综合勘察技术在鄱阳湖湖口定向钻穿越中的应用

徐帅陵 刘晓忠

(胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司, 山东东营 257026)

鄱阳湖湖口定向钻穿越工程是九江—景德镇天然气管道工程的咽喉工程，地处鄱阳湖口,地层结构复杂,层位变化大,且溶洞发育。为保证获取精确的勘察资料,本工程采取了地质调查、水上钻探等传统勘察方法，结合水上地震映像、高密度电法等工程物探技术的综合勘察手段。通过各种勘察方法成果的对比印证,克服了钻探数据资料具有离散性的缺陷,为定向钻穿越设计方案的制定提供了连续、准确的地质资料,保证了定向钻施工的顺利进行。

1 工程概况

本工程穿越处位于鄱阳湖湖口,北接长江,湖面在此处变窄,湖水流向由南向北,湖两岸宽约1 700 m,东岸为雁列山。管道穿越处及其附近水深2.1～15.5 m,水下地形地势复杂,呈“U”状,主航道水深较大。鄱阳湖是赣江航道连接长江的出入口,航运船只来往频繁。

穿越区域处于扬子板块南部边缘,赣江断裂东盘,鄱阳湖受其影响,为一断陷盆地。场地内地质条件复杂,地层结构不稳定,层位、层厚变化大,不利于定向钻穿越。覆盖层岩性为第四系冲洪积形成的黏性土、淤泥质土、砂性土、碎石土,覆盖层厚度18～50 m。基岩为石炭系中统(C2c)灰岩和泥盆系上统(D3)砂岩,岩石风化程度因受构造、岩性以及原始地貌影响,呈现较大的差异性,灰岩层溶洞较发育(表1),且存在破碎带。定向钻在此地质环境中施工非常困难,需根据地质条件变化采取相应的技术措施,这就必须精确查明地层的层位变化以及不良地质现象的确切位置,防止产生卡钻和塌孔。

表1 溶洞位置预览

2 地层特征

根据本次钻探揭露,场区勘察深度(45.00 m)内主要的地层为第四系冲洪积形成的黏性土、淤泥质土、砂性土、碎石土，以及石炭系中统(C2c)灰岩、泥盆系上统(D3)砂岩,其中在主航道近东岸PYH-24和PYH-25号钻孔揭露存在构造破碎带。现依据土体形成的地质时代、成因、地层岩性、物理力学性质的不同，自上而下分为5个工程地质层,其中③层分为5个亚层,各工程地质层特征见表2。

表2 场地钻孔综合柱状图及岩性描述

3 综合勘察技术应用

3.1 工程地质调查

主要以区域地质资料调查为主,辅以现场勘察手段。选址勘察期间在东岸入土位置进行钻探,初步了解现场地形地貌、区域地质构造、场地复杂程度，不同时期湖水的水位、流速、风速，以及场地内各地质层的波阻抗参数、视电阻率值等地质资料,对穿越区的地质环境形成总体认识,为其他勘察手段的选取及施工的开展打下坚实基础。

3.2 水上钻探

勘察场地位于鄱阳湖湖口,湖水流速大,风浪大,流态紊乱,若套管固定不当,会导致钻孔倾斜。为保证套管的垂直下入,采用钢丝绳逆水流牵引套管逐步下放,保证套管垂直抵达水底,然后用锤击将套管底端打入地层,并跟管钻进进入稳定地层。套管的上部用套管夹固定在在机台上。

钻探过程中潮水涨退无常,还需注意湖水水位变化引起的套管和机台相对高度的变化,并进行深度校正,准确测量孔深及记录孔内原位测试和取样深度。

本次勘察工程共布置钻探孔29个,勘探孔深度30～45 m,在穿越中线的上、下游各15 m处交错布置,勘探点距投影至中线约为60 m左右。由于采取了合理的水上钻探技术,工程取得圆满成功。

3.3 工程物探

勘察场地内地层结构复杂,不良地质作用发育,由于钻孔资料具有离散性(间距60 m),无法精确反映层位变化和不良地质现象的实际位置、范围。因此，本工程配合使用水上地震映像和高密度电法对穿越中线的地质情况进行勘探。

(1)水上地震映像

勘探前通过地质调查,对勘察区内湖水和各地质层的波阻抗差异性进行分析,确定具备开展水域地震映像勘探的地球物理前提和工作环境条件。

水上地震映像采用单船单道激发接收方式。工作中采用宽频带接收,连续自动记录方式；触发震源采用高压空气枪及与其匹配的空压机,每隔3～6 s激发一次,点距为4 m；接收装置采用由多个压电晶体组合成单道装置接收地震反射波。水上纵波地震数据采集的仪器参数：采样间隔0.05 ms,采样点数2 048,延迟时间0 ms,记录时间100 ms,陷波器开通,频带范围1～1 000 Hz,自动记录。

水上地震映像资料处理流程为：数据编辑-去噪-频率滤波-道均衡-时间剖面输出。根据地震映像时间剖面图进行有效波相位对比和同相轴的追踪。首先结合钻孔控制标准层位(基岩面反射波组),对基岩面反射波组连续追踪,然后对第四系层位进行对比,力求连续、正确。在以上相位分析的基础上,确定各层的平均速度进行时-深换算,构制成各测线的地震-地质解释剖面图。

(2)高密度电法

高密度电法主要应用于鄱阳湖穿越两岸的陆上勘察,工作仪器为DUK-2型电法测量系统,它由DZD-6多功能直流电法仪与多路电极转换器〈Ⅱ〉组成。施工前对仪器及配套辅助设备均进行了检查,其各项技术指标均满足要求。

本次高密度电法的电极装置采用温纳装置,电极点距采用5 m,电极排列总数为60,最小间隔系数为1,最大间隔系数为18,共布置测线约340 m。在测量前,首先要进行电极接地电阻检测,接地电阻均正常后,开始进行数据采集测量。

资料处理流程为：录入原始数椐→格式转换→编辑→反演处理→视电阻率成图。

4 工程勘察成果对比印证

勘察过程中各种勘察手段基本同时进行,各种勘察手段因其技术性和针对性不同,对同一地质现象的解译成果可能不尽相同。为保证最终勘察成果的准确度和统一性,对各种勘察技术手段获得的解释资料进行整合、分析和印证,对同一地质现象基本能得到一致解释,并在此基础上提出满足工程需要的完整的地质勘察资料。

钻探资料能够较为准确、直观的反映钻孔处地层在深度上的变化及不良地质体的位置,但钻孔布置具有一定的孔距,使得所获勘察资料存在一定的误差,孔距愈大误差愈大,孔距愈小则相应的增大工程成本。工程物探能够获得连续的地质数据,但对于同一数据异常往往会产生不同的解释可能。而通过整合、分析钻探和物探资料,则能够较为准确的反映出勘察区域内的地层变化,岩溶发育位置、规模、特点以及破碎带的分布范围等。如图1,25号钻孔19 m深度揭露破碎带且勘察深度内未揭穿,而相邻24和26号钻孔揭露地层则为完整基岩,在这种情况下结合工程物探资料(图2),则能准确的反映出破碎带的具体位置和分布范围,从而避免了补充勘探孔。图3为钻探孔揭露的溶洞位置,但不能反映出溶洞的分布范围和规模特点,而结合钻孔资料,工程物探则能解决这一问题(图4)。因为查明灰岩中有“串珠状”岩溶发育,经过对比,否定了原定的定向钻在该层穿越的方案,而改在施工难度较小,把握较大的第四系松散层(细砂、圆砾和淤泥质土)中穿越。

图1 钻孔剖面(局部)

图2 地震映像时间剖面(局部)

图3 钻孔剖面(局部)

图4 地震映像时间剖面(局部)

5 结束语

通过对不同勘察手段所得资料的整合、印证,能较为精确的反映出穿越区域的层位变化,尤其是查明了不良地质现象(如破碎带、溶洞)的位置、分布范围等,为定向钻方案设计提供了准确的地质资料,保证了定向钻的顺利施工。目前鄱阳湖定向钻施工已顺利完成,通过定向钻施工过程中的实际检测,勘察资料准确无误,满足工程要求。由此可以看出,对于地质条件复杂、对勘察资料精度要求高的大型工程,采用综合勘察技术手段是可行的,也是必要的。

[1] 中华人民共和国国家标准.土工试验方法标准(GB/T50123—1999)[S].北京：中国计划出版社,1999

[2] 胜利工程设计咨询公司.九江—景德镇天然气管道工程鄱阳湖穿越岩土工程勘察报告[R].胜利工程设计咨询公司，2009

[3] 张守周.隧道穿越大型充填型溶洞的工程地质勘察技术研究[J].铁道勘察,2009(5)：64-69

[4] 杨文涛,谢乐云.多溶洞群地质的勘察技术[J].检测技术,2004(5)：25-26