植物膠沖洗液在海洋勘察鉆進護孔中的試驗應用

許啟云，周光輝，王振紅

(1.浙江華東建設工程有限公司，浙江 杭州310030;2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州310014)

1 問題的提出

2008年開始，我們陸續(xù)開始承接海洋風電勘察項目，在當年4月初先在浙江杭州灣(慈溪海域)布置取土鉆孔5個，標貫及動探孔4個;孔深預估8個鉆孔為80 m、1個鉆孔為100 m;要求進入穩(wěn)定的持力層不應小于20 m。結果由于缺乏海上勘察經驗，采取邊下護孔套管邊取樣鉆進的辦法進行施工，某鉆孔深度超過60 m之后(另加水深18 m)，海上遇到突變天氣，在6級大風隨同涌浪、海潮等共同影響下，由于來不及起鉆，孔內146 mm套管43 m、127 mm套管67 m、50 mm鉆桿80余米，全部丟在海里。

同樣在4月份，江蘇如東洋口港近海風電場鉆孔6個，要求單孔孔深≮50 m，且進入穩(wěn)定的樁基持力層不應小于15 m;原計劃4月16日開始，至5月15日完工，結果受潮汐、海浪影響的同時，所配制的沖洗液無法達到護孔要求，膨潤土與海水攪拌混合之后，不用多久就會出現膨潤土與水分離，導致孔內坍塌不斷，致使工期整整拖延1個多月才勉強完成任務。

為克服海洋勘察鉆孔施工進度慢的狀況，組織由技術人員牽頭，著重探索如何克服海洋潮汐以及裸孔鉆進護孔技術問題(除隔水套管以外)，以滿足海洋巖土勘察施工的需要。

2 護孔失敗原因分析

對海上巖土勘察項目來說，首先需要考慮的是人機船的安全，扣除避潮、避風、避浪、避涌等等不良天氣以外，每個月真正具備鉆孔作業(yè)天氣，往往只有一個星期左右，如何使用好有限時間，爭取多完成鉆孔任務就顯得尤為重要，因為人員在船上無論是否工作，其所租賃的船費、人工費均同樣需要支付。經分析，如果想減少鉆孔施工輔助時間來提高鉆進以及取樣的純鉆時間，最有效的辦法就是依靠沖洗液來護孔。

(1)由于海上作業(yè)環(huán)境的特殊性，鉆探施工需要依靠水上平臺，而海洋風電勘察具有取樣要求高、鉆孔淺、單孔作業(yè)時間短等特點，為節(jié)省開支一般租用民用船來搭建勘探平臺，致使平臺場地面積和儲備水均受到限制。為了在一個施工期內多完成鉆孔，鉆進施工用水只能依靠海水。

(2)目前市場上的膨潤土主要分為鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、活性白土3種，最多見的是鈣基膨潤土。膨潤土礦開采時pH值在6.5以下，呈酸性;而所謂的鈉基膨潤土，它是由鈣基膨潤土通過加堿改性所得，出廠pH值一般大于9，呈堿性。

(3)由于前期對所用膨潤土缺乏認識，使用了未經改性的鈣基膨潤土，結果與海水攪拌混合之后，出現膨潤土與水分離，所配制漿液無法起到護孔目的。其原因是:海水中的鹽主要成分是NaCl，其NaCl本身和鹽中的雜質鈣鎂離子均對漿液的性能造成破壞，對一些固相泥漿性能起到破壞作用的主要是Ga2+、Mg2+、CI－、SO2－。這些離子侵入泥漿后，泥漿性能明顯的變化使粘度和切力猛增，失水量變大，產生這種變化的主要原因是Ga2+、Mg2+等與粘土表面吸附的陽離子進行交換吸附后而改變了粘土表面的性質，使粘土表面的水化膜變薄，顆粒間的引力增大，形成網狀結構或絮凝沉淀，放出大量的自由水。而如果改用鈉基膨潤土，膨潤土中的Na+更易被置換，對海水中重金屬離子和有機物的吸附性能均可以得到不同程度的改善作用。

3 護孔材料選擇

綜上分析，護孔材料選擇應遵守:(1)選擇與海水相適應的膨潤土，即鈉基膨潤土做為沖洗液，其護孔效果可以得到一定程度的改觀，其具體效果需要通過試驗取得;(2)由于不同海域土層各不相同，加上水深以及作業(yè)邊界條件不同，作業(yè)船抗風浪能力不同，因此不能依靠一種沖洗液;(3)結合江蘇、浙江等海域海底土層不同，以及我們多年在水電工程深厚覆蓋層中取原狀樣的經驗，把植物膠引用海上鉆孔中，以配制不同的沖洗液進行鉆進護孔。

為能夠結合地層配制不同的沖洗液，應考慮事項有:

護壁材料通常是由粘土(如膨潤土)或植物粉末和水以及必要的處理劑組成的分散體系，它除了能完成沖洗鉆孔的任務外，它還具有攜帶巖粉和懸浮巖粉的能力，能在孔壁上形成泥皮具有護壁堵漏的作用，而海上鉆孔護壁，由于存在一定的水深致使孔內的泥漿在壓力差的作用下，漿液中的自由水會透過土層孔隙而丟失，導致護孔漿液失水，并在失水的同時，粘土顆粒被阻滯在孔壁上形成一層泥皮，以起到保護孔壁的目的，所以配制沖洗液其密度應合適孔深以及所取土層的需要。

另外，在鉆進過程中，漿液性能會因孔內情況的變化而不斷變化，如鉆進砂層時大量細砂侵入漿液中，使含砂量增大，泥皮松散，失水量增大，不但會加速水泵易損零件的磨損，嚴重時還會發(fā)生泥皮塌落及埋鉆事故。特別是在海洋工程鉆探會因大量的海水中Ca2+、Mg2+侵入使?jié){液性能很快變壞，當漿液性能不能適應鉆進土層的需要時，如果不能及時對漿液性能加以調整，則往往會導致嚴重的孔內事故發(fā)生。

4 近海海域土層劃分

以江蘇如東洋口近海海域、浙江杭州灣海域、上海金山附近海域為例，對其勘探深度范圍內地層劃分如下。

4.1 江蘇如東洋口近海地層劃分

①2層粉砂、粉土，層厚4～10 m，局部厚度達到13 m左右;

③層粉砂，層厚10～20 m，局部厚達30 m，埋深4～10 m，局部埋深＞10 m;

④層粉質粘土，該層上部分為可塑～硬塑，局部夾薄層粉砂，性質較好，層厚1～5 m，埋深25～40 m;

⑤層粉土夾粉質粘土，松散～稍密，層厚1～8 m，埋深20～45 m;

⑥層粉砂、粉細砂，中密～密實，上部以粉砂為主，下部粉砂、細砂均有揭露，厚度幾米到幾十米不等，埋深30～50 m;

⑥層以下以粉質粘土為主，埋深在60 m以下。

4.2 杭州灣海域土層劃分

①層淤泥，新近沉積，流塑，性質很差，層厚3～5 m;

②層淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土，流塑，8～20 m，埋深3～5 m，局部夾薄層狀粉砂;

③層粉質粘土，軟塑，層厚10～25 m，局部海域為淤泥質粘性土，該層埋深15～25 m;

④層粉質粘土，上部以可塑～硬塑為主，下部以軟塑為主，含大量粉砂，局部含較多礫砂、卵礫石，杭州灣海域、舟山海域下部為中密狀粉砂;

⑤層粘性土，軟塑～硬塑。埋深一般為30～50 m，層厚10～30 m不等，層厚10～25 m不等;

⑥層以下由于埋深較大，層位主要表現為粘性土與砂性土交互出現，層厚一般較穩(wěn)定。

4.3 上海金山附近海域土層

上海金山附近海域地層與整個浙江海域有明顯不同，上部10 m以淤泥質土為主，下部主要為砂性土，厚度變化較大，部分鉆孔揭露均為砂土、粉土，厚度最大達80 m以上。

5 沖洗液配制及試用效果

5.1 沖洗液配制

植物膠沖洗液具有較好的懸浮巖屑和攜帶巖屑的能力，能在井壁上形成薄而韌的聚合物膜，有較好的護心護壁防塌和潤滑減阻作用，與含有粘土的泥漿相比，具有密度低、粘度可調、流動性好等優(yōu)點;并且在鉆進過程中由于高聚物絮凝劑對固相顆粒的自動絮凝清除，不會產生鉆屑積累，能大幅度提高孔底鉆頭的碎屑效率。為探索是否適合海洋工程勘察，改用鈉基膨潤土(鈉土)和植物膠做為配制漿液分散相，試驗泥漿配比如下。

配比一:配制純粘土泥漿，水∶鈉土=100∶(5～6)(質量比)，先把水與鈉土攪拌均勻，用pH試紙測定pH值，用燒堿(氫氧化鈉)使?jié){液pH值達到9以上，用漏斗粘度計測得粘度在25 s以上。

配比二:配制無固相泥漿，植物膠∶水=2∶100(質量比)，加入燒堿(氫氧化鈉)，加量為植物膠干粉質量的8%～10%。其制漿順序為:把計量好的水放入攪拌桶內，投入燒堿的量與水攪拌均勻，再把植物膠的量放入攪拌桶內攪拌均勻，在條件允許時浸泡4～8 h再使用，通過浸泡以后的漿液粘度可達100 s以上，pH值在9～11之間。

配比三:配制低固相泥漿，植物膠∶水∶鈉土=1∶100∶(5～6)(質量比)，加入燒堿(氫氧化鈉)，加量為植物膠干粉質量的8%～10%。其制漿順序為:先按配比二的方法把植物膠攪拌均勻，再把鈉土的量均勻加入后攪拌均勻，最后加入燒堿(氫氧化鈉)，使泥漿的pH值在9以上，在條件允許時，若能浸泡4～8 h再使用，其漿液粘度也可達100 s以上。

5.2 試用效果

由于泥漿性能測定內容較多，而野外工地不可能像實驗室一樣，把所有的漿液性能均進行測定，在鉆進過程中，通過孔內返回漿液進行檢測，一般測定密度、粘度、含砂量和pH值即可。如純粘土泥漿(配比一)，孔內回漿粘度不應低于20 s，或含砂量≯5%，或pH值≮8，均可以繼續(xù)使用;對于無固相和低固相泥漿，其孔內回漿粘度不應低于30 s，而含砂量和pH值與配比一相同。上述3種漿液配比，一旦某個指標沒有達到要求，均需要對漿液進行濃度調整。至于漿液密度，應根據所用制漿材料不同進行控制，其原則為:采用鈉土泥漿(配比一)或者配制低固相泥漿(配比三)，漿液密度一般在1.05～1.08 g/cm3之間;配制無固相泥漿(配比二)，由于植物粉末密度較輕，漿液密度一般在1.02～1.03 g/cm3之間。

通過將上述3種漿液配比分別在江蘇、浙江近海勘察鉆孔中使用并進行分析，其使用效果可歸結如下。

配比一:在江蘇如東洋口近海海域，由于土層以粉土、粉砂、粉質粘土為主，土層相對較單一，護孔套管一般下入土層在5 m左右，水深在5～15 m之間，使用鈉土泥漿，結果是泥漿很快變稀，需要定人不斷補充新鮮的漿液，也只能護孔至50 m孔深以內，孔深＞50 m之后，孔內就會出現不間斷孔壁坍塌;如果使用在浙江杭州灣近海海域，由于浙江主要以淤泥質土為主，在沒有遇到砂層情況下，可以護孔至50 m以深，但使用該配比泥漿的缺點是投入人工多，鈉土用量大。

配比二:通過近幾年在江蘇如東潮間帶至近海海域多期風電勘察鉆孔中使用，該配比能夠滿足在80 m以內的鉆孔取樣，而在浙江杭州灣海域，由于大部分屬于淤泥質粘土，鉆進過程中具有自然造漿能力，該配比在水深20 m以淺，能夠滿足孔深在100 m以淺的鉆孔取樣，但是，鉆孔有輕微縮徑現象。

配比三:不但適用上述江蘇、浙江海域，而且能夠適用在上海金山海域，該海域含砂層較厚，地質條件復雜，鉆孔容易塌孔。因為該配比泥漿吸收了上述2種護孔材料的優(yōu)點，泥漿密度相對較大，有抑制孔內坍塌的作用。其缺點是制漿工序多而且繁瑣。

隨著海上護孔材料不斷使用和探索，像近海風電類勘探深度在100 m以淺鉆孔，結合施工海域以及取樣土層不同，有針對性的選擇護壁材料，就可以達到預期效果。其經驗可歸納為:浙江杭州灣(慈溪)近海海域，建議使用無固相泥漿(配比二);江蘇如東洋口近海海域和上海金山以粉砂為主海域，從攜帶泥砂和水深對孔壁側壓影響等考慮，建議使用低固相泥漿(配比三)。

6 注意事項

(1)海上鉆探不同于陸地，受到施工場地以及泥漿排放環(huán)境要求等限制，為了使沖洗漿液能夠循環(huán)使用，在護孔套管孔口管上設置三通，從孔內返回的漿液應先經過篩網凈化過濾，然后再把它放到儲漿槽內，在鉆進過程中派專人監(jiān)測漿液變化，一旦出現漿液指標不能滿足繼續(xù)使用要求，在儲漿槽內及時補充新的護孔漿液。

(2)由于海上鉆探時間寶貴，應設置配制漿液的專職人員，以確保鉆進過程中的正常使用。一般至少配備2只漿桶，儲漿量在1 m3左右，一只做為正常鉆進循環(huán)用桶，另一只做為儲備漿液用桶。

(3)在鉆進過程中，配漿人員應按照鉆孔土層變化和深度，及時調整漿液粘度，當鉆孔深度80～100 m時，或者當遇到砂層厚度達到5 m以厚時，應及時提高漿液密度，以平衡孔壁側壓力保持孔壁穩(wěn)定，對順利通過松散、容易坍塌的地層是十分必要的。

(4)為防止護孔套管底部漏漿，在江蘇含砂粉質粘土地層，套管深入土層的深度應超過5 m，而在浙江近海，由于淤泥質土深厚且含水量高，一般護孔套管深入土層在10～13 m，以防止護孔套管底部漏漿。

7 結語

通過以上試驗分析，可以看出，用海水配置泥漿，選擇材料是關鍵。通過對3種泥漿配比的現場試驗、分析，可以得到適合海洋鉆探所需的泥漿，從而降低了海上鉆探的成本和提高了鉆探效率。使用以上所述的泥漿配置，按照目前的護孔技術，從鉆探船拋錨定位至鉆孔結束，一般可在24 h內完成。這是多年海洋鉆探施工中所積累的經驗，僅供同行單位參考借鑒。

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［3］左可勝，等.不同pH值下膨潤土懸浮液沉降性分析［J］.礦冶工程，2011，31(3).

［4］張統得，等.汶川地震斷裂帶科學鉆探項目WFSD－3孔泥漿技術的設計與應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9).

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