荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程鉆探實(shí)踐與技術(shù)探討

李會(huì)中，謝實(shí)宇，戴斯文，肖云華，焦新發(fā)

(長江三峽勘測(cè)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

1 概述

荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程位于荊州市公安縣境內(nèi)，地處長江中下游枝城—石首河段之荊江段，河床地面黃海高程5～20 m，擬采用定向鉆穿越長江河道與荊南長江干堤，穿越段水平全長1 800 m，穿越深度200 余米。

經(jīng)查閱相關(guān)地質(zhì)資料［1］，該河段河床覆蓋層深厚，最大厚度達(dá)130 m 以上，屬于第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)的河湖相沉積，具二元結(jié)構(gòu)——上部為粘性土和砂性土，厚約50～70 m;下部為砂卵石，厚約60～80 m，卵石含量50%～60%，磨圓度高，主要成分為石英巖和石英砂巖，少量為巖漿巖，粒徑一般＜8 cm;下伏基巖為砂礫巖及泥巖，屬半成巖。

本工程地質(zhì)勘察共布鉆孔7 個(gè)，其中水上3 個(gè)，如圖1。鉆探工作實(shí)施過程中，鉆遇砂卵石層厚度一般約40～80 m(平均厚度約60 m)，不僅鉆進(jìn)十分困難，而且鉆頭、巖芯管等消耗極大，鉆探工作一度陷入困境;下伏砂礫巖、泥巖巖性軟弱、易破碎，難以取得符合地質(zhì)與試驗(yàn)要求的芯樣［2，3］。為此，本院結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，專門組織了鉆探技術(shù)攻關(guān)，并取得了良好效果。

圖1 江陵長江穿越工程勘探布置示意圖Fig.1 Diagram showing the layout for geological investigation of Jiangling crossing project under the Yangtze River

2 鉆遇難題

2.1 砂卵石層鉆進(jìn)困難

在順利完成岸邊JDZK02#和JDZK06#鉆探作業(yè)后，基于兩孔揭露砂卵石層厚度小、粒徑細(xì)之情況，初步估計(jì)水上鉆孔JDZK03#鉆進(jìn)難度一般，穿過該砂卵石層較易，而采取同岸邊孔類似鉆頭和鉆探工藝，但在鉆探過程中卻發(fā)現(xiàn)JDZ03#與岸邊JDZK02#、JDZK06#兩孔情況存在明顯差別，主要體現(xiàn)在河床砂卵石層厚度大(達(dá)86.74 m)、粒徑粗(卵石含量高，最大粒徑有600 mm)、級(jí)配較好(卵石骨架中填充礫石、粗砂、細(xì)砂)、結(jié)構(gòu)密實(shí)等方面。正是由于對(duì)水上鉆探地質(zhì)條件、作業(yè)難度的估計(jì)不足，導(dǎo)致了水上鉆探進(jìn)度緩慢、鉆具消耗大。鉆進(jìn)過程中先后使用了普通金剛石鉆頭、合金鉆頭等多種鉆頭作業(yè)，其基本情況如下:

2.1.1 普通金剛石鉆頭

普通金剛石鉆頭為切削刃，屬一體式，整個(gè)鉆頭沒有活動(dòng)零部件，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，具有高強(qiáng)度、高耐磨和抗沖擊能力，該類鉆頭在軟—中硬地層中鉆進(jìn)時(shí)，有速度快、進(jìn)尺多、壽命長、工作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。但因砂卵石層屬散體結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)不如巖層結(jié)構(gòu)完整，一經(jīng)擾動(dòng)原有骨架結(jié)構(gòu)將遭受破壞，從而導(dǎo)致鉆進(jìn)緩慢、鉆頭磨損嚴(yán)重等問題，究其原因有二:

(1)部分卵石粒徑與鉆頭直徑相差不大，卵石在鉆頭內(nèi)與鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，鉆頭不能吃入砂卵石層，鉆頭刃口金剛石顆粒不能有效作用于卵石層上，致使鉆頭作用部分失效、鉆進(jìn)速度慢;

(2)砂卵石層結(jié)構(gòu)被擾動(dòng)破壞后，一方面卵石與鉆頭之間的磕碰可能碰掉刃口金剛石，另一方面鉆頭與卵礫石之間的接觸面加大，且卵礫石硬度高，致使刃口金剛石磨損快、鉆頭側(cè)壁磨損嚴(yán)重。

由此可見，普通金剛石鉆頭能用于該砂卵石層鉆進(jìn)，但鉆頭磨損嚴(yán)重(如圖2)、廢棄率較高，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況統(tǒng)計(jì)，一個(gè)普通金剛石鉆頭僅能完成進(jìn)尺2～4 m，鉆探成本較高。

圖2 普通金剛石鉆頭磨損情況Fig.2 The wear of common diamond drilling bit

2.1.2 合金鉆頭

岸邊鉆孔作業(yè)過程中，部分卵礫石含量較低且以粗砂、細(xì)砂為主地段，采用了合金鉆頭鉆進(jìn)，鉆頭磨損較輕，可滿足鉆探要求;但水上鉆探試用了多個(gè)合金鉆頭，鉆進(jìn)過程中不時(shí)出現(xiàn)打滑、別機(jī)等現(xiàn)象，即使加大鉆壓與鉆速，鉆進(jìn)不到2 m 鉆頭磨損非常嚴(yán)重(如圖3)。

圖3 合金鉆頭磨損情況Fig.3 The wear of alloy drilling bit

由此看來，合金鉆頭不適用于該砂卵石層鉆進(jìn)，究其原因主要是因?yàn)樗香@孔所遇地層卵石含量高、粒徑大，部分卵石粒徑大于鉆頭直徑且卵石成分主要為硬度較高的石英巖，合金鉆頭硬度不滿足鉆遇地質(zhì)條件要求。

2.2 砂礫巖、泥巖取樣不易

盡可能獲取擾動(dòng)輕微或未擾動(dòng)、符合地質(zhì)與試驗(yàn)要求的巖土樣本是工程地質(zhì)勘察對(duì)鉆探工作的基本要求，因本工程擬在基巖中穿越，故鉆探工作對(duì)覆蓋層而言主要是快速通過，而對(duì)基巖而言則要確保取芯質(zhì)量。

工程區(qū)下伏基巖為半成巖之砂礫巖、泥巖，巖石膠結(jié)差、強(qiáng)度低、易破碎，一般的取樣手段很難獲得較完整的樣本，如圖4 是采用常規(guī)取樣手段取出的樣本。因此，在鉆穿砂卵石層后，如何獲得符合地質(zhì)與試驗(yàn)要求的芯樣就成為本工程鉆探工作所要解決的難題之一。

圖4 常規(guī)手段巖石樣本采取情況Fig.4 Rock samples attained by the conventional means

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 采用新型加強(qiáng)型復(fù)合片鉆頭

為了克服普通金剛石鉆頭、合金鉆頭缺陷，提高鉆探效率、降低生產(chǎn)成本，后期水上鉆探工作中試用了新型加強(qiáng)型復(fù)合片鉆頭(如圖5)，實(shí)踐證實(shí)這種新型鉆頭能夠較好地適用于本工程地質(zhì)條件，取得了良好效果。

圖5 加強(qiáng)型復(fù)合片鉆頭Fig.5 The reinforced composite drill bit

新型加強(qiáng)型復(fù)合片鉆頭與普通金剛石鉆頭的區(qū)別在于鉆頭前端的切削體:普通金剛石鉆頭前端切削體為孕鑲金剛石顆粒，靠高速研磨巖體鉆進(jìn)，而復(fù)合片鉆頭前段切削體為超高強(qiáng)度圓形合金片，這種結(jié)構(gòu)上的改變可以減少對(duì)砂卵石結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，降低切削體和卵礫石之間的磕碰、摩擦，降低嵌入金剛石顆粒之前摩擦帶來的磨損，大大提高鉆頭的耐用性，有效節(jié)約成本，同時(shí)在鉆頭內(nèi)外側(cè)加上加強(qiáng)片也起到了二次研磨保徑擴(kuò)徑的作用。

3.2 自主研制專用取樣器

針對(duì)膠結(jié)差、強(qiáng)度低的半成巖——砂礫巖和泥巖，鉆探技術(shù)人員集思廣益，利用現(xiàn)場(chǎng)材料專門研制了一個(gè)重力式無擾動(dòng)原狀樣取樣器，如圖6。

圖6 專用取樣器示意圖Fig.6 The dedicated sampler

該取樣器主要由異徑接頭、排水孔、取樣管、取樣鉆頭四部分組成。異徑接頭既可以連接鉆桿使整個(gè)取樣器作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又可以上接重力擊錘進(jìn)行貫入作業(yè);排水孔的作用是保證整個(gè)取樣器在重力貫入過程中取樣器內(nèi)部沖洗液可以順利排出以免造成樣本上下壓差過大損傷樣本;取樣管的作用是保證樣本在管內(nèi)無擾動(dòng)或輕微擾動(dòng);取樣鉆頭是由高強(qiáng)度合金鋼加工而成，前端經(jīng)過特殊打磨和淬火以便貫入軟巖中。

取樣過程如下:當(dāng)鉆進(jìn)到取樣層段時(shí)，提起鉆具拆下巖芯管，換上專用取樣器，上端接上動(dòng)力觸探試驗(yàn)設(shè)備，然后下至孔底，再用重力錘擊打取樣器一直到鉆桿出現(xiàn)反彈，取下打錘開動(dòng)鉆機(jī)干燒一小段再提鉆取出樣品，圖7 即為現(xiàn)場(chǎng)所取一段原狀樣本。

圖7 專用取樣器獲取的原狀樣Fig.7 The original core obtained by dedicated sampler

4 結(jié)語

(1)荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，河床砂卵石層物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特殊、鉆進(jìn)困難、成本較高，下伏砂礫巖、泥巖屬半成巖、取原狀芯樣難，均是一度困擾鉆探人員的技術(shù)難題。

(2)本院鉆探技術(shù)人員針對(duì)上述情況，結(jié)合既往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)真分析研究，深入探索實(shí)踐，采用加強(qiáng)型復(fù)合片鉆頭，優(yōu)化配套鉆探工藝，保證了砂卵石層鉆進(jìn)過程中孔壁穩(wěn)定，避免了卡埋鉆情況，減少了鉆頭和鉆具的磨損消耗，有效降低了勘探成本，大幅提高了鉆探效率(單個(gè)鉆頭鉆進(jìn)可達(dá)10 m 以上);同時(shí)利用既有材料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件自主研制了重力式無擾動(dòng)原狀樣取樣器，大大提高了鉆孔取芯質(zhì)量，為地質(zhì)分析與巖土試驗(yàn)提供了保障。

(3)本工程砂卵石層鉆進(jìn)困難與半成巖(砂礫巖、泥巖)取芯不易等鉆探技術(shù)難題的成功解決，不僅為本工程勘察設(shè)計(jì)及后續(xù)施工建設(shè)奠定了重要基礎(chǔ)，而且也為類似地層巖性條件下其它工程地質(zhì)鉆探作業(yè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］陳德基.長江流域水利水電工程地質(zhì)［M］.北京:中國水利水電出版社，2012.

［2］劉衛(wèi)東，李自萍，王孝成.漂卵石層工程地質(zhì)鉆探技術(shù)［J］.黑龍江水利科技，2004，31(2):28－30.

［3］趙傳海，邵玉冰.荊州—石首天然氣管道江陵長江穿越工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.武漢:長江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，2012.