南水北调中线工程勘察砂卵石层钻探护壁工艺分析

□郭晓东

1.引言及概况

南水北调中线工程是一项跨流域的特大型调水工程，是优化我国水资源配置的战略性基础设施，工程实施后可有效缓解京津及华北地区的缺水状况，改善区域生态环境，支撑该地区国民经济发展，南水北调中线工程自丹江口水库引水，进入河北后大致沿太行山东麓和京广铁路西侧北行。沿途穿越多条大中小型河流，穿越位置多位于山前地带，揭露岩性以砂卵石层为主。

砂卵石主要由砂土和卵砾石组成，勘察深度范围内多为第四系全新统冲洪积层。

2.钻探护壁工艺分析

现以沙河倒虹吸勘察钻探金刚石钻头钻进为例，以清水钻进、泥浆护壁钻进、SM植物胶护壁钻进等3种钻探护壁工艺进行护壁工艺分析。沙河表层砂卵石地层年代较新、松散，在钻进过程中，形成的钻孔破坏了原状土的受力平衡，孔壁面土体在土体压力和孔隙水压力作用下向孔内崩塌、滑落。

2.1 清水钻进

沙河内有上游选矿水径流，钻探过程中无清水运距问题，可就近取水。清水钻进过程中因砂卵石层松散，渗透系数大，孔口返水少或不返水，无水压和粘聚力。钻进过程中塌孔、埋钻等孔故频繁发生。钻孔完成时间长、成孔困难、取芯率低，不能取出原级配岩芯，按照岩芯分辨地层困难，钻孔质量差。

2.2 泥浆护壁钻进

泥浆主要由水、膨润土和火碱组成。泥浆护壁作用主要表现在两方面：一是泥浆的液态静压力可以抵减作用在孔壁上的土压力和孔隙水压力，并防止地下水进入孔内。二是隔水膜的形成要求土体具有一定的渗透性，否则很难在孔壁上形成隔水膜，而砂卵石层具有渗透性。泥浆在液压作用下侵入砂卵石空隙中，泥浆中的水流走，而泥浆中的细小土颗粒则填补在砂卵石空隙中，同时泥浆凝胶体粘附在细小土颗粒上，固定了土颗粒的相对位置，泥浆的继续渗透使泥浆中的细小颗粒逐渐向砂卵石的深层空隙填充，从而堵塞水道，形成了隔水膜。细小颗粒的填充使孔壁周围形成了较稳定的土层，维持了孔壁的稳定。要达到护壁好的效果，必然增加泥浆的稠度，浓稠泥浆分离了卵石间的充填物，从而导致取芯不完全，取出的岩心多为大块卵石，对卵石内的充填物和夹层等不能真实反映，且采芯率很难满足地质要求。

2.3 SM植物胶护壁钻进

SM植物胶是由多年生草本植物直根加工而成，多呈黄褐色、棕红色，主要成分含多糖类半乳聚糖、甘露聚糖等。它可以以任意比例溶解于水，制成无固相或低固相冲洗液。植物胶浆液主要由水、植物胶、膨润土和火碱组成。SM植物胶护壁钻经常与SD金刚石钻具配合使用钻进。SM植物胶浆液加膨润土后护壁原理与泥浆护壁原理相同，而其具有粘度高、失水量小等特点，护壁效果更优于泥浆，更能减少卡钻、埋钻事故，在钻进过程中无需反复捞取孔内余芯，提高了钻进效率，减少了钻进时间。SM植物胶润滑性能好，阻力小，从而功率消耗低，减少钻机与钻具的磨损，辅以SD金刚石钻具（单动性能好、同心度好、稳定性强）钻进，能使岩心保持原状结构，大大提高了岩芯采取率，且能保持孔内清洁，所做原位试验数据准确可靠。能真实反映出地层情况，满足了地质要求。

3.结束语

清水钻进成本低，钻孔完成时间长，取芯差，不能真实反映地层情况；泥浆护壁钻进成本稍高，钻孔完成时间较短，取芯较差，不能完全真实反映地层情况；SM植物胶护壁钻进成本高，钻孔完成时间短，取芯完整，能完全反映地层情况。以上3种钻探护壁工艺方式应根据不同的成孔质量和地质要求采取相应的护壁方式。见表1。以达到节约成本，创造效益之目的。□

表1 3种护壁钻探工艺综合对比表