內(nèi)管超前繩索取心技術(shù)在松散沉積物調(diào)查中的應(yīng)用

譚春亮，岳永東，渠洪杰，林廣利，祝 強(qiáng)，蘇興濤

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

松散層是指巖石經(jīng)過風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)和沉積等地質(zhì)作用后，尚未固結(jié)硬化成巖而形成的疏散沉積物。主要有風(fēng)成沉積、河湖相沉積、沖積、洪積、生物堆積、火山堆積和海相沉積等成因類型。物質(zhì)成份一般由粘土、流砂、卵石、礫石等。不同地質(zhì)背景、不同成因類型，巖性組成不同［1］。隨著生態(tài)文明建設(shè)向縱深發(fā)展，對覆蓋層地質(zhì)調(diào)查的深度與精度不斷提高，松散沉積物是覆蓋層的主要存在形式，是推動綠色發(fā)展，建設(shè)生態(tài)文明的主要研究對象，能否實現(xiàn)對松散沉積物精準(zhǔn)、原位無污染取樣，對后續(xù)開展環(huán)境、氣候、生物、水等新時代地質(zhì)調(diào)查關(guān)鍵內(nèi)容研究至關(guān)重要［2］。

松散層主要結(jié)構(gòu)形狀為碎屑狀和顆粒狀，結(jié)構(gòu)松散，無膠結(jié)或膠結(jié)性差，滲透性強(qiáng)，一直是鉆探調(diào)查取樣的技術(shù)難點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)取心技術(shù)存在的問題

淺表層松散沉積物調(diào)查取樣常以靜壓、沖擊、高頻振動等無循環(huán)液鉆進(jìn)工藝為主，國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)裝備只能滿足百米之內(nèi)的取樣需求［3-6］，解決地質(zhì)問題能力有限；對孔深＞100 m 的深厚松散沉積地層調(diào)查取樣采用“回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)+沖洗液護(hù)壁”傳統(tǒng)技術(shù)，生產(chǎn)中存在的主要問題如下。

（1）鉆進(jìn)效率低：一般采用單（雙）管提鉆取心鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)效率隨著鉆孔深度的增加而降低，勞動強(qiáng)度大，施工成本高。

（2）取心質(zhì)量差：一是由于沖洗液的沖蝕作用，部分松散層巖心在進(jìn)入取心內(nèi)筒前被破壞，無法進(jìn)入取心管；二是傳統(tǒng)卡簧無法卡住松散巖心，少量進(jìn)入取心內(nèi)筒的巖心易丟失；三是提鉆過程中，振動易使巖心脫落，提不到地表，造成丟心等。

（3）孔內(nèi)事故多：松散層孔壁機(jī)械強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，在鉆具回轉(zhuǎn)擾動、上提鉆具的抽汲和下鉆產(chǎn)生的壓力等作用下，極易發(fā)生孔壁坍塌，且地層滲透性強(qiáng)，易形成虛厚泥皮導(dǎo)致鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等事故［7-8］。

本文結(jié)合錫林郭勒盟—通遼地區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查鉆探應(yīng)用示范，開展了松散層鉆探技術(shù)方法研究與試驗，解決制約厚松散層取樣的技術(shù)難點(diǎn)，提高覆蓋區(qū)地質(zhì)調(diào)查精度與效率。

2 取心技術(shù)研究

2.1 取樣要求

覆蓋區(qū)調(diào)查鉆探的主要目的是建立一個地區(qū)地層的劃分對比標(biāo)準(zhǔn)，用以進(jìn)行地層、巖（土）層、水文單元層等劃分、對比、地質(zhì)時代和沉積環(huán)境等研究［9］。有 2 個基本要求：（1）要求覆蓋層全孔取心，利用鉆孔建立覆蓋層地層序列，調(diào)查不同地層物質(zhì)組成、厚度變化及空間分布，支撐研究第四系三維地層結(jié)構(gòu)［10］；（2）穿透覆蓋層至基巖頂面，采集隱伏基巖樣品，驗證物探解釋成果，支撐覆蓋區(qū)找礦突破行動，因此，巖心采取的數(shù)量和品質(zhì)直接影響后續(xù)地質(zhì)判斷。

2.2 取心技術(shù)方法

根據(jù)地質(zhì)需求和地層特點(diǎn)，選擇鉆進(jìn)方法，取心工具，確定合理的鉆進(jìn)工藝參數(shù)和操作方法，隔水、降阻、護(hù)壁、護(hù)心是提高松散層巖心采取率的關(guān)鍵。

2.2.1 超前取心技術(shù)

超前取心技術(shù)是采用內(nèi)管管靴（鉆頭）超前設(shè)計，在內(nèi)管不回轉(zhuǎn)的情況下，內(nèi)管管靴（鉆頭）壓入松散沉積層，保證地層巖心的原位吃入（見圖1）；同時，鉆頭采用底噴或側(cè)噴隔水設(shè)計，沖洗液由內(nèi)外管之間流經(jīng)孔底時，只有少量沖洗液流經(jīng)管靴（鉆頭）起潤滑作用，大部分沖洗液經(jīng)鉆頭底噴眼由環(huán)狀間隙直接上返至地表，不沖蝕巖心，保證巖心的完整性與純潔性（見圖2）。

圖1 內(nèi)管超前技術(shù)原理Fig.1 Principle of inner tube advance technology

圖2 內(nèi)管超前取心鉆頭Fig.2 Inner tube advance coring bit

2.2.2 內(nèi)管超前繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

內(nèi)管超前繩索取心鉆具鉆頭部位結(jié)構(gòu)示意見圖3。繩索取心鉆進(jìn)工藝是一種不提鉆取心的方法，具有鉆進(jìn)效率高、勞動強(qiáng)度低，施工成本低等優(yōu)勢，在地質(zhì)礦產(chǎn)勘探中應(yīng)用廣泛。將繩索取心鉆進(jìn)工藝與超前取心技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于松散沉積地層取樣，一是可保護(hù)孔壁的穩(wěn)定性，每鉆進(jìn)一個回次之后，停鉆，自孔口從鉆桿中下入打撈器，鎖緊機(jī)構(gòu)卡住取樣內(nèi)管，鋼絲繩將內(nèi)管提到地面，取出內(nèi)管的巖心后，重新將內(nèi)管下放到孔底，繼續(xù)下回次鉆進(jìn)，減少了起下鉆次數(shù)，降低了沖洗液壓力激動，繩索鉆桿可以起到護(hù)壁作用，減少孔壁坍塌掉塊等事故發(fā)生；二是可提高鉆探效率，采用繩索取心工藝代替提鉆取心工藝，減少了起下鉆的輔助時間，增加了純鉆進(jìn)時間，減輕了工人勞動強(qiáng)度，鉆孔越深經(jīng)濟(jì)效果越顯著；三是可提高松散層取心質(zhì)量，超前取心技術(shù)避免了沖洗液對松散層巖心的直接沖蝕，起到護(hù)心的作用，根據(jù)松散巖層的松軟程度，可調(diào)節(jié)內(nèi)管超前尺寸，實現(xiàn)最佳吃入深度。

圖3 超前繩索取心鉆具結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the wire line advance coring tool

根據(jù)取樣需求，在繩索取心雙層管鉆具內(nèi)管中增設(shè)一層巖心容納管，采用爪簧替代卡簧，可對巖心形成二次抱卡，保證不丟心，提高巖心采取率。

2.2.3 成膜護(hù)壁低固相沖洗液技術(shù)

松散層具有怕沖蝕、易塌、遇水易蝕變的特征，要求沖洗液既要有較高的護(hù)壁和攜帶巖屑能力，又要有較大靜切力和較小的動切力，盡可能小的濾失量，同時，繩索取心工藝還要求沖洗液保持較低的固相含量和良好的流變性能。經(jīng)過野外試驗與探索，采用成膜護(hù)壁低固相沖洗液可提高松散顆粒之間的膠結(jié)性，降低濾失量，具有隔水及強(qiáng)抑制性［11-12］，起到護(hù)壁又護(hù)心的作用；良好的潤滑性可降低鉆桿、孔壁和巖心管之間的摩擦阻力，減少了巖心進(jìn)入內(nèi)管的阻力，提高取心質(zhì)量。成膜護(hù)壁低固相沖洗液體系配方見表1。

表1 成膜護(hù)壁低固相沖洗液體系用材料、用量及作用Table 1 Composition,dosage and function of low solid drilling fluid for film forming and wall protection

沖洗液配制方法：在1 m3沖洗液配漿罐中放入清水1000 L，首先加入1～2 kg 氫氧化鈉，攪拌5 min，后加入 30～50 kg 成膜護(hù)壁體系 B 劑，并攪拌 5 min；再按照配方順序依次加入10～30 kg 膨潤土、10～20 kg GPC 及5～10 kg GPNA，攪拌 5～10 min；最后，再加入 5～10 kg GTQ，攪拌 20～30 min 后使用。

沖洗液性能：密度1.06～1.15 g/cm3，漏斗粘度30～40 s，濾 失 量 6～9 mL/30 min，含 砂 量3%～4%。

3 應(yīng)用試驗

3.1 地質(zhì)概況

試驗區(qū)地處渾善達(dá)克沙地東南緣與科爾沁沙地西南緣，地層巖性以中、細(xì)砂為主，夾有少量粘土、礫石等，地層松散堆積，砂層基本無膠結(jié)，部分地層含水豐富，根據(jù)以往資料推斷覆蓋層厚度＞200 m。該項目利用鉆孔支撐，調(diào)查研究該地區(qū)晚新生代地表作用及系統(tǒng)演變過程的地質(zhì)記錄，確定調(diào)查區(qū)內(nèi)我國地勢第二、三級階梯的形成過程、構(gòu)造氣候制約、形成時代及動力學(xué)背景，調(diào)查研究晚新生代不同時期的火山噴發(fā)對地表環(huán)境的影響、基底斷裂對淺部構(gòu)造的影響；重建晚新生代不同地質(zhì)時期源-匯系統(tǒng)變化過程，探討地表過程對水系格局、生態(tài)環(huán)境的影響，以及人類文明興衰與生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)系等內(nèi)容［13-15］。

3.2 鉆探設(shè)備

采用輪式底盤裝載的TGQ-500C 型全液壓鉆機(jī)，搬遷方便，適用于面積性鉆探地質(zhì)調(diào)查。鉆機(jī)能實現(xiàn)無級調(diào)速，滿足不同鉆進(jìn)工藝參數(shù)需求。采用BW160 型臥式三缸往復(fù)式單作用活塞泵，多檔變速變量，可根據(jù)鉆進(jìn)地層情況調(diào)節(jié)泵量。根據(jù)“低壓力、中轉(zhuǎn)速、小泵量”的基本原則，針對?96 mm 鉆具規(guī)格，確定鉆進(jìn)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速80～150 r/min，鉆壓5～8 kN，采用成膜護(hù)壁低固相沖洗液體系，泵量50～70 L/min。

3.3 試驗效果

前期工作，采用?91 mm 單管鉆具提鉆取心工藝與?96 mm 常規(guī)繩索取心工藝，鉆進(jìn)效率低，取心質(zhì)量差，松散層巖心采取率＜60%，未達(dá)到覆蓋區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查鉆探取樣要求。試驗采用?96 mm 超前繩索取心工藝+成膜護(hù)壁沖洗液技術(shù)實施了BZK01、BZK02、BZK03 三個鉆孔，累計進(jìn)尺 729.8 m，均取得了松散層及基巖的樣品，滿足了覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖工作要求，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 試驗孔主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical data of the test hole

完成的3 個鉆孔的松散沉積層以砂質(zhì)沉積和湖相沉積為主，地質(zhì)推斷是淺層湖泊與氣候控制下的風(fēng)成沉積物，以風(fēng)力搬運(yùn)作用為主，物質(zhì)成分由泥、細(xì)砂、中粗砂和礫石等構(gòu)成（見圖4～8）。

圖4 鉆孔柱狀圖Fig.4 Borehole profile

圖5 單回次細(xì)砂層取心效果Fig.5 Cores taken from fine sand at a single run

圖6 單回次粗砂層取心效果Fig.6 Cores taken from coarse sand at a single run

圖7 單回次卵礫石層取心效果Fig.7 Cores taken from gravel at a single run

圖8 單回次風(fēng)化基巖取心效果Fig.8 Cores taken from weathered bedrock at a single run

4 遇到的問題與改進(jìn)方案

（1）采用爪簧替代常規(guī)卡簧，對于含礫層等泥質(zhì)含量較高的地層，能夠較好地保護(hù)巖心，防止脫落，但對于細(xì)砂層等泥質(zhì)含量較低的地層，爪簧抓手對巖心產(chǎn)生切割和阻擾較大，取心效果不佳。后續(xù)根據(jù)地層情況及時調(diào)整爪簧抓手的長度與密度（見圖9），提高了中細(xì)砂層巖心采取率。

圖9 調(diào)整后的爪簧抓手Fig.9 Adjusted core catcher spring fingers

（2）繩索取心過程中，遇到下部巖心脫落的問題。后續(xù)通過調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，在停鉆取心前，采用小泵量或無泵鉆進(jìn)0.1～0.3 m，確保鉆具底端形成蓋層，防止巖心脫落，提高取心質(zhì)量。

（3）厚砂層鉆進(jìn)中，沖洗液的技術(shù)指標(biāo)不穩(wěn)定，難控制。后續(xù)利用QJQ100 型清潔器（見表3）及時清除沖洗液中的有害固相［16］，維護(hù)沖洗液性能，提高了鉆進(jìn)效率。

表3 QJQ100 型清潔器主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of QJQ 100 mud cleaner

5 結(jié)論

（1）將繩索取心工藝、爪簧和超前取心技術(shù)相結(jié)合，可較好地解決厚砂層等松散沉積地層取心效率低、取心質(zhì)量差等問題，提高松散巖心采取率、巖心的純潔度與完整度。

（2）成膜護(hù)壁低固相沖洗液具有強(qiáng)膠結(jié)性與潤滑性，在松散層鉆探調(diào)查中，能發(fā)揮穩(wěn)壁護(hù)心的作用，提高取心質(zhì)量，減少孔內(nèi)事故發(fā)生。

（3）沖洗液性能直接影響松散層鉆探效率與取心質(zhì)量。研發(fā)并應(yīng)用輕便型的沖洗液固控循環(huán)系統(tǒng)，一方面可控制有害固相，穩(wěn)定沖洗液性能，提高取心率，另一方面可完善綠色勘查技術(shù)體系，促進(jìn)綠色發(fā)展。