半合式单动双管钻具在强风化花岗岩钻探中的应用

李道宾，凌 毅，潘 健

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

抽水蓄能电站工程坝址地质勘察中为了准确查明坝基岩体渗透性，要求钻探成孔时采用清水作为冲洗液，严禁使用泥浆进行护壁成孔，避免影响钻孔压水试验的准确性。某抽水蓄能电站可研阶段下水库坝址区勘探中遇到岩体风化程度剧烈、胶结性差、遇水软化易崩解的强风化花岗岩，钻进过程受机械磨蚀和清水冲刷作用，岩芯采取率极低，无法判别地层岩性和划分风化带。通过研判分析，推广应用在那漏水库坝基破碎砂泥岩试验成功的清水取芯工艺——半合式单动双管钻具取芯工艺，该取芯工艺在钻进过程中外管带动钻头切屑岩石，内管（岩心管）不动，减轻岩芯受机械磨蚀；同时冲洗液水路经内、外管间的环状间隙，避免直接冲刷岩芯，保证岩芯采取率；内管（岩心管）设计为半开式，提钻后直接拆成两个半管进行退芯，避免直立敲击退芯造成的人为二次破坏，岩芯的原生结构形态，节理面发育情况清晰可见，取芯率和取芯质量大幅提高。

1 工程概况

某抽水蓄能电站工程是国家和自治区规划的重点实施项目，具有发电与储电功能的日调节性能电站，其上下水库规划设计额定水头差546 m，计划安装4台单机容量300 MW 单级混流可逆式水泵水轮机组，总装机容量1200 MW，属Ⅰ等大（1）型工程，建成后主要承担广西电网和桂东电网的调峰、填谷、储能、调频、调相和紧急事故备用等任务。其下水库坝址河谷为宽缓不对称“U”型谷，谷底较窄，两岸岸坡地形较陡，坡度20°～30°。前期地质资料显示揭露地层主要为中生代侵入岩（γ5）中粗粒二长花岗岩，根据风化特征可分为全风化层、强风化层、弱风化层及微风化层。地层受风化作用影响强烈，强风化岩体节理裂隙极发育，胶结性差，遇水软化易崩解，呈碎裂结构，多为铁质渲染，极少部分泥质充填，岩体完整性差（如图1）。

图1 附近强风化花岗岩出露情况

2 适用性分析

经整理分析上一阶段钻孔资料，其钻探设备为150型岩芯钻机，采用单层岩芯管钻具工艺时，强风化花岗岩岩芯采取率一般在10%-30%左右，岩芯多呈砂状（岩屑）或碎块状，与那漏水库坝基破碎砂泥岩岩芯采取率低的共性问题主要有：

（1）强风化花岗岩受风化作用影响强烈，节理裂隙极发育造成岩体破碎，钻头切屑时已机械破坏，进入岩芯管后，高速转动的单层岩芯管对管内岩芯有扰动，造成岩芯二次磨损；

（2）强风化花岗岩受风化作用影响，矿物间胶结性变差、遇水软化易崩解，单层岩芯管内冲洗液直接冲刷岩芯，使岩芯被冲蚀流散；

（3）因坝址区需通过钻孔压水试验准确查明坝基岩体渗透性要求，无法利用泥浆的增粘润滑减震作用有效增强对岩芯的保护作用。

综合上述，在不用泥浆只用清水进行钻进的前提下，可推广应用那漏水库坝基破碎砂泥岩的清水取芯工艺——半合式单动双管钻具取芯工艺，并开展现场试验工作验证其适用性。

3 现场验证

本次现场验证选取在前一阶段强风化花岗岩岩芯采取率低的钻孔XZK106附近布置的本阶段钻孔XZK203 作为验证孔。验证显示，采用半合式单动双管钻具取芯工艺后，XZK203 强风化花岗岩层孔段12.0～19.0 m 的岩芯平均采取率达到71.4%，岩芯多呈柱状夹碎块状，且岩芯的原生结构形态，节理面发育情况清晰可见；对比原单管钻具取芯工艺的碎块状或砂状（岩屑）岩芯，岩芯采取率和取芯质量有了极大的提高。岩芯采取率对比详见表1，岩芯实物照片见图2、图3。

表1 岩芯采取率对比表

图2 单管钻具强风化花岗岩取芯效果

图3 半合管钻具强风化花岗岩取芯效果

4 推广效果

在后续的地质勘探过程中，下水库坝址左、右岸共有6个钻孔揭露节理裂隙极发育的强风化花岗岩，并推广应用了半合式单动双管钻具取芯工艺，统计结果显示，各钻孔的强风化花岗岩孔段平均岩芯采取率达60%以上，满足了钻孔设计要求，同时基本保持了强风化花岗岩岩体的原岩结构，可直观判断岩体的风化程度、节理裂隙发育程度等。岩芯采取率统计详见表2，半合式钻具岩芯退芯照片见图4。

表2 半合式单动双管钻具取芯工艺岩芯采取率统计表

图4 强风化花岗岩取芯效果（XZK203孔17.0-19.0 m回次岩芯）

5 结语

工程区内花岗岩岩体风化差异性较大，球状风化明显，强风化岩体节理裂隙发育，岩体矿物间的胶结力弱，岩体完整性差，造成采用单管钻具取芯工艺时岩芯采取率极低，对岩体风化界线的判断难度极大。通过相似工程案例对比分析，推广应用那漏水库坝基破碎砂泥岩清水取芯工艺——半合式单动双管钻具取芯工艺，解决了强风化花岗岩地层清水钻进岩芯采取率低的问题，保证了地质专业能准确判别地层岩性和划分风化带。