SM植物胶和SD系列金刚石钻进工艺在卵石层的应用

2013-01-17董艳平

资源环境与工程 2013年3期

董艳平

(武汉地质工程勘察院，湖北武汉 430051)

0 引言

四川省绵阳—遂宁高速公路绵阳段是国家高速公路网规划中成渝地区环线高速公路的重要组成部分，亦是成渝经济区的重要交通枢纽。项目的建成对完善国家和四川路网规划，推进四川省灾后重建及经济社会发展具有十分重要的意义。该项目起于绵阳市张家坪，经游仙、松垭、老马、三台，止于百顷，接拟建的绵遂高速公路遂宁段，全长约78 km。

绵遂高速公路B10合同段位于四川省绵阳市三台县境内，线路多座大桥处于涪江一、二级阶地上，第四系全新统冲积(Qal4)的卵石层厚度一般5～20 m，局部地段厚度＞30 m，呈松散—中密状，卵石成分为石英岩、石英砂岩、灰岩、硅质岩等，充填物以砂、砾为主，地下水丰富，钻进困难，孔壁易坍塌，常发生卡钻、埋钻事故。传统的泥浆护壁、合金钻头钻进方法，不但钻进速度慢，而且岩芯采取率低，达不到地质分层的要求，从而影响工程勘察质量。

本次详勘要求卵石层岩芯采取率应≥60%，为了提高岩芯采取率，准确地进行地质分层，提高勘察报告的质量，勘察中引用了SM植物胶和SD系列金刚石钻具钻探技术，取得了一些成功的经验和较好的经济效益。

1 设备的选择

1．1 钻探设备

根据地层情况及钻孔深度要求选用的是GY-150型高速钻机、BW-150型泥浆泵、SM-1型钻井液搅拌机及相应附属设备。

1．2 钻具、钻头

钻头:钻头的选择和使用，不仅影响钻进效率，还影响取芯质量和钻探成本，根据本项目地层情况及前期钻探施工经验，本次采用平底热压孕镶金刚石钻头，其技术参数为:金刚石目数为60～80混合目，金刚石硬度100%，金刚石品级为SMD优质级，胎体硬度35～46HRC［1］。

2 SM植物胶的配制

2．1 配比

SM植物胶的用量一般为0．8% ～1．5%(与水的重量比)，膨润土的用量一般为3% ～5%(与水的重量比)，纯碱(工业用碱)用量为膨润土粉和SM植物胶粉总重量的5% ～6%，另外，加入0．2%(与水的重量比)的羧甲基纤维素纳盐(CMC)，进一步增加泥浆粘度降低失水量，提高防塌效果［2］。

2．2 配制流程

先将纯碱(工业用碱)按比例投入到装有清水的搅拌桶中进行溶解，然后将SM植物胶粉和膨润土粉同时均匀的加入水中，边搅拌边撒入，应注意不可快速倒入，防止结团。在搅拌均匀后(20－30 min)，再加入羧甲基纤维素纳盐(CMC)，高速搅拌均匀后(15－20 min)，放入泥浆池中浸泡约8 h，待植物胶粉充分溶解，浆液稠化后即可使用［3］。

照片1 SD94钻具Photo 1 SD94 drilling tool

图1 SD94钻具结构示意图Fig.1 Structural diagram SD94 drilling tool

3 钻探工艺

3．1 钻孔结构

根据地层情况，护壁措施及钻孔结构如下:

3．2 钻进参数及操作要领

根据在卵石层中施工钻进经验，为确保安全顺利钻进并保证取芯质量，钻进时应遵循“低压力、中转速、小泵量”的原则，以达到平稳的钻进速度。采用的技术参数为转速300～600 r/min，钻压为4～7 kN，泵量为25～40 L/min;同时应根据孔内情况，正确及时地调整钻压、转速，适当控制给进速度，在卵石层中速度一般4～7 cm/min，不宜过快;下钻后，应用较大泵量冲孔，而后降低泵量钻进。此外还应掌握好以下几个操作环节:

(1)控制起下钻速度，操作卷扬要平稳，尽量减小惯性作用，特别是在裸孔段更应注意，以免钻具抽吸而产生压力脉冲，影响孔壁稳定;

(2)回次进尺控制在1．00～1．50 m，发现岩芯堵塞，应立即提钻;

(3)经常检查SD钻具的单动性能尤其是轴承的灵活性，及时拆洗加油，更换密封圈，要保证水眼畅通;合理调节内、外管的间隙，在卵石层中，将卡簧座与钻头间隙调整在3～5 mm为宜;

(4)孔口管上设置三通与水泵回水管相连接，起钻时继续开泵进行回灌，以保持泥浆液面，维持孔壁稳定;

(5)在钻进中，应经常清理堵塞在吸水头上的泥浆团块，避免孔内的泥浆浓度下降，而达不到最佳的护壁效果。

4 技术指标及经济效益

本次施工中，对百顷坝大桥(见照片2)初勘的CZK6、CZK9号孔(见照片3、照片4)和详勘的SZK7、SZK11号孔(见照片5、照片6)做了对比试验。从对比试验效果看，使用SM植物胶、SD系列钻具及金刚石钻头(SZK7、SZK11号孔)的钻进时间比使用清水或普通泥浆(CZK6、CZK9号孔)明显缩短，而且使用SM植物胶、SD系列钻具及金刚石钻头的2个钻孔卵石层岩芯呈圆柱状，岩芯采取率明显提高(见表1)。

照片2 百顷坝大桥地形地貌Photo 2 Topography and geomorphology of Baiqingba bridge

照片3 CZK6号孔卵石层岩芯Photo 3 Cylindrical core of C2K 6 cobble layer

表1 钻探成果对比表Table 1 Contrast table of drilling achievements

表2 钻孔经济指标对比表Table 2 Contrast table of economic index of drill hole

照片4 CZK9号孔卵石层岩芯Photo.4 Cylindrical core of CZK9 cobble layer

照片5 SZK7号孔卵石层圆柱状岩芯Photo.5 Cylindrical core of SZK7 cobble layer

照片6 SZK11号孔卵石层圆柱状岩芯Photo.6 Cylindrical core of SZK11 cobble layer

现将初勘CZK9号孔和详勘SZK11号孔钻至同样深度(30 m)的成本做了比较(未计算运费、管理、税收等费用)，具体对比见表2。

5 使用SM植物胶和SD系列钻具的优点

5．1 明显提高钻进效率

SM植物胶具有粘度高、失水量小等特点，有良好的护壁防塌作用。护壁排粉效果较理想，且能保持孔内清洁，减少了卡钻、埋钻事故。在松散的卵石层中无需反复捞取沉淀物，大大减少了钻进的辅助时间，显著提高了钻进效率，一般可提高40%左右(见表1)。

5．2 取芯质量好

SM植物胶具有良好的护壁作用，在芯样表面形成了一层保护膜，辅以SD系列钻具，由于该钻具单动性能好，同心度好，稳定性强，使芯样保持原状结构，大大提高了岩芯采取率，见表1。

5．3 降低了劳动强度

使用常规的方法钻进松散地层，必须下多层护壁套管，起拔套管时，钻机与材料消耗大，工人劳动强度高，且易发生套管折断或脱节事故，造成人力、物力及时间的浪费。采用SM植物胶和SD系列钻具钻进，不需要完全跟管钻进，甚至可裸钻，待钻入完整基岩后再下套管，且容易起拔，这样减少了起下套管时间，降低了工人的劳动强度。