對島礁的科研力度，對島礁地層結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)特性、水文地質(zhì)特征等進(jìn)行深入的研究，通過鉆探手段，獲取珊瑚礁的巖心資料及相關(guān)參數(shù)，為島礁建設(shè)提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)［6-8］。

20 世紀(jì)70 年代以來，我國對西沙、南沙等部分島礁不斷進(jìn)行各種科學(xué)研究，其中通過鉆探技術(shù)手段獲取巖心進(jìn)行后續(xù)研究是最為直接的。由于珊瑚礁地層結(jié)構(gòu)的特殊性，通過對部分鉆孔資料研究［9-12］，存在巖心采取率較低的問題（見表1）。

表1 部分珊瑚礁鉆孔巖心采取率統(tǒng)計(jì)Table 1 Core recovery of some coral reef boreholes

由表1 可以看出，珊瑚礁鉆孔巖心采取率普遍偏低，除西科1 井外均達(dá)不到地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程要求。但是也為深入認(rèn)識珊瑚礁起到了開拓性作用，隨著科學(xué)研究和工程建設(shè)需求，對巖心采取率提出更高的要求，以期最大限度地反映地層特性［13］。

為滿足巖心采取率要求，我單位承擔(dān)鉆探施工的“南海某島礁地質(zhì)鉆探取心項(xiàng)目”針對不同巖層采用多種取心工藝相結(jié)合的鉆進(jìn)方法，大大提高了巖心采取率，達(dá)到地質(zhì)要求。形成了無水干鉆提鉆取心技術(shù)、半合管取心技術(shù)、鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、超前側(cè)噴鉆頭選用、小回次鉆進(jìn)等技術(shù)方法，可為類似區(qū)域的珊瑚礁取心鉆探提供借鑒。

1 取心技術(shù)研究

珊瑚島礁地層結(jié)構(gòu)變化多樣，由上至下分別出現(xiàn)人工吹填砂礫層、島礁自然沉降砂礫層、礁灰?guī)r、粉砂巖等巖層，其中礁灰?guī)r與粉質(zhì)砂巖頻繁互層。在取心技術(shù)上也需要采取相應(yīng)技術(shù)措施，才能達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的巖心采取率。

1.1 砂礫地層取心技術(shù)

1.1.1 地層分析

在鉆進(jìn)取心過程中，砂礫地層影響巖心采取率的一個關(guān)鍵因素是地層膠結(jié)強(qiáng)度，強(qiáng)度越高，巖心采取率越高，強(qiáng)度越低，巖心采取率越低。砂礫層主要以中粗砂為主，偶夾珊瑚斷肢、珊瑚碎塊石，上部完全無膠結(jié)，呈松散狀態(tài)，隨著深度增加下部礁坪出現(xiàn)弱膠結(jié)狀態(tài)。這種地層最怕泥漿沖刷，遇水后完全呈松散狀態(tài)，無法取心。由淺入深鉆進(jìn)過程中，因各種珊瑚斷肢、巖塊的出現(xiàn)，鉆進(jìn)難度增大，扭矩劇增，鉆頭磨損、掉齒嚴(yán)重。

1.1.2 取心工藝

該類地層采用常規(guī)繩索取心技術(shù)和提鉆取心技術(shù)進(jìn)行施工時(shí)，泥漿容易將砂礫直接沖刷掉，無法取出巖心樣品，而且采用提鉆取心技術(shù)鉆進(jìn)提取巖心時(shí)鉆孔立刻出現(xiàn)垮塌，無法成孔，出現(xiàn)反復(fù)取垮塌巖心的現(xiàn)象。

跟管鉆進(jìn)能夠解決成孔困難的問題，其關(guān)鍵點(diǎn)在于跟管鉆頭的設(shè)計(jì)，要求采用耐高溫硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金厚度與鉆具厚度保持一致，確保后續(xù)跟管鉆進(jìn)能夠順利進(jìn)行。因地層特別容易垮塌，外層套管在遇到一定阻力之后就停止向下跟管，以防鉆頭磨損嚴(yán)重甚至掉齒，造成提鉆換鉆頭而跨孔的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)無法向下鉆進(jìn)后采取小口徑鉆具穿過外層套管鉆取內(nèi)部巖心，當(dāng)小口徑鉆具超過外層套管0.5～1 m 后及時(shí)跟進(jìn)外層套管，以防超前鉆進(jìn)太多，提鉆取心后鉆孔垮塌，下個回次無法取得新鮮的巖心。

無水干鉆提鉆取心技術(shù)能夠解決巖心因泥漿沖刷而丟失的難題。采用短鉆具+?50 mm 鉆桿，采用小回次、勤起鉆、勤換鉆頭的方式進(jìn)行干鉆施工。由于鉆進(jìn)過程中沒有泥漿對鉆頭的冷卻，不能使用容易燒鉆的金剛石鉆頭，只能選擇耐高溫的硬質(zhì)合金鉆頭。在鉆進(jìn)過程中對操作者要求較高，如果把控不好，取不出巖心，如果干鉆時(shí)間過長，鉆頭出現(xiàn)燒結(jié)和掉齒，嚴(yán)重影響鉆頭使用壽命，因此采取小回次鉆進(jìn)，通過勤起鉆的方式來解決鉆頭冷卻問題。因鉆頭磨損和掉齒較為嚴(yán)重，外層套管盡量不做強(qiáng)力跟管，采用勤換掏心方式進(jìn)行跟管鉆進(jìn)。

采取跟管鉆進(jìn)+無水干鉆提鉆取心方法，能夠有效解決成孔和取心兩個難題，現(xiàn)場多次試驗(yàn)后取得了很好的效果，巖心采取率基本達(dá)到100%。

1.2 礁灰?guī)r地層取心技術(shù)

1.2.1 地層分析

礁灰?guī)r地層主要有結(jié)構(gòu)較為完整的灰?guī)r、珊瑚格架灰?guī)r，該類地層巖性較為完整，強(qiáng)度較高，是整個珊瑚礁鉆孔最容易鉆進(jìn)和取心的孔段，地質(zhì)原因引起采取率降低的可能性很小。

1.2.2 取心方法

礁灰?guī)r地層巖石可鉆性在1～4 級，巖層完整，可以采用繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)能夠有效提高工作效率，降低勞動強(qiáng)度，而且?guī)r心采取率高，是礁灰?guī)r地層最優(yōu)的鉆進(jìn)方法。

1.2.3 鉆進(jìn)取心注意事項(xiàng)

在該孔段巖心采取率一般都能夠達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，但是人為操作上的失誤也會造成巖心采取率降低，在鉆進(jìn)過程中需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）每次下內(nèi)管前，必須檢查內(nèi)管總成各個部位是否完好，尤其確?？ɑ傻耐旰茫绻ɑ沙霈F(xiàn)嚴(yán)重磨損，下入孔內(nèi)后容易造成巖心無法卡斷，出現(xiàn)空管或者部分巖心丟失的現(xiàn)象。

（2）每次下內(nèi)管后必須認(rèn)真檢查確保內(nèi)管總成到位，如果不到位就會出現(xiàn)單管，造成巖心無法進(jìn)入內(nèi)管，巖心進(jìn)入外管后與內(nèi)管總成不斷地碰撞和摩擦，造成采取率降低。經(jīng)過提大鉆取心后再次采用繩索取心鉆進(jìn)會出現(xiàn)重復(fù)磨損孔內(nèi)巖心的現(xiàn)象，造成巖心破碎和丟失。

（3）內(nèi)管打撈出來后，為保證巖心完整，禁止使用榔頭激烈敲出巖心。無論是三重巖心管還是二層管鉆具鉆進(jìn)，都應(yīng)該使用水泵泵出半合管或巖心，并按照正確順序盡量將巖心恢復(fù)原樣，擺放到巖心箱內(nèi)。

1.3 軟硬互層段取心技術(shù)

1.3.1 影響因素分析

該類地層呈現(xiàn)出明顯的硬層和軟弱松散層，而且比較破碎。軟弱部分容易受到鉆井泥漿的沖刷而丟失，取出的巖心樣品只有較硬部分，呈現(xiàn)出不整合斷裂，巖心采取率低；硬巖進(jìn)入內(nèi)管后，遇到軟弱地層，由于摩擦阻力的影響造成軟弱巖心無法進(jìn)入內(nèi)管，被硬質(zhì)巖心直接磨掉，造成巖心采取率下降；該類地層巖心進(jìn)入內(nèi)管后受到震動和摩擦，破碎后堵在內(nèi)管里，無法向下正常鉆進(jìn)；上提割斷巖心時(shí)，軟弱地層一般無過提顯示，不利于判斷巖心是否在內(nèi)管里［14］。

1.3.2 鉆進(jìn)取心原理

（1）減少泥漿沖蝕。通過改變鉆頭水路來減少泥漿對軟弱松散層的直接沖刷，提高巖心采取率。目前常見的有超前側(cè)噴鉆頭、側(cè)噴鉆頭、底噴鉆頭，其中前2 種的效果比底噴鉆頭好。上述3 種鉆頭針對硬質(zhì)破碎地層較為有用，對珊瑚礁弱膠結(jié)粉砂質(zhì)地層效果不夠理想，結(jié)合3 種鉆頭的優(yōu)缺點(diǎn)，針對弱膠結(jié)粉砂質(zhì)巖層設(shè)計(jì)了一種更為有效的鉆頭。

（2）減小巖心進(jìn)入阻力。采用超前側(cè)噴鉆頭鉆進(jìn)軟硬互層等弱膠結(jié)松散層，超前切削齒到爪簧的距離較長，硬質(zhì)巖心進(jìn)入巖心管后有較長部分在鉆頭內(nèi)部，因巖心與鉆頭內(nèi)壁間隙很小，摩擦阻力較大，軟弱層巖心進(jìn)入內(nèi)管時(shí)阻力較大，往往會被直接推掉或者大部分推掉，造成巖心進(jìn)入內(nèi)管困難而巖心采取率下降。同時(shí)鉆頭底唇面內(nèi)出刃設(shè)計(jì)稍微大些，這樣巖心比內(nèi)管小些，巖心與內(nèi)管壁有一定間隙，減小巖心上行摩擦阻力。

（3）提高巖心卡取能力。當(dāng)遇到破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層時(shí)，采用繩索取心工藝時(shí)卡簧實(shí)際上已經(jīng)失去作用，無法成功卡住巖心，造成巖心脫落，巖心采取率低。因此，需要找到一種具有更高卡取巖心能力的物件來替換卡簧和卡簧座。爪簧具有倒刺狀彈性抓手，單向性較好，鉆進(jìn)時(shí)巖心正常進(jìn)入內(nèi)管，而提鉆時(shí)彈性抓手受壓收縮，緊緊卡住巖心，巖心不會脫落或者僅有少部分脫落。在軟硬互層地層可以采用爪簧代替卡簧，提高巖心采取率。

綜合以上3 點(diǎn)，把爪簧與側(cè)噴鉆頭結(jié)合并應(yīng)用于繩索取心鉆進(jìn)，對于軟弱、破碎等復(fù)雜地層能更有效地卡取、保護(hù)巖心，能夠有效提高軟硬互層地層的巖心采取率［15］。

1.3.3 鉆頭設(shè)計(jì)研制

針對破碎、弱膠結(jié)松散層巖心采取率低的3 個影響因素，結(jié)合超前側(cè)噴鉆頭、側(cè)噴鉆頭、底噴鉆頭三者之間的優(yōu)缺點(diǎn)，本鉆頭在底噴鉆頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鉆頭鋼體采用變徑結(jié)構(gòu)（如圖1 所示），外層對稱布設(shè)4 塊硬質(zhì)合金用于保徑，底唇面布設(shè)4塊硬質(zhì)合金用于切削，內(nèi)側(cè)對稱布設(shè)8 塊小硬質(zhì)合金用于切削和保徑。平行剛體對稱設(shè)置8 個水口，在水口根部將剛體外側(cè)切開呈槽，露出水口，能夠大大減小泥漿流速，泥漿經(jīng)水口流出時(shí)大部分沿鉆桿與孔壁之間間隙上返，向下沖刷能力減弱卻能滿足冷卻鉆頭的需要。

1.3.4 鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化在鉆進(jìn)至軟巖的時(shí)候出現(xiàn)鉆速明顯增快，這時(shí)候需要對鉆壓進(jìn)行調(diào)整，可采取輕壓或者吊打，壓力過大會造成硬質(zhì)巖心擠壓軟巖心，導(dǎo)致軟巖心向四周崩散、丟失；泵量調(diào)至較小，能夠滿足冷卻鉆頭即可，大泵量對軟弱巖心會造成較大的沖刷，尤其是鉆頭外側(cè)周圍沖刷更為嚴(yán)重，導(dǎo)致鉆頭周圍出現(xiàn)更多空間，增加巖心往周圍崩散的概率。宜采取低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，減少因泵量減小造成燒鉆事故的可能性。

圖1 鉆頭實(shí)物Fig.1 Picture of the drill bit

1.4 粉砂質(zhì)夾層取心技術(shù)

1.4.1 影響因素分析

因珊瑚礁格架因素，部分珊瑚或者海底細(xì)砂滲入溶洞空間，未經(jīng)上覆地層壓實(shí)固結(jié)，由重力作用自然沉降，其結(jié)構(gòu)十分軟弱、松散。由于其完全松散和顆粒極小，取心鉆具很難將其卡死，提鉆過程中因重力作用而掉落。

1.4.2 取心原理

通過常規(guī)繩索取心鉆具卡簧無法將巖心抱死，上提內(nèi)管總成過程中巖心自然掉落；采用爪簧替換卡簧具有一定的效果，但是由于爪簧中間空洞和抓手間的縫隙，上提內(nèi)管總成時(shí)也會造成巖心掉落。采用半合管鉆具鉆進(jìn)也會因?yàn)樯咸徙@具時(shí)無法卡死巖心而掉落。當(dāng)一個回次鉆進(jìn)結(jié)束，所有巖心已經(jīng)進(jìn)入鉆具，這并不能說明已經(jīng)取心成功，還要進(jìn)行關(guān)鍵的一步：巖心的燒結(jié)卡取。其方法是在還剩下0.3 m 左右時(shí)，停止泥漿泵工作，低速慢轉(zhuǎn)，適當(dāng)增加鉆壓，無水干鉆3～5 min，然后提出鉆具。針對珊瑚礁地層含砂量大不宜提鉆更換鉆具的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套小口徑無水干鉆鉆具，通過穿越繩索取心鉆桿鉆取粉砂質(zhì)弱膠結(jié)松散層的取心工藝［16］。

1.4.3 小口徑無水干鉆鉆具設(shè)計(jì)

因珊瑚礁地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為保守起見，采用較大口徑的繩索取心鉆具，當(dāng)出現(xiàn)極軟弱地層時(shí)，采用小口徑鉆具經(jīng)鉆桿內(nèi)部穿過鉆頭，超前采取軟弱地層巖心。

該鉆具的關(guān)鍵是在取心管上方加一個特殊接頭，其組成如圖2 所示。在接頭中部焊接一個圓形漏斗狀堵水裝置，中間設(shè)置水流通道和堵水鋼球，接頭外側(cè)鉆幾個排水孔用于排水。

圖2 無水干鉆鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the dry drilling tool

在提鉆取心過程中，堵水裝置的鋼球因重力和壓力作用向下運(yùn)動，堵住水流通道，確保巖心不會受到管內(nèi)水柱壓力而造成脫落。排水孔在上提鉆具過程中具有將管內(nèi)水排到管外的作用，確保施工人員在擰卸鉆桿過程中不會受到管內(nèi)水流噴射污染，工作更加安全衛(wèi)生。

鉆具組成為：?71 mm 硬質(zhì)合金鉆頭+?71 mm取心管+?71 mm 無水干鉆接頭+?50 mm 變徑接頭+?50 mm 鉆桿。

在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)鉆速明顯過快時(shí)，意味著進(jìn)入極軟弱地層，需要上提內(nèi)管取出巖心，觀察巖心形狀，判斷是否需要更換取心工藝。如果必要，采用小口徑無水干鉆鉆具下入，超前采取巖心。當(dāng)穿過軟弱層后更換效率更高的繩索取心工藝正常鉆進(jìn)。

1.4.4 鉆頭設(shè)計(jì)

因小口徑鉆具需要穿過繩索取心鉆桿和鉆頭，要求其口徑不能大于鉆頭內(nèi)徑，否則無法穿過鉆頭，直徑至少比繩索取心鉆頭小10 mm，這樣可以確保小徑鉆具能夠順利穿越繩索取心鉆頭，同時(shí)鉆頭外側(cè)硬質(zhì)合金必須與胎體平行或者向內(nèi)一定距離，確保在施工結(jié)束后上提鉆具不會與繩索取心鉆頭發(fā)生卡鉆事故。鉆頭可以承受一定微燒鉆，將鉆頭下部巖心燒結(jié)卡死，才能確保上提時(shí)不會掉落。

1.5 掏砂鉆具設(shè)計(jì)研制

1.5.1 設(shè)計(jì)原理

在鉆進(jìn)過程中，由于更換鉆頭提大鉆或者上提鉆具等待換班等操作中，大量砂礫進(jìn)入孔底，造成內(nèi)管無法下到位或者取不出巖心，甚至卡內(nèi)管的情況。需要將孔底砂礫排出或者取出，確保孔底干凈，取得新鮮巖心。因珊瑚礁地層含砂量非常大，采用泥漿排出的可能性很小，最為有效的辦法是采用繩索取心鉆桿護(hù)壁，采用小口徑掏砂鉆具將鉆桿內(nèi)部砂礫分幾次掏完，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。為此，專門設(shè)計(jì)了掏砂鉆具（如圖3 所示）。

圖3 掏砂鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the sand bailing drilling tool

堵水裝置由方向相反的兩個漏斗形鐵質(zhì)部件和一個鋼球組成，漏斗形鐵質(zhì)部件與接頭焊接。在掏砂筒上部開一個排水孔，孔外裹上雙層紗布，用于將管內(nèi)水排到管外。

鉆具組成為：?71 mm 硬質(zhì)合金鉆頭+?71 mm掏砂管+?50 mm 排水變徑接頭+?50 mm 鉆桿。

1.5.2 掏砂工藝

（1）開動鉆機(jī)轉(zhuǎn)動鉆桿，將孔底沉砂盡量攪動，懸浮。

（2）在掏砂的過程中，不斷上提下放掏砂鉆具。攪動孔底沉砂，使其懸浮在水中進(jìn)入掏砂鉆具內(nèi)。

1.6 破碎掏砂鉆具設(shè)計(jì)

在出現(xiàn)孔壁垮塌等情況時(shí)，孔底掉塊和沉砂過多，無法采用泥漿排除造成無法正常鉆進(jìn)時(shí)采用破碎掏砂鉆具清理孔底，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。 其原理為在鉆具底部采用厚5 mm 的鋼板并刻十字型凹槽鑲嵌硬質(zhì)合金，鉆具轉(zhuǎn)動時(shí)將掉渣掉塊碾碎，通過進(jìn)砂窗口進(jìn)入掏砂鉆具內(nèi)，鉆具長度一般為6 m 左右，通過2～3 次打撈，能夠有效減少沉砂對鉆進(jìn)造成的不利影響。

圖4 破碎掏砂鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of the sand breaking and bailing drilling tool

2 工程應(yīng)用與效果分析

2.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目分兩個島進(jìn)行施工，每個島設(shè)計(jì)鉆孔9個，孔深均為200 m，巖心采取率要求75%以上。通過鉆探取心技術(shù)手段，獲得珊瑚礁巖心及上部吹填體巖樣，了解其巖土力學(xué)特性。

2.2 鉆探設(shè)備優(yōu)選

（1）從地形地勢方面考慮：本項(xiàng)目施工區(qū)域地勢平坦開闊，使用履帶式鉆機(jī)可以減少搬遷勞動強(qiáng)度，提高工作效率。

（2）從地層條件方面考慮：島礁上部為吹填砂礫層，需要采取跟管鉆進(jìn)技術(shù)成孔和取心，必須選擇具有大行程、易加桿的動力頭鉆機(jī)，以便于快速跟管鉆進(jìn)，鉆穿砂礫層和弱膠結(jié)地層。

（3）從事故處理方面考慮：鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)沉砂埋鉆、掉塊卡鉆事故，鉆探設(shè)備必須具有較大的起拔動力。

綜合以上3 點(diǎn)，本項(xiàng)目最終選擇了CSD1800X型履帶式全液壓動力鉆機(jī)進(jìn)場施工，其?114 mm 口徑能夠鉆進(jìn)500 m，動力頭行程超過3 m，完全滿足本項(xiàng)目的需求。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

2.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）根據(jù)我單位已完成鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，鉆進(jìn)過程中不可預(yù)見的因素較多，施鉆過程中地質(zhì)情況可能與預(yù)計(jì)有較大差別，易漏、易塌、易斜等復(fù)雜情況可能出現(xiàn)，因此，應(yīng)充分考慮到地層的變化，采取保守原則進(jìn)行施工，即最大限度使用較大口徑鉆具完成上部鉆孔，必須采取換徑時(shí)再換小一級口徑的鉆具施工。

（2）鉆孔開孔就是人工吹填層，地層不穩(wěn)定，松散、漏失、易坍塌，必須用表層套管封隔上部不穩(wěn)定易垮層段，建立孔口。

（3）進(jìn)入較為穩(wěn)定的基巖前，必須使用大于? 114 mm 口徑的鉆具進(jìn)行施工，確?；鶐r段使用? 114 mm 繩索取心完成。

2.3.2 成孔結(jié)構(gòu)

在施工過程中基本都是四開成孔，部分覆蓋層較淺者使用三開成孔，詳細(xì)鉆孔結(jié)構(gòu)見表2。

表2 實(shí)際鉆孔結(jié)構(gòu)Table 2 Actual borehole structure

2.4 取心鉆進(jìn)工藝

因我國在南海島礁的部分地質(zhì)資料尚屬機(jī)密，前期鉆孔設(shè)計(jì)沒有準(zhǔn)確的地質(zhì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，鉆孔施工依靠探究摸索，部分地層屬首次見到，施工時(shí)遇到問題現(xiàn)場針對實(shí)際情況進(jìn)行解決，既有走彎路的情況，也有新經(jīng)驗(yàn)積累。根據(jù)鉆孔成果資料，針對不同地層所使用的鉆探取心方法進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.4.1 砂礫層取心鉆進(jìn)

在0～23 m 段為砂礫層，地層松散無連接或輕微膠結(jié)（如圖5 所示）。為保證巖心采取率不能使用泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)，因此在開孔時(shí)選擇使用?219 mm 鉆具，采用單管干鉆進(jìn)行取心鉆進(jìn)，當(dāng)向下鉆進(jìn)速度緩慢或者無法向下鉆進(jìn)時(shí)提鉆取心。由于沒有泥漿的冷卻潤滑和護(hù)壁，加之?219 mm 鉆具口徑大、摩擦阻力大、地層極易垮塌，鉆進(jìn)3 m 左右用?219 mm 套管進(jìn)行護(hù)壁封隔，確保井眼形成。

當(dāng)使用?219 mm 套管護(hù)壁后就必須換小一級口徑的?168 鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，在鉆穿?219 mm 套管1 m 左右后就使用?219 mm 套管進(jìn)行跟管鉆進(jìn)，確保井眼的存在。使用?219 mm 跟管、?168 mm 取心，兩套鉆具依次鉆進(jìn)，直至?219 mm 套管跟至礁灰?guī)r上部較為穩(wěn)定的地層為止。?219 mm 跟管完成后，?168 mm 鉆具繼續(xù)往下鉆進(jìn)4 m 左右，換? 168 mm 跟管鉆頭掃孔下?168 mm 套管。

由于?168 mm 套管與S114 鉆桿空隙比較大，在往下鉆進(jìn)的過程中，S114 鉆桿晃動劇烈，不利于巖心采取率的提高，因此現(xiàn)場研究決定增加使用? 146 mm 套管，為確保?146 mm 套管的穩(wěn)定，在下? 168 mm 套管完成以后，使用?146 mm 鉆具往下鉆進(jìn)3 m 左右再下入?146 mm 套管。經(jīng)過3 套鉆具的聯(lián)合使用，最終完成了砂礫無膠結(jié)地層的取心鉆進(jìn)。

2.4.2 礁灰?guī)r取心鉆進(jìn)

礁灰?guī)r地層較為完整（如圖6 所示），而且具有一定強(qiáng)度，主要采取繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工，當(dāng)出現(xiàn)孔底沉砂較多，無法有效取得新鮮巖心時(shí)，采用小口徑掏砂鉆具穿過鉆孔進(jìn)行掏砂，掏砂效果良好。因礁灰?guī)r孔段較為復(fù)雜而可鉆性在Ⅳ級以內(nèi)，對鉆頭磨損較小，盡量使用優(yōu)質(zhì)耐磨鉆頭施工，減少更換鉆頭提鉆次數(shù)，減少鉆孔垮塌的可能性。在出現(xiàn)垮塌較為嚴(yán)重的情況下，可以使用破碎掏砂一體式鉆具清理孔底，外層繩索取心鉆具掃孔鉆進(jìn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)原孔深時(shí)，重點(diǎn)掏砂，通過掏2～3 次后孔底干凈，可以進(jìn)行正常鉆進(jìn)施工。

鉆具組合為：?122 mm 繩索取心鉆具+?114mm 繩索取心鉆桿；?89 mm 掏砂鉆具+?50 mm 鉆桿；?71 mm 掏砂鉆具+?50 mm 鉆桿。

圖5 吹填砂礫層巖心Fig.5 Cores from the dredge and filled sand gravel layer

2.4.3 軟弱互層取心鉆進(jìn)

軟弱互層主要指礁灰?guī)r和粉砂巖依次出現(xiàn)，鉆出巖心樣品如圖7 所示，是珊瑚礁鉆探取心工作中施工難度最大的孔段，因無法準(zhǔn)確判斷是否進(jìn)入軟弱層還是珊瑚格架空洞，往往會造成部分巖心丟失?，F(xiàn)場采用側(cè)噴鉆頭+爪簧+繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工，結(jié)合鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化，使用參數(shù)如表3 所示，取心效果良好。

圖6 完整礁灰?guī)r巖樣Fig.6 Complete rock samples from reef limestone

圖7 軟硬互層巖心樣品Fig.7 Core samples from the soft and hard alternate beds

表3 軟弱互層地層鉆進(jìn)參數(shù)Table 3 Drilling parameters for the soft and hard alternate beds

鉆具組合為：?122 mm 繩索取心鉆具+?114 mm 繩索取心鉆桿；?89 mm 掏砂鉆具+?50 mm 鉆桿；?71 mm 掏砂鉆具+?50 mm 鉆桿。

2.4.4 粉砂層取心鉆進(jìn)

粉砂質(zhì)層膠結(jié)強(qiáng)度很弱，受泥漿沖刷極易丟失，取出巖心后手捏呈粉狀，放在巖心箱里隔天就會散成白色粉末（如圖8 所示）。該類地層無壓實(shí)固結(jié)，使用繩索取心工藝無法獲取巖心，或者取心量極少。

針對粉砂層段取心難題，現(xiàn)場研制了小口徑無水干鉆技術(shù)，對粉砂層段取心效果良好。外層繩索取心鉆具采用?122 mm 鉆頭，?114 mm 鉆桿，鉆桿內(nèi)徑為100 mm，?71 mm 無水干鉆鉆具+?50 mm鉆桿。

圖8 弱膠結(jié)粉砂質(zhì)巖心Fig.8 Weakly cemented silt core

2.5 取心成果

最初施工的ZK501 和ZK502 孔由于地層不熟和取心方法不當(dāng)，巖心采取率明顯不足，經(jīng)過2 個鉆孔的不斷摸索，針對不同地層采取有針對性的取心方法，巖心采取率得到了大幅度提高，完全滿足了地質(zhì)和工程的需求，詳細(xì)的各鉆孔巖心采取率如表4 所示。

表4 某島礁鉆孔巖心采取率統(tǒng)計(jì)Table 4 Core recovery at an island reef

3 存在問題及處理措施

根據(jù)鉆孔實(shí)鉆資料，本項(xiàng)目鉆孔巖心采取率普遍高于70%，但是在鉆進(jìn)過程中仍有少量巖心無法取出，造成巖心采取率低于80%的情況。

3.1 原因分析

據(jù)分析巖心綜合采取率低主要是因?yàn)榻富規(guī)r地層結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)造成：

（1）珊瑚礁地層破碎、孔洞發(fā)育，地層具有空間格架的特點(diǎn)，巖石量本來就少；

（2）地層巖石具有強(qiáng)度低、易脆碎等特點(diǎn)；

（3）較多空洞使得斷肢容易向下方掉落，不易進(jìn)入鉆具內(nèi)部；

（4）軟硬互層鉆進(jìn)時(shí)硬巖不可避免地要將軟巖往外推，造成部分軟巖無法進(jìn)入巖心管；

（5）在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)出現(xiàn)巖層明顯變化時(shí)，不能夠及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝，造成小部分孔段巖心的缺失，無法達(dá)到百分之百的取心效果。

3.2 處理措施

（1）為保證巖心采取率，繩索取心鉆具采取避沖刷（側(cè)噴鉆頭）、避震、避磨，短回次、勤提鉆、慢提升等多種措施綜合使用。

（2）采取無水干鉆取心鉆進(jìn)時(shí)盡量短回次，避免弱膠結(jié)巖心磨損，提鉆前輕壓慢磨3～5 min，保證鉆頭處巖心略有固結(jié)，提鉆時(shí)巖心不易掉落。

4 結(jié)論

針對不同巖層采用多種取心工藝相結(jié)合的鉆進(jìn)方法，大大提高了巖心采取率，達(dá)到地質(zhì)要求。

（1）“長行程巖心鉆機(jī)＋跟管鉆進(jìn)”施工工藝是珊瑚島礁吹填層成孔和取心的有效技術(shù)工藝，具有巖心采取率高、護(hù)壁成孔可靠等優(yōu)點(diǎn)。

（2）礁灰?guī)r地層應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)鉆頭，減少提大鉆的次數(shù)，當(dāng)孔內(nèi)出現(xiàn)較多沉砂又無法排除時(shí)，可以采用掏砂鉆具將孔底沉砂掏盡后再繼續(xù)鉆進(jìn)。

（3）粉砂質(zhì)孔段采取小口徑無水干鉆取心技術(shù)時(shí)，應(yīng)采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，防止軟弱巖心被推掉或者磨掉，盡量減小回次進(jìn)尺，使其控制在1.5 m 以內(nèi)，提鉆前在同一個深度輕壓慢鉆3～5min，在鉆頭處巖心略有固結(jié)時(shí)提取才能確保巖心不掉落。

（4）采用小口徑鉆具穿過繩索取心鉆桿時(shí)，要求小口徑鉆具的外徑小于繩索取心鉆具內(nèi)管外徑，這樣才能成功穿過繩索取心鉆具，確保后續(xù)工作的順利進(jìn)行。