深厚砂砾石层钻探取芯技术探讨

欧汉森, 廖志辉, 陈 建

(湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南 长沙 410007)

深厚砂砾石层钻探取芯技术探讨

欧汉森, 廖志辉, 陈 建

(湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南 长沙 410007)

西部地区遍布深厚砂砾石、漂砾石复杂地层,是工程地质钻探工作中不可避免的一种失稳地层,普遍存在钻进成孔困难、施工工艺复杂、岩芯采取率低、取芯质量差、钻探效率低、劳动强度大、成本奇高等工程勘探施工技术难题。21世纪以来,在新疆、青海、四川等西部地区多项水利水电工程地质勘探项目实施过程中,结合国内先进的复杂地层钻探技术经验,现场采取综合钻探取芯工艺技术措施,使工程得以顺利实施。总结在深厚砂砾石、漂砾石复杂地层的钻探成孔与取芯实践中获得的技术经验,以期为同类工程地质勘探提供借鉴。

砂砾石地层;钻探工艺;取芯技术;护孔措施

在西部地区水利水电工程项目开发中,工程地质勘探工作不可避免地遇到深厚砂砾石、漂砾石复杂地层。其共同的特性是厚度普遍较大,而密实度、胶结性因地域和沉积形成的地质年代不同区别较大,但均存在胶结较差、颗粒粒径级配差、砾石质地坚硬、孔隙率大、渗透性强等问题,且原始地层平衡压力一旦被外力打破极易失稳发生垮塌,局部地区还存在多层地下承压含水层,其涌水流量与压力均较大,这些特性给工程地质勘探的实施带来极大困难[1-2]。

本文通过探讨深厚砂砾石地层钻探取芯遇到的主要问题,总结在新疆、青海、四川等局部地区实施水利水电工程地质勘探的经验和体会,以期为同类工程地质勘探提供借鉴。

1 深厚砂砾石地层钻探取芯遇到的主要问题

在水利水电开发项目工程地质勘察工作中,基于水电行业的特殊性,新、老河床的砂砾石地层是工程地质钻探不可避免的重要工作对象,其钻探工艺技术复杂,成孔、取芯与判层困难,难以获取孔内物探与水文地质等各种试验参数,深厚砂砾石地层的钻探取芯与成孔难题现阶段不同程度地困扰着工程地质与钻探操作人员。

深厚砂砾石、漂砾石地层钻探取芯工作中遇到的主要问题:

(1) 钻进取芯工艺技术复杂。深厚砂砾石地层固有的松散结构,加之夹漂砾石,孔壁严重失稳垮塌,取芯质量差,成孔难度大,为了达到设计深度并获取满足地质要求的钻探成果,需要采取泥浆、植物胶、多级配套管等多种材料综合护孔的措施[3]。

(2) 钻孔成孔结构复杂。深厚砂砾石地层钻探取芯工作,因砾石、漂砾石质地坚硬,传统的钢粒、合金回转与冲击式的钻进取芯工艺技术已不能适应此类地层应用,普遍采取金刚石(或复合片)钻头回转、液动或气动冲击回转的钻进取芯、跟管护孔技术,或者采用金刚石绳索取芯钻进技术,但在松散砂砾石、漂砾石地层钻进,成孔极为困难,难以实现大孔段裸孔钻进,而跟管钻进深度受到松散地层自然条件制约,向下钻探时客观上要求变径次数多,多层套管跟进护孔,导致钻孔结构复杂,需要大量配备各级口径的套管、钻头、扩孔器、岩芯管、辅助工具等[4-5]。

(3) 钻探效率低。深厚砂砾石地层结构松散,孔隙率大,渗透性强,孔壁易失稳垮塌,钻孔冲洗液严重漏失,一般是顶漏钻进取芯成孔,很难保证冲洗液能够返出孔口,导致细小颗粒集聚孔底,难以捞取,在这种工况条件下,孔内产生沉淀多,需要反复打捞孔内沉渣,钻头重复碾磨孔内沉淀物,导致施工过程中采取的钻探工艺技术措施复杂,钻进速度慢,易发生孔壁垮塌、超径、烧钻、埋钻、卡钻、钻杆套管折断、岩心脱落等孔内事故,因此钻探辅助工作量大,劳动强度高,作业周期长,金刚石钻探技术的优势难以正常发挥。

(4) 取芯质量难以获得保障。水利水电工程勘察项目,大多数钻孔除了必须取出钻孔芯样外,还需要根据工程实际情况在孔内实施水文试验、动力触探试验、旁压试验、物探测试、孔内摄影等各类孔内原位试验作业。采用清水钻进虽然使各种孔内原位试验得以实施,但其取芯质量与成孔质量较差;采用泥浆、植物胶等防渗护孔材料钻进,取芯与成孔质量得到了极大保障,但影响孔内原位试验成果参数的真实性。因此客观要求取芯、成孔质量与孔内原位试验必须同时兼顾,为了获取孔内各类试验真实有效的成果参数,行业规范规定了仅能采用清水作为钻孔冲洗液、套管跟进护孔的钻探取芯工艺措施,而禁止使用泥浆、植物胶等各种防渗护孔材料进行护孔,在此工况条件下,因深厚砂砾石、漂砾石地层的固有特性,孔壁在钻进过程中受到钻杆柱的撞击极易垮塌超径,且多为采取顶漏钻进、跟管护壁的工艺技术,细小颗粒不能返出孔外,造成孔底沉淀极难捞取干净,钻进时发生重复碾磨、反复打捞,原状芯样采取困难,使得清水钻进难以获取能够满足地质要求的芯样,给地层层位、颗分、成份判定带来困难。

(5) 地下承压含水层的影响。在新、老河床部位进行工程地质勘探,许多情况下会遇到一层甚至多层地下承压含水层,具有一定的涌水压力与流量,且其水温较低,对钻探取芯工艺技术的实施与施工人员现场操作带来极大的不利影响。

(6) 孔内各类原位试验的影响。针对水电工程设计特殊要求,为了获取地层更多原始物理力学、水文地质资料、地层构成的物质成分等成果参数,除了正常取芯外,还需要在松散的砂砾石、漂砾石地层内实施各种孔内原位试验作业,尽可能达到一孔多用的目的,因此,钻探过程中仅能采取清水冲洗+多级套管护壁的钻探技术措施。在此工况下,受原位试验要求的影响,孔壁难以保证稳定,根本无法实现长孔段裸孔钻进取芯,在局部孔段完成相应原位试验后,必须及时下入对应级别套管保护钻孔,然后更换钻孔口径,进行下部孔段的钻探取芯成孔作业,一级一级更换孔径、下入套管护孔,按照“钻孔→取芯→孔内原位试验→下入套管护孔→更换孔径→钻孔”的工序,循环作业直至钻孔达到设计目的终孔。

(7) 钻探成本高。众所周知,当前市场经济社会环境下,在深厚松散的砂砾石、漂砾石地层进行工程地质勘察施工,势必会遇到许多不可预见的地质条件因素、工艺技术因素与其它因素的影响,导致钻探施工投入成本大幅增加,严重降低钻探经济效益。

2 深厚砂砾石层钻探取芯工艺技术的应用

2.1 常规钻探取芯技术

在内陆地区的水利水电工程项目,河床砂砾石层一般厚度不大,粒径较小,结构松散,采用常规地质套管进行强排跟管钻探工艺技术即可完全达到工程勘探的目的并完成相关的孔内原位试验,且其工艺简单,施工速度快,材料损耗少,是一种行之有效、应用最为广泛的常规钻探取芯工艺技术,因此为全国广大地质钻探工作者所认可,但对于西部地区深厚砂砾石地层,采用单一的套管护壁工艺措施则极难满足钻探目的。

2.2 厚壁套管钻探取芯技术

在四川、青海地区的水利水电工程项目中,河床砂砾石层一般粒径较大,质地坚硬,结构松散,孔隙率大,细小颗粒普遍很少,其厚度10～30 m,地层严重失稳,普通地质套管无法跟进成孔,而且管靴易损坏、套管易折断,导致工程无法顺利实施。通过调研学习当地地勘施工技术经验,改用厚壁套管跟管钻探工艺技术,采取强夯、强挤、强排的跟管钻进技术,能够有效突破砂砾石层的成孔、取芯工艺难题,管材损耗少,极大地提高钻探效率。该工法存在劳动强度大、钻孔需要跳级缩径、施工地层深度受限等问题。

2.3 综合护孔钻探取芯技术

在新疆戈壁滩地区的砂砾石地层实施水文工程地质勘探作业,遇到的砂砾石层厚度数十—数百米不等,粒径相差极大,质地坚硬,结构较为密实,渗透性较强,易失稳,给钻探取芯及各类孔内原位试验造成极大困难。为了查清基岩真实埋藏深度,便于对工程大坝持力层作出有效处理设计方案,在工程地质勘探阶段,需要揭露工程区砂砾石地层的实际厚度,为此,对现场地质钻探工作者提出了更高的技术要求。

2.3.1 优质泥浆+套管综合护孔工艺

新疆喀什地区的某水电工程项目,坝址砂砾石层钻孔采用优质泥浆+套管护壁、普通金刚石双管回转钻进取芯工艺措施,达到孔内原位试验部位,根据试验要求不同可先作试验或先下入套管护孔,换径改用清水钻进,孔内原位试验完成后再改回泥浆+套管护孔、金刚石回转钻进工艺措施循环施工直至终孔。采用此工法首次完成了厚度达120 m的砂砾石层钻孔的钻探取芯及孔内试验工作,历时35天,为后续工程项目勘探积累了经验。其后,在克孜勒苏柯尔克孜州地区的一个水利工程项目中,也是采用此工法历时30天完成了196 m厚的砂砾石地层钻探工作。

2.3.2 清水+套管跟管护孔工艺

新疆吐鲁番地区的某水库工程项目,在坝址区砂砾石钻孔施工中,遇到多层地下承压含水层,为了获取不同埋藏深度各层承压含水层的真实参数,查明其相应渗透特性,采用清水+套管护壁、金刚石双管回转钻进工艺措施,各层含水层穿过后下入相应级配套管隔离,历时42天完成了145 m厚的含有多层地下承压水的砂砾石地层钻孔,并实施物探声波测试、动力触探、旁压试验、注水试验、涌水参数观测等各类孔内原位试验,但取芯质量较差,套管占用量大,完工后套管起拔困难,施工劳动强度高,周期较长。

2.3.3 植物胶护孔工艺

新疆吐鲁番地区相同的水库工程项目,为重点提高坝址区深厚砂砾石层取芯质量,全孔采取植物胶+套管+金刚石特殊钻具实施回转钻进工艺措施,在地下承压水条件下植物胶对钻孔护壁效果好,能够取出植物胶胶结良好的圆柱状砂砾石芯样,可实现砂砾石地层较长孔段裸眼成孔,减少套管用量,历时52天完成178 m厚的存在多层承压水的砂砾石地层钻孔。此工法回次进尺短,岩芯易发生堵塞,需要频繁起下钻,植物胶消耗量大,操作强度高,施工成本投入大,工期较长。

3 结束语

(1) 充分掌握深厚砂砾石地层工程地质勘探目的及孔内原位试验项目,认真做好钻孔结构设计,采取合理有效的钻探取芯工艺技术措施,配备满足项目地勘要求的钻探设备、器材及辅助施工材料。

(2) 钻孔开工前,全面做好现场技术交底工作,统一操作人员施工思想,避免各作业班组盲目操作,增强生产人员相互协作能力,提高钻探效益。

(3) 对于新疆戈壁滩砂砾石地层,需探索合适的水文工程地质勘探工艺技术,提高钻探技术效益,引进金刚石绳索取芯钻探设备器材,并开展配套辅助设备、钻探工艺的相关技术研究工作。

[1] 孙志峰.水利水电工程钻凿施工技术[M].长春:吉林科学技术出版社,2001.

[2] 付兵,邱太宝.深厚砂卵石层金刚石钻探施工技术和工艺[J].四川水力发电,2007,26(1):87-89.

[3] 宋宏图.SM植物胶和SD系列金刚石钻进工艺在深厚砂卵石层的应用[J].探矿工程,2008,35(3):13-15.

[4] 唐建峰.砂卵砾石河床钻探施工技术实践[J].新疆有色金属,2013(s1):25-26.

[5] 崔金海.河床砂卵石层绳索取芯钻进工艺[J].探矿工程,1997(3):12-14.

(责任编辑：陈姣霞)

Discussion on Drilling Coring Technology in Deep Gravel Stratum

OU Hansen, LIAO Zhihui, CHEN Jian

(HunanHydro&PowerDesignInstitute,Changsha,Hunan410000)

There is a complex formation composed of the deep sand gravel and boulders,in the western of China.It is an unstable stratum inevitably in geological drilling engineering,The stratum has many problems,such as difficult drilling,complicated construction technology,low core rate,poor core quality,low drilling efficiency,large labor intensity and high cost. Since 21st Century,through the practical exploration and experience summary of a number of water conservancy and hydropower engineering geological prospecting in Xinjiang,Qinghai and Sichuan.Combine with the domestic advanced technology field experience in complex strata drilling construction,at the same time,the comprehensive drilling coring technique is adopted at the site. Some experience in practice are obtained in deep sand gravel and boulders in complex strata drilling and coring technology,it can provides reference for similar engineering geological exploration.

sandy gravel formation; drilling technology; coring technology; hole protection measures

2017-06-20;改回日期:2017-07-10

欧汉森(1962-),男,高级工程师,探矿工程专业,从事水文地质、工程地质勘察、建筑物基础处理施工与技术管理工作。E-mail:505275213@qq.com

P634

A

1671-1211(2017)04-0486-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.028

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170622.1655.014.html 数字出版日期:2017-06-22 16:55