半合式单动双管钻具在破碎砂泥岩中的应用

2020-07-04李道宾黎艺明

广西水利水电 2020年3期

李道宾，黎艺明

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

乐业县那漏水库可研阶段坝址区勘探中遇到岩体结构破碎、节理密集发育的砂泥岩地层，钻进过程受机械磨蚀和冲洗液冲刷作用，岩芯采取率极低，甚至无法取芯，通过调整钻进参数和使用传统单动双管钻具效果均不理想，同时受钻孔压水试验要求制约，无法通过配置泥浆型钻井液进行钻进，只能依靠孔口返渣返水情况、钻进过程记录、钻孔电视以及声波测试等手段进行辅助勘查，给地层岩性判别和风化带划分带来极大困难。目前，钻探取芯工艺主要有单管取芯、双管取芯和三管取芯工艺，水利行业多采用单管或全封闭内管的双管取芯工艺。在极特殊地质条件、取芯率要求极高的情况下，可采用半合式单动双管取芯工艺，这种钻具除了可以防止冲洗液直接冲刷岩芯的作用外，由于内管不转动，还可以避免因钻具回转对岩芯的机械破坏，同时由于内管为打开式，岩芯节理面发育情况清晰可见，也更大程度上避免人为敲击退芯造成岩芯的二次破坏，取芯率和取芯质量大幅提高。

1 工程概况

乐业县那漏水库是一座以农村人饮供水为主、兼顾灌溉等综合利用的水利工程，设计供水人口5000 人，新增灌溉面积2100 亩，设计年供水量约为138 万m3，属小（1）型水库，Ⅳ等工程。可行性研究阶段共布置两个坝址进行比选，坝址河谷南北走向，河沟坡降较大，呈“V”～“U”型。拟选坝址区分布地层主要为三迭系下统板纳组上段（T2b3）粉砂质泥岩夹少量砂岩、三迭系下统兰木组下段（T2l1）含钙粉砂质泥岩夹少量砂岩。地层受构造影响强烈，岩体纵向劈理极发育，风化深且不均一，局部呈碎裂结构，强～弱风化岩体节理裂隙渲染严重，多夹泥，岩体完整性差（见图1）。

2 技术分析及现场试验

2.1 钻探设备及岩芯采取率低的原因分析

本次钻探采用XUL100 型地质钻机，单层岩芯管钻具在破碎砂泥岩钻进时，岩芯采取率普遍较低，一般在30%～50%，有些钻孔甚至无法取芯。通过研究分析，造成岩芯采取率低的原因主要有:

（1）岩石十分破碎，节理、裂隙密集发育，回转钻进过程受钻头磨蚀，进入岩芯管前大部分已受机械破坏。

（2）地层岩性中富含亲水矿物成分，受冲洗液冲刷作用，使岩芯被冲蚀流散。

（3）冲洗液使用不当，只能通过清水钻进，因坝址区钻孔压水试验规程有关规定，无法通过配置泥浆型钻井液有效增强对岩芯的保护。

（4）钻进参数选取不当，破碎砂泥岩地层钻进时，须严格控制泵量、转速、压力、回次进尺等钻进参数，在前期钻孔过程没有采用合理钻进参数，也是取芯率偏低的其中一个关键因素。

图1 附近同地层新建道路开挖边坡岩体情况

通过分析，在不能采用配置泥浆钻井液进行钻进的前提下，只能通过改变取芯工艺和调整合适钻进参数来提高岩芯采取率。因此，我们决定引入新型半合式单动双管钻具进行取芯，在正式施工前，为确保取芯效果和质量，开展了现场试验工作，并与其他类型取芯钻具进行对比分析。

2.2 半合式单动双管钻具结构特点及取芯原理

2.2.1 结构特点

半合式单动双管钻具设计有双级单动机构，钻具单动性能好，配有单向阀，防止冲洗液逆流堵塞装置。内管设计成内壁磨光的半合管，并取消与钻头连接的短节，减少岩芯入管阻力，高合金材料热加工成型，开合紧密，能适应各种复杂地层取芯，半合式单动双管钻具结构见图2。

图2 半合式单动双管钻具结构示意图

2.2.2 取芯原理

半合式单动双管钻具钻进时，冲洗液经双管接头的进水孔进入内、外管间的环状间隙，流至孔底冲洗孔底后再沿孔壁外环间隙返至孔口，避免了直接冲刷内管岩芯，同时具有单动功能（外管转动、内管相对不动）可避免因钻具转动造成对岩芯的机械破坏作用；提钻后退芯时内管可直接拆成两个半管，退芯时避免敲击和振动作用造成的人为二次破坏，能较好地保持岩石的原生结构形态，节理清晰可见，结构面保存完整，同时岩芯的采取率、完整度、代表性较高。

2.3 现场试验及对比分析

本次现场试验经过合理调整钻进参数（钻进压力:10～12 kN；钻机转数:400～590 r/min；泵水量:50～60 L/min），同时对单管、全封闭式双管、半合式双管3 种不同取芯工艺钻具进行取芯效果对比分析。试验结果表明，同样在破碎砂泥岩层中钻进，单管钻进，取芯困难，采取率极低，甚至无法取芯，岩芯多为碎块状或砂状（岩屑）；全封闭式双管取芯率较单管有显著提高，岩芯多为碎块状或短柱状，但受钻具结构特点限制，内管短接及岩芯卡簧部位易造成堵芯憋水，单次进尺30～50 cm 需起钻，严重影响钻进效率，耽误进度；半合式双管取芯率最高，岩芯以柱状形态保存完好，节理、裂隙清晰可见。不同取芯工艺现场试验取芯结果统计表见表1，对比分析图见图3。

表1 不同取芯工艺现场试验取芯结果统计表

图3 现场试验取芯效果对比图

通过以上试验，从技术和效率方面考虑，本工程破碎砂泥岩地层取芯首选半合式双管取芯工艺。同时根据现场半合式双管拆装耗时，为了保持钻进的连续性，减少中间工序耗时，每台机组配备两套半合式双管钻具，钻进和钻具拆装同步进行，提高钻进效率。

3 应用效果

在那漏水库坝址区勘探施工中，左、右岸共5个钻孔使用半合式单动双管钻具进行钻孔取芯，在松散的破碎砂泥岩孔段，平均岩芯采取率达95%以上，不仅满足了钻孔设计要求，还使岩芯节理、裂隙的完整性和原状性得到了较好的保持，取芯结果统计表见表2，岩芯实物照片见图4和5。

表2 那漏水库半合式单动双管钻具取芯率统计表

4 结语

乐业县那漏水库工程钻探过程中所遇砂泥岩地层较破碎，岩芯采取率低，地层地质岩性判断难度大。通过对多种取芯方法研究探索，选取半合式单动双管钻具，配合合理的钻进参数，成功解决了清水钻进中破碎砂泥岩的取芯技术难题，为地质专业提供了可靠实物资料，达到了准确判断地层地质岩性的目的，该取芯方法可在类似地层钻探中推广应用。