地质岩心钻探高压旋喷水泥浆护壁技术的研究与应用

吴灿辉

(福建省闽南地质大队，漳州，363000 )

1 概述

高压喷射注浆技术是从单管旋喷法CCP工法的基础上发展起来的一种新型改良土壤、加固土层的施工方法。我国从20世纪70年代末开始引进旋喷成桩技术，经过30多年的应用研究和实践取得了长足的发展和提高[1-4]。

当前，地质岩心钻探的护壁方法主要有下入套管、常规灌注水泥和冲洗液循环护壁等3种方法，但是在深部复杂地层要实现孔壁稳定，下入套管常受到成本过高和钻孔口径等条件的约束，而且深部复杂地层扩孔更易引发孔内事故。因此，对于地质岩心钻探解决深部复杂地层的护壁难题，必须有一套经济合理、技术可行的施工方法。

在开展福建深部矿体勘查钻探技术工艺方法优化及应用和创建国土资源部马坑铁矿——福建龙岩野外基地的过程中，福建省地矿局钻探技术管理人员创造性地将高压喷射注浆技术引入小口径地质岩心钻探的施工中，形成了高压旋喷水泥浆护壁技术[5]。高压旋喷水泥浆护壁技术吸收高压旋喷加固软土地基的精髓[6]，把这项地基处理技术运用于深孔岩心钻探护壁堵漏，通过钻具的研制和工艺的研究，以高压旋喷水泥浆的方式，解决了常规护壁方法不能胜任的深部“断层泥”护壁难题。

在前期系统调查分析地质岩心钻探复杂地层的分类和其易引发的孔内事故，在总结分析高压旋喷水泥浆护壁技术的基础上，通过制定相应的对策，加工制造新型注浆钻具，对水泥浆液进行优化，对高压旋喷水泥浆护壁技术进行综合研究，规范工艺流程参数和基础试验参数，正确评估旋喷形成的水泥固结体直径及其强度，应能满足后续的钻探施工护壁需求。在多个矿区对其进行生产试验，根据不同地层形成对应解决措施，提高了深孔复杂地层水泥浆灌注后孔壁的稳定性。

2 高压旋喷水泥浆护壁技术工艺流程

高压旋喷水泥浆护壁技术工艺流程是旋喷技术的重要组成部分，通过前期试验，形成了一套较为成熟的工艺流程,主要工艺流程为确定护壁孔段→组装旋喷钻具→下入旋喷钻具→配置护壁浆液→压浆旋喷提升→提出旋喷钻具→清洗旋喷钻具→候凝、扫水泥。

根据孔内坍塌情况，选择主要的孔段进行旋喷，计算好孔深。钻具组装下钻前，应进行地面试喷。护壁孔段较深时，为避免下钻过程中发生喷嘴堵塞，试喷正常后可用胶带把喷嘴封上。

下旋喷钻具要轻、慢，防止刮塌孔壁。下钻遇坍塌孔段，可泵送泥浆或清水用合金钻头扫穿。水泥浆水灰比一般选用0.40～0.50。根据灌注孔段深度、灌注方法和工艺选择适当的可灌期。浆液过滤装置：在搅拌机与储料箱之间和高压注浆泵的吸水管进口各设一道过滤网，用来过滤浆液，并及时清理残渣。滤网网格应小于喷嘴直径，一般为3 mm×3 mm。注浆时，注浆参数(压力、流量)达到规定值并稳定后，喷嘴从严重坍塌孔段下方按喷射技术参数要求，留置旋转喷浆1～3 min，再由下向上缓慢旋转、提升喷射水泥浆，使欲固结护壁孔段充满水泥浆。

候凝时间以36～72 h为宜。实践表明，候凝时间过短，水泥与孔壁的固结体会因强度过小而受到破坏，失去堵漏或护壁的作用；候凝时间过长，水泥强度较高，易在松软孔段扫出新孔[7，8]。

3 基础参数研究试验

高压旋喷水泥浆的固化机理包括2个方面,一方面喷射浆体对坍塌孔壁加固硬化,另一方面水泥浆与孔内岩石碎屑形成复合体。运用高压旋喷水泥浆护壁技术工艺方法，在钻杆下端安装特殊侧向高压喷嘴，从欲护壁孔段底部开始，由下往上边泵送高压水泥浆边慢速旋转和提升钻杆。压力浆液从喷嘴中高速喷出，以巨大的冲击力破坏孔壁松散岩土体的同时，由于喷嘴的旋转使浆液与从岩土体上崩落下来的颗粒(包括部分已坍塌物)搅拌混合或完全充填垮塌超径形成的空间，并经过一定时间的凝固形成似圆柱状的固结体。达到一定强度后下钻扫水泥，即形成可靠、有效的“护壁水泥套管”。因此，水泥浆的喷射能力和后期形成固结体的强度决定了水泥孔壁的稳定性，应开展相应的试验进行定量分析。

3.1 地表旋喷能力试验

3.1.1 试验设计

为了测试在当前设备和钻具条件下的旋喷能力，在地表对旋喷半径进行了试验测量。设备为XY-5型钻机、BW250型泥浆泵、泥浆搅拌机等。旋喷钻具采用4个喷嘴等圆分布(钻具受力均匀且浆液压力适宜)，喷嘴直径为5 mm，不带合金钻头。

3.1.2 试验过程

采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，加入适量氯化钠-三乙醇胺复合早强剂，浆液密度控制在1.6 g/cm3。浆液在抽吸前先经过3 mm×3 mm网格过滤。旋喷浆液流通通道：容器→BW250型泥浆泵→高压水龙头→主动钻杆→钻杆→旋喷钻具。

3.1.3 结果与分析

通过试验测得，旋喷桩的半径在地面可以达到5 m。具体参数如表1所示。

表1 地面旋喷试验参数

浆液在土体中切割与在空气中喷射，在土体中的喷射直径约为空气中的0.075。在相同浆液条件下，在土体中的旋喷直径约为375 mm。在一定深度的孔段进行旋喷，由于沿程压力损失和钻杆密封较差引起的浆液泄漏，旋喷直径会相应缩减。而矿山钻探终孔口径通常为75 mm，通过再次钻进，旋喷形成的水泥固结体最终会形成壁厚不小于100 mm的似圆筒状孔壁形成稳定的孔壁，满足钻探施工的技术要求。

3.2 水泥固结体强度试验

3.2.1 试验设计

对于钻孔施工来说，初凝时间决定了扫孔的最早时间，终凝时间及其中后期的强度与钻孔灌注的水泥孔壁的稳定性密切相关。应选择初凝时间短、早期强度大、终凝强度大的水泥浆配方。该次试验选定同时掺0.5%氯化钠与0.02%三乙醇胺的水泥浆配方，该组水泥浆配方3 d的抗压强度可以达到40 MPa,28 d的抗压强度可超过60 MPa，基本符合钻孔施工的要求[9]。

为了更好地评估水泥浆的配方，将孔内可能出现的碎屑物简化分为3大类：小石子、粗砂、土。其中水泥的添加剂氯化钠掺量为0.5%，三乙醇胺掺量为0.02%。

使用仪器为电子天平JA2003N、普通天平、量杯、搅拌桶。材料为普通硅酸盐水泥P.O 42.5、氯化钠、三乙醇胺。

3.2.2 试验过程

将不同水灰比的水泥浆分别与3种碎屑物混合搅拌，制得3组9个不同的水泥固结体标准方块，凝固72 h后送检，试验参数及抗压强度如表2所示，抗压强度能满足要求。

表2 水泥固结体抗压试验

3.2.3 结果与分析

一定程度的降低水灰比，有利于固结体抗压强度的提高；在风化的土体里，水泥的固结体强度远远低于在砂层或碎石层。水泥灌注形成的孔壁强度较低，只能作为临时的护壁方法，如条件允许，应下入套管；在石子和砂的混合地层中，固结体的抗压强度远远大于含有土的混合地层。

4 工程应用试验分析

在进行高压旋喷水泥浆护壁技术的综合研究与工程试验的过程中，应不断提高该工艺方法对不同类型复杂地层处理能力的认识。前期在马坑矿区开展了深孔泥岩破碎地层试验和深孔坚硬破碎地层试验，为了深入了解该工艺方法的适宜地层和典型技术特征，选择了石灰岩溶洞地层为主的永定乌石下矿区和页岩断层破碎为主的贵州省开阳磷矿洋水矿区，对7个钻孔开展试验研究，笔者选取较为典型的钻孔进行阐述。

4.1 福建永定乌石下矿区试验

4.1.1 钻孔基本情况

福建永定乌石下矿区ZK301设计孔深100 m，终孔孔深96.69 m。

孔内地层主要为石灰岩，夹多层溶洞，溶洞内有泥状填充物，钻孔分层岩性特征如(表3)所示，钻孔水位较低，该钻孔69～81 m段岩心(74.34～69 m溶洞)如图1所示。

表3 ZK301分层岩性

4.1.2 高压旋喷作业基本情况

(1)设备：XY-2型钻机、BW250型泥浆泵、泥浆搅拌机等。

(2)护壁材料：采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化钠与0.02%三乙醇胺的复合早强剂，浆液密度1.6 g/mm3。

(3)旋喷钻具组合：φ75绳索钻杆+带合金刮刀喷具(喷具喷嘴3个)。

(4)下入孔内预定位置后，先进行扫孔，扫至孔底后，送水畅通，替入一定清水后开始送浆。

(5)压送水泥浆及替水量旋喷。当浆液自喷嘴喷射时，开动钻机，进行旋喷作业，直至浆液、替水压送完毕。

(6)注浆完毕，把钻杆提起一立根后，清洗钻杆，提钻。

(7)注浆24 h后探水泥面，48 h后扫孔。

4.1.3 护壁效果

能在设定孔段之上碰到水泥面，证明水泥多次灌注有效；扫孔取出的水泥心样混有孔壁塌落物，74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心如(图2)所示，ZK301中水泥心强度较低，填充物呈粒状较为均匀地分布在水泥心样中，固住填充物的孔段后，该钻孔顺利终孔。

图1 ZK301中69～81 m岩心(74.34～69 m溶洞)Fig.1 The drill cores of 69-81 m ZK301 (74.34-69 m karst cave)

图2 ZK301中74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心Fig.2 The drill cores of karst cave section of 74.34-96.69 m ZK301

4.2 贵州省开阳磷矿洋水矿区试验

4.2.1 矿区基本情况

该矿区主要地层岩性特征如表4所示。

表4贵州省开阳磷矿洋水矿区分层岩性特征

Table4StratifiedlithologycharacteristicsinYangshuiminingareaofKaiyangphosphatemine,Guizhouprovince

序号孔段(m)岩 性10～30第四系覆土230～500多为灰色页岩夹灰色薄层砂岩3500～1 000多为灰色白云岩

该矿区主要施工难点是存在断层破碎带，断层埋藏深，同一钻孔出现多层断层，层厚不一，少则2～3 m，多则超过10 m，常处于孔深500～900 m。断层的角砾成分为磷块岩及白云岩，砾径1～5 mm，钙质胶结或泥质胶结，节理发育，呈网状，岩心破碎，呈碎块状、碎屑状。

4.2.2 高压旋喷作业基本情况

(1)设备：XY-5型钻机、BW250型泥浆泵、泥浆搅拌机等。

(2)护壁材料：采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化钠与0.02%三乙醇胺的复合早强剂，浆液密度1.6 g/mm3。

(3)旋喷钻具组合：φ75绳索钻杆+φ50内丝钻杆 +带合金刮刀喷具(喷具喷嘴3个)。若需灌注的孔段比较长，则下入φ50内丝钻杆的米数为处理孔段的2倍，普通情况下入10 m左右。

(4)按高压旋喷工艺流程灌注水泥浆液。

(5)注浆24 h后探水泥面，48 h后扫孔。

4.2.3 护壁效果

(1)ZK303护壁效果

ZK303岩性特征如表5所示。

表5 ZK303断层岩性特征

该钻孔在孔深846 m后遇到破碎带，裂隙发育，部分岩心呈颗粒和粉碎状，难采取(图3)。长孔段的破碎岩层易造成钻效低，卡钻事故频繁，工人劳动强度大。为防止卡钻等事故的发生，在破碎带孔段多次进行旋喷水泥浆护壁，且护壁效果理想(图4)，随后采用少打多提的方法提高岩心采取率，顺利钻至终孔。

图3 ZK303中891.21～898.21 m岩心Fig.3 The drill cores of 891.21-898.21 m ZK303

图4 ZK303中891～898m水泥心Fig.4 The drill cores of 891-898 m ZK303

(2)ZK2+200-1护壁效果

ZK2+200-1岩性特征如表6所示。

表6 ZK2+200-1断层岩性特征

孔深190～299.90 m泵送水泥浆后提钻，水泥浆随涌水升至孔口，无法护壁，扩孔至299.9 m下入φ89套管。

在595～612 m孔段多次灌注水泥浆，由于此孔段位于含水层，旋喷水泥浆凝结效果差，607.90～615.35 m孔段岩心如图5所示，于605～610 m孔段始终未能形成良好护壁，ZK2+200-1中600～620 m处水泥心如图6所示。

图5 ZK2+200-1中607.90～615.35 m岩心Fig.5 The drill cores of ZK2+200-1 607.90-615.35 m

图6 ZK2+200-1中600～620 m处水泥心Fig.6 The drill cores of ZK2+200-1 600-620 m

采用水泥浆护壁钻进至703 m，孔内坍塌，就地将φ72钻杆当作套管使用，换φ56钻具钻至终孔。由于595～612 m孔段为含水层，水泥浆液初凝前无法留存时，难以形成有效的固结体，无法达到护壁的目的。因此，当可以确认部分孔段为含水层，并且具有一定的流动性时，应采取其他有效的方式钻进。

4.3 试验总结分析

(1)通过2个矿区多个钻孔的生产试验，发现旋喷水泥浆护壁的工艺方法、操作步骤与注意事项与灌注水泥浆护壁基本相同，但却能取得比灌注水泥浆更好更可靠的护壁效果，并在灌注水泥浆无法解决的已严重超径孔段、溶洞地层等获得成功护壁[10]，主要是高压浆液从慢转、缓提的钻具侧向高速喷出，使浆液不仅具有很大的冲击破土、渗入裂隙的能力，充分置换泥浆和充填超径、溶洞空间，并与旋喷段孔内的岩土颗粒搅拌混合。

(2)旋喷水泥浆护壁技术原则上需要孔内有一定的颗粒做为骨架基础，并且孔内的液体留存环境相对稳定。该技术具有一定的局限性，操作相对复杂，对于浆液的固相颗粒的粒径控制要求严苛。在较大的开放性溶洞岩隙(无填充物或填充物较少)，当水泥浆液初凝前无法留存时，难以形成有效的固结体，无法达到护壁的目的。

5 结语

(1)高压旋喷水泥浆护壁技术是一项综合性的工艺技术，适用于泥岩、页岩、断层破碎带、有一定填充物一定空间约束的溶洞和花岗岩裂隙发育破碎地层等多种深孔复杂地层。这项技术提高了深孔复杂地层水泥浆灌注后孔壁的稳定性，提供了新的护壁技术思路和方法，成功的将桩基础施工的旋喷技术通过消化吸收转化为在矿山小口径钻探施工得以应用的护壁技术方法，具有开创性。

(2)高压旋喷水泥浆护壁技术每一个环节都要做好。旋喷钻具要按照钻孔尺寸加工，合理选择喷嘴的数量；要对孔内情况进行预判，确保钻具能到达预定孔段，若不能，则孔内的护壁堵漏应采取相应的措施；钻杆柱和地面的设备要清洗干净，拧紧接头处；要对一定配比的水泥浆液充分搅拌，并按照喷嘴的大小选择过滤网进行过滤；机台作业要连贯，熟练掌握灌注水泥浆的替浆，注意埋管深度；复喷要关注水泵压力表和负荷，确保不出孔内事故；灌注完水泥浆后要及时替浆，并清洗钻杆，保持孔内压力平衡。

本文承蒙两位同行专家的悉心指导和审阅，并指出宝贵的修改意见，在此表示衷心的感谢！