广西地区复杂构造应力作用下破碎地层钻探技术探究

鲁亚楠，王宇杰，王胡日查

（广东省航运规划设计院有限公司，广州510000）

1 基本地质条件

广西地处云贵高原东南缘，两广丘陵带西部。受历史上数次大规模构造运动影响，侵入岩出露种类繁多，具有范围广泛、规模大的特点。从活动的地质年代特点看，具有不间断和多期性特点。受造山运动影响，地貌变化大，其下伏地层分布上亦具极复杂、岩、土性质受变质作用影响不均、褶皱和断裂发育普遍、构造应力影响普遍存在的特点。

本项目为《2019—2023年广西高速公路规划项目前期工作》中的某段，位于桂中凹陷的断裂褶皱带。高压力、风化作用下，现场典型地层露头照片如图1、图2所示。

图1 褶曲碎裂带

图2 韧性剪切带

该工程段跨越的地貌单元主要有溶蚀丘陵、剥蚀丘陵以及冲积河谷3种主要类型，地表第四处系松散堆积物厚度较小，基岩埋深较不大，但是种类繁多。区段内分布的主要基岩类型如表1所示。

可见，区内岩性极复杂，抬升、变质、剥蚀、溶蚀、风化、冲洪积等共同作用下，造成了区内地层存在有极复杂、高应力、较破碎的特点。

表1 区段内的主要岩层类型

2 重点难点分析

利用鱼刺图分析工具对本项目钻探影响因素分析（见图3）。

图3 钻探效率影响因素分析

结合本项目工程地质条件特点分析，本区段内第四系松散堆积物覆盖层的厚度不大，主要的岩土工程勘察钻探施工难点在于岩层风化带的钻探工作。而该场地位于桂中凹陷的断裂褶皱带，基岩种类繁多，岩性差异大，分布均匀性差，构造作用影响广泛，现场调查结果和前期资料显示，高应力作用痕迹明显，受这些因素综合影响，从技术层面来看，塌孔和钻孔倾斜必然是该区域岩土工程勘察外业钻探的重点和难点[1]。

2.1 塌孔

本项目工程地质条件特点决定了破碎地层中存在着大量的黏土矿物，接触到钻孔冲洗液，在吸水后会发生水化膨胀、裂解，易发生塌孔的危险；泥质胶结类、节理裂隙等强发育的不稳定地层在钻进过程中，泥浆压力不足以平衡地层水土压力时，易出现塌孔现象；在护壁泥浆冲洗液对孔壁岩土体较长时间冲刷和浸泡后，岩土体内部的有效内聚力和有效内摩擦角会降低，也是诱发塌孔的因素之一；高内应力作用下，钻孔上部土体扰动后，孔壁的松散、破碎土体稳定性很差，易造成塌孔、掉块等现象[2]。

2.2 钻孔倾斜

由于钻探施工时杆长与杆径的比值均在100～1000，为典型柔性杆件结构，且需承担动力荷载不规律作用，使施钻作业过程中易发生钻杆弯曲和钻孔倾斜，导致钻具与钻孔侧壁摩擦力大幅增加，对起降钻具也会造成较大的困难，这不但降低钻探工效和质量，还会造成地层资料失真、原位测试得到的力学指标成果偏高、大幅加剧钻具的损耗和机械故障率等危害[3]。

地质因素方面。根据本场地基本地质条件的特殊性，岩层各向异性化明显，受构造作用影响，岩层走向变化大，岩性错断、翻转等多有发育。根据钻头咬合机理，如遇岩层走向或倾角45°及以下的硬质透镜体、构造裂隙带等情况时，钻孔以锐角从上部软质岩进入下部的硬质岩裂隙中时，小竖直角的结合面则会成为钻头顺层滑动控制面。

工艺因素方面。钻机安装时，立轴安装不当、钻机安装平整度差、没有打设孔口套管或角度倾斜，以及钻速过高、冲洗液量过大、压力过大等，也会增加钻具在施钻过程中的侧向位移[4]。

3 应对措施

1）钻机钻具使用前进行检查，确保连接可靠，性能稳定。设备安装时须稳固准确，必须在钻机拟搭设处，先行人工平整夯平后，先行铺设垫木并绑扎固定[5]。塔架天轮边、立轴中心、孔位定直测斜校验合格。

2）根据前期地质资料选择地层条件变化选用合适的钻头，并随钻进情况调整。可根据岩土层的硬度、塑性和研磨性酌情选择，以改善钻头咬合工况，原则上应选择异形唇面的圆尖齿唇面、高低刃等类钻头，对于中硬中研磨性岩层，可用半圆形唇面；对于坚硬且研磨性高的岩层，可用半圆形唇面。

硬质合金钻头一般适用于可钻性1～4级及部分7～8级的岩类，具有钻进效率高、成孔质量好、成本低、应用广泛的特点，条件具体时，宜优先采用；孕镶钻头对于复杂、破碎地层有一定的适应性，也可以采用；普通金刚石钻头有硬度极高、耐磨性好的特性，但是地层适应性一般，钻进效率一般，不适用本场地条件。复杂地质条件下施钻时，根据钻进情况及时调整钻头类型，可以有效提高钻进效率、降低不必要的损耗，节约成本[6]。

3）钻进方式宜采用冲击回转钻方式。该工艺特征在于作用时间短，接触应力瞬时可达最大值，抗滑移性好，复杂条件下碎岩效率高，比较适合本项目勘察外业客观条件。钻进时，考虑本项目易塌孔、岩土层分布情况复杂的情况，宜采取较小的进尺、较高的转速、适中的压力进行钻进。进尺可取约1.5 m为宜，根据现场钻探情况调整。

4）选择适当的泥浆配方。针对场地内破碎、强烈风化地层普遍发育的特点，泥浆循环体系应起到如下作用：能形成可靠稳定的泥皮，失水量低，韧性好，并具有一定的强度，起到一定的抗渗、防塌孔作用；泥浆冲洗液密度应大于1.05，使其具有足够的悬浮力和液柱压力，防止较高地应力作用下造成的缩径和坍塌；能够起到保护岩心的作用，以满足钻探取心的取心质量要求；具有较好的流变特性，可以实现稳定的携带、悬浮钻渣能力，并减少泥浆在循环过程中的压力损失，减轻循环过程中的压力过大波动，以及对孔壁的冲刷；能起到一定的抑制作用，以在遇到黏土矿物含量较高的地层时，可以避免因水敏膨胀从而造成缩径现象；能起到足够的润滑作用，降低钻具与岩土层间的摩擦作用，从而能够保护管材机具以减轻损耗、提高钻探效率。

考虑地质条件，可取1.1～1.2的较高密度水平以平衡破碎地层中完成部分侧壁较大的水土压力，确保孔壁稳定；适当加入一些优质的添加剂，使岩土工程勘察钻探过程中，浆液在液柱压力作用下形成较强胶结力，对破碎裂缝进行封堵。根据经验，本项目可采用6%～10%钠土+6%纯碱（黏土含量）+1.0%植物胶+10%烧碱（植物胶含量）0.6%～0.8%羧甲基纤维素钠（CMC）+1%改性腐殖酸钾（KHm）的比例进行配制。

5）开孔时，护孔套管时注意重锤低击，注意纠偏。遇到松散破碎地层时，为防止上部地层塌孔，保持上部土体稳定，稳定性特别差的区段，应同步进行跟管钻进，保障施钻顺利进行。

6）遇到溶洞时，应先确定溶洞的充填情况，填充物较少时，可以缓慢地将钻具下探至溶洞的底部，估算出溶洞的大致高度后，提升钻具并调整扶正，以稳定速度钻进浅部约1 m，再下套管进行处理，充填物较多时，应视充填物的类型和充水情况，做相似地层处理，并做好记录。溶洞钻探过程中，应特别注意泥浆漏失情况，以对溶洞大小及连通性做初步判断，为进一步的处理方案制订提供决策依据[7～9]。

4 结语

经过团队的共同努力，该项目勘察工作目前已顺利完成。广西地区的复杂地质条件决定了在该区域岩土工程勘察工作的基本面要求，以及带来的钻探施工重点难点的特殊性。作为岩土工程从业者，全面掌控岩土工程勘察的基本面——外业施工钻探技术的每个影响因素，是做好岩土工程勘察工作的基本要求，提前做好资料搜集、因地制宜地分析确定工作重点，更是作为项目负责人的必要条件。