铁路隧道复杂地层钻探综合治理

张 昊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司甘肃勘察院, 甘肃兰州 730000)

时值铁路建设的高峰,随着铁路隧道勘探孔的深度不断加大,所遇复杂地层的机会也日渐增多；同时勘察设计部门的工作量非常饱和,要求勘探队伍能快速、安全、高质量的通过此类复杂地层。复杂地层是指岩芯钻探中孔壁不稳定(发生坍塌、掉块、遇水膨胀、遇水溶解等)、钻孔漏水或涌水、取芯困难的地层。反映在施工中主要有两个方面的问题：一是孔壁不稳定,导致成孔困难、钻进无法正常进行；二是取芯困难,岩芯采取率达不到地质要求。以下结合具体工程实例探讨复杂地层钻探的综合治理。

1 工程概况

新建兰新铁路客运专线,可提升西北地区铁路综合运输能力,并满足新疆、甘肃、青海三省区工农业生产的需要,缩短西北地区与中东部和西南地区的距离。达坂山隧道CDSZ-23深孔位于兰新客运专线祁连山麓南支脉,海拔高度为3 382 m。钻探现场地点偏僻,高寒缺氧,交通极为不便,现场离水源地较远。主要岩性为：破碎角闪岩、片麻岩、构造角砾，以及绿泥石化、叶腊石化断层泥。从在同一区域进行钻探施工的其他配合单位的情况来看,普遍存在孔壁不稳定,岩芯采不上来的问题。

2 钻探过程遇到的难题及分析

2.1 孔壁失稳

钻孔穿过地层由新至老依次为第四系、下第三系、奥陶系。施工地层复杂,局部严重破碎,破碎带中夹杂大量“断层泥”,断层泥为黏土夹杂断层角砾。岩石可钻性从3～5级到8～10级。黏土层泥质角砾层厚度为15～50 m,遇水极易膨胀缩径。在局部地层,地层绿泥石化严重,岩层软硬极不均匀,稳定性很差,层间的破碎片麻岩又大量以黏土质胶结。在钻探施工中,坍塌、掉块现象十分严重,夹钻、卡钻、埋钻、断钻等孔内事故频繁发生。

造成孔壁失稳的主要原因有地层应力作用、钻进工艺不当、钻孔漏失以及冲洗液的冲刷作用等。钻进水敏性地层时会造成孔壁膨胀缩径,孔壁剥落超径等现象。在力学不稳定地层中,由于所受应力不平衡,一旦钻穿破坏了原有的平衡状态,加之受上部覆盖层重力的作用,使孔壁产生垮塌、掉块的现象。钻进过程中,当升降钻具时,钻具在孔内会发生抽吸及压渗作用,从而影响地层压力平衡。铁路钻探的口径大,孔径与钻杆外径的比值较大,导致加剧钻杆柱的多点弯曲,而钻进时钻具的高速回转亦产生对孔壁的碰撞、敲击,尤其当使用了弯曲的钻杆时更为明显,造成孔壁加快失稳。冲洗液如果使用不当,对地层的破坏作用也很大,主要表现为对孔壁的冲刷以及造成压力差,进一步影响孔壁稳定。

2.2 取芯困难

在钻遇的断层带地层,岩石松散破碎,是典型的硬、脆、碎地层,其间以黏土质胶结。在使用普通细分散泥浆取芯钻进中,由于泥浆抑制性差,造成孔壁缩径坍塌或者黏性岩层糊钻,泵压增高,泥浆在高压下破坏软弱、破碎和松散的岩芯,岩芯中的松软破碎的细颗粒成分都被溃散而被冲掉,导致取芯率不高,达不到地质设计要求。

经过分析发现,造成取芯困难的原因主要有两方面：一是岩芯在进入内管前就被破坏；二是岩芯在内管中被研磨损耗。旋转的钻头与静止的岩芯之间的摩擦力会对岩芯产生扭力矩,而破碎地层岩芯成分间相互结合的内应力是很弱的。在扭力矩作用下,整体或局部碎裂，碎裂的岩芯往往堆落挤压在钻头内台阶处,堵塞通道,并极易造成水路受阻、泵压升高而加重对岩芯的冲蚀。冲洗液对岩芯的冲击力及侵蚀对胶结性较差的岩芯的破坏也是非常严重的，并且在复杂地层使用的单动双管性能也不像设计时的效果那么好。特别是只有一级单动机构的钻具单动性能差,内管无法保证绝对的不旋转,岩芯无法维持与内管的同步状态,内管的振动会将进入到其中的不完整岩芯振碎,再互相研磨,细小的颗粒与内管中的液体搅和在一起,进入冲洗液循环系统。打捞内管时,内管及卡簧夹持不住的细颗粒便掉入孔内,造成岩芯采取率不足。

3 复杂地层钻进综合治理

3.1 注重地质因素对工艺选择的影响

复杂地层钻进困难,主要原因之一是对复杂地层成因分析不够,注重了钻探工艺的选取,忽视了地层因素这一内因的作用。地质因素是内因,钻进工艺技术是外因,内因起着主导作用。只有在掌握岩层的地质构造、岩性、矿物组成的基础上,才可以确定合适的钻进工艺，配制适用的泥浆,进而保障正常钻进,避免孔内事故,降低成本提高钻效。

对于孔壁失稳现象只有在判断孔壁不稳定属于哪一种情况的基础上,方能采取相应对策,正确选用防塌方法和泥浆。对于力学不稳定岩层,由于岩层破碎,松散的性质和地层侧压力大,想阻止或减少岩层垮塌,保证正常钻进,泥浆比重是重要因素,适当提高泥浆比重可以平衡岩层的侧压力,用高聚物抑制各种岩层的垮塌,用高分子化合物提高泥浆黏度。对于水敏性地层,表现为表面水化和渗透水化。掌握了水化机理后,在此类地层钻进时泥浆配制上要考虑低失水、高矿化度、适当比重和黏度。目前防塌泥浆的配方及类型已有很多种类,但在实际生产中遇到垮塌,卡、埋钻等情况时,要做出判断，分析造成这种情况的是地质因素还是钻进工艺技术因素,要做到具体问题,具体分析，才能解决好孔内问题。

3.2 复杂地层护壁技术

在复杂地层使用普通分散型泥浆时,形成的泥皮较厚且松散,泵压较高,对岩芯的冲蚀严重。针对复杂地层的矿物特点,经过对比分析及室内实验,设计了一套植物胶—PHP低固相泥浆。新型泥浆表观黏度比较高,即使采用较小的泵量,排粉的能力也很强。加入植物胶后的泥浆是一种黏弹性液体,这种黏弹性胶体在孔壁和岩芯的表面及一定深度的表层具有胶结作用和黏弹性强度,在一定程度上可抵抗钻具的振动破坏和地表其他外力的破坏。而普通细分散泥浆产生的泥皮是黏塑性体,胶体很少,大多是固体颗粒,护壁效果差。

新配制的泥浆配方及性能见表1。新型泥浆失水量低,形成泥皮薄而韧。在用岩样浸泡方法观察泥浆是否适合该复杂地层钻进要求时,CDSZ-23孔内的岩屑制成的岩样在普通细分散泥浆中1 h即垮塌,而岩样在新型泥浆中能保持5 d不垮。这说明新配制的泥浆能够满足复杂地层的钻进要求。

表1 新型泥浆配方及性能

在实际施工过程中,根据地层成因情况,有部分地层绿泥石化严重,钻孔明显地表现为缩径、坍塌、裹钻现象,而且冲洗液被侵染严重。为此在泥浆中补充冲洗液的离子浓度,比如K+,使之与岩层中水的离子浓渡相平衡,阻止岩层的渗透水化,以利于孔壁的稳定。对于力学不稳定地层,在泥浆中加入水玻璃及部分交联剂。泥浆中的聚合物除了产生泥皮式高分子网膜吸附在孔壁上外,更主要的是在絮凝剂作用下,硅酸钠形成无定形的SiO2胶团。这些胶团以渗析作用胶结孔壁间隙,通过自身变形,有效地支持和封堵不稳定岩层。同时,低聚合度的水玻璃可能与高岭土、膨润土晶体中的硅氧四面体和铝氧八面体的断键连结,增加孔壁颗粒间的网络连结力,加速孔壁硬化稳定,有效地维护了孔壁。

3.3 取芯工具的治理措施

钻具的单动性能是影响取芯质量的主要因素,它是钻具的结构设计和加工质量的综合效果,只要其中有一个零部件加工和配合有问题,都将会影响取芯效果。普通单动双管钻具,只有一套单动机构,在条件极为复杂和恶劣的钻孔内长时间高速回转,各种影响因素都集中于一个单动体上,因此很难保证钻具长时间的良好效果。如机械加工的误差、装配的质量、润滑脂被冲洗液或其他杂质侵污而降低润滑性能、钻具的冲击载荷对轴承的损伤、高速旋转产生的高温使润滑脂老化和干固的影响、间隙较小的相对回转件之间因为高温线性膨胀而产生的黏滞咬死现象以及橡胶密封圈在高速回转时的磨损,都将直接影响单动机构的性能和寿命。通过对岩芯的观察,决定换用具有两级单动机构并且轴承密封性好的双管钻具。从单个单动承受改为两个单动分摊承受,则单动机构的可靠性和寿命至少应提高2倍以上。即使在孔内意外的情况下,其中一个单动失去单动性,另一个单动仍可继续起单动作用,避免双动,保障取芯的效果。

在使用过程中我们还发现,钻具配套的卡簧内径与钻头内径不相匹配,卡簧内径过小,岩芯进入困难。我们后来按照1 mm级差加工一组6个卡簧供复杂地层选用,解决了卡簧导致的岩芯进入遇阻和掉岩芯的问题。

为减轻泥浆对岩芯的冲蚀,选用了底喷型钻头,此钻头有特殊的隔水装置,冲洗液只能沿底喷水眼进入孔底,而不直接冲刷岩芯。

3.4 规范钻进操作工艺

控制好钻进工艺参数对于孔壁的稳定和岩芯的采取具有很重要的作用。根据以往的经验,制定了复杂地层操作要点：

(1)始终要保持泥浆具有良好的性能,当冲洗液稠度高,岩屑沉淀分离慢时,应及向沉淀池及循环槽入口加入少量聚丙烯酰胺水溶液,使泥浆能够满足排除岩粉和护壁等要求。

(2)控制好钻进工艺参数,减小压力波动。钻进过程中,要均匀加压,严禁突然给压。在地层岩性变化不大的情况下,尽量统一各小班的压力。

(3)钻具下至离孔底约0.5 m时,应开泵冲洗,待孔口返浆后方可轻压慢转扫孔到底,以防下钻过快,孔底沉淀堵塞水口。

(4)正常钻进时,转速和钻压不要忽高忽低,不宜频繁活动钻具。若发现岩芯堵塞,处理无效时,应立即提钻,检查原因。

(5)根据断层破碎带地层的特点,为防止冲洗液冲刷孔壁,破坏岩芯的原状结构,应适当减少泵量,操作人员应适时提钻取芯,减少对岩芯过多的磨耗。

(6)提钻时应慢速、均匀上提,以防芯样滑落和钻头抽吸作用,破坏孔壁的稳定。每次提钻后应检查保养钻具,保持良好的单动性能。

4 治理效果

运用新型泥浆和单动钻具及与之配套的底喷型钻头后,孔内事故明显减少。新型泥浆的护壁、携带岩屑、润滑钻具和减少孔内阻力的能力得到充分的体现,保证了钻进的安全。治理后CDSZ-23孔比之此前的钻孔来看,孔内阻力小泵压低、钻效高、事故少,保证了钻进安全,为钻取高质量的岩芯创造了条件。具体数据对比见表2、表3、图1。

表2 孔内事故统计

表3 钻效对比

图1 岩芯采取率对比

综合使用与复杂地层相适应的钻具和新型泥浆,以及完善钻具及泥浆的管理措施以来,CDSZ-23孔在取芯率上得到了很大的提高。特别是在100～188 m、204～288 m的断层泥孔段取出的岩芯较为完整、取芯率高,达到90%。

5 总结

隧道深孔复杂地层岩石结构比较松散,胶结性差且易水化分散,钻具的震动、敲击、孔内液柱高低的变化,上下钻的抽吸和压力激增都有可能破坏冲洗液对井壁的保护,钻具、钻头及钻进工艺上的选择不当会导致取芯的困难,故在复杂地层钻进中要特别强调综合治理。面对复杂地层施工中这些接踵而至的复杂地层问题,在认真分析地质构造和地层特征的基础上,结合设计合理的双级单动钻具、底喷型钻头、护壁性能良好的泥浆和规范的操作工艺，可保证复杂地层钻进的安全和取芯质量。

[1] 曾祥熹,陈志超.钻孔护壁堵漏原理[M].北京：地质出版社,1986

[2] 铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社,2002

[3] 郭绍什,冯德强,杨凯华.钻探手册[M].中国地质大学出版社,1993