巨厚砂礫層裸孔鉆進施工技術(shù)

殷寶兵， 黃留新， 張瑞瓊

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212021)

巨厚砂礫層裸孔鉆進施工技術(shù)

殷寶兵， 黃留新， 張瑞瓊

(江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212021)

在江蘇沿海地區(qū)進行城市地質(zhì)及水文地質(zhì)等區(qū)域性地質(zhì)調(diào)查，主要的野外工作手段就是全孔取心巖心鉆探，但江蘇沿海地區(qū)沉積層厚度300～500 m不等，最深處800 m之多。在如此之深的巨厚沉積層中鉆探取心、且取心率要求之高在江蘇乃至全國沒有先例。結(jié)合某鉆孔的施工實例，從鉆探設(shè)備的選擇、施工工藝的確定、泥漿控制技術(shù)等方面入手，全面總結(jié)了江蘇沿海地區(qū)巨厚砂礫層全孔取心施工技術(shù)，對類似鉆探項目的實施具有很好的借鑒作用。

沉積層；第四系；裸孔鉆進；取心

1 概述

在江蘇沿海地區(qū)開展城市地質(zhì)調(diào)查是一項區(qū)域性、基礎(chǔ)性、前瞻性的公益性地質(zhì)工作，主要采用鉆探技術(shù)手段，查明工作區(qū)內(nèi)第四系地層沉積體系的變遷規(guī)律、海陸相互作用特征，為江蘇沿海地區(qū)的規(guī)劃布局、防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護等提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為經(jīng)濟發(fā)展的決策服務(wù)。這項工作得到了江蘇省人民政府、國土資源部和中國地質(zhì)調(diào)查局的高度重視。

根據(jù)現(xiàn)有資料，江蘇沿海地區(qū)第四系沉積層厚度300～500 m，沉積物基本上以粗細砂、礫石為主，間見粘性土粒。地質(zhì)調(diào)查對野外鉆探施工要求非常嚴格，要求全孔取心、心樣連續(xù)完整、不得擾動；且由于測孔的需要，全孔不得采用套管護壁，只能裸孔鉆進。具體鉆探施工要求如下。

(1)巖心采取率：全孔連續(xù)取心，粘性土層巖心采取率≮90%，砂性土層巖心采取率≮80%，較破碎地層、松散砂礫和卵石層≮70%；巖心排放順序不得顛倒，巖心直徑≮91 mm。

(2)巖心鉆進，回次進尺不得超過鉆具本身長度或凈空長度，一般不超過3 m，以滿足高采取率要求為準(zhǔn)。

(3)鉆進深度、巖土分層界面深度、地下水位深度的測量允許誤差為±50 mm。

(4)所有鉆孔開孔口徑127 mm；成孔口徑≮110 mm。每鉆進50 m及終孔時各校正孔深一次，允許誤差0.1%。鉆孔傾角偏差每50 m應(yīng)小于1°，每100 m不得超過2°。

近年來，我隊與相關(guān)單位通力合作，已在江蘇沿海地區(qū)南通、鹽城等地先后完成了數(shù)十個鉆孔的施工，鉆孔深度100～500 m不等，最深鉆孔達728 m。在江蘇沿海地區(qū)巨厚松散沉積層中施工如此深的全孔取心鉆孔尚屬首次，施工成敗的關(guān)鍵在于施工工藝技術(shù)措施的建立與完善，施工難度很大。

2 鉆孔概況及地層特點

ZKA5孔位于泰州市姜堰張甸鎮(zhèn)尹莊村，設(shè)計深度H=800 m(目標(biāo)深度700 m),直孔,全孔取心，全孔測孔，傾角≯2°/100 m。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，鉆孔范圍內(nèi)沉積物以含礫粗砂、中—細砂為主，夾少量的粉砂質(zhì)粘土及粘土。具體地質(zhì)資料簡述如表1所示。

表1 地層描述情況

3 鉆進難點

從表1可以看出本區(qū)域的鉆進難點主要如下。

上部300 m以淺地層基本以中粗砂為主，成孔簡單，取心、保護孔壁非常困難。原因有：(1)砂性土沒有膠結(jié)性，自穩(wěn)性能較差，極易造成孔壁坍塌；(2)沿海地區(qū)地下水位較高，成孔后孔壁承受的地層壓力較大，一旦孔內(nèi)泥漿性能失穩(wěn)、由外向內(nèi)產(chǎn)生壓差，孔壁極易坍塌；(3)由于需要全孔連續(xù)取心，全套鉆具需在孔內(nèi)來回上下頻繁抽動，不可避免地會刮掃孔壁，造成鉆孔坍塌。

300 m以深地層以硬塑狀粘性土、泥巖等為主，鉆進施工時必須加壓鉆進取心，一旦加壓鉆進鉆具產(chǎn)生彎曲，定會破壞孔壁的穩(wěn)定，形成坍塌。

綜上所述，在如此巨厚的砂性地層中裸孔鉆進，必須采用超越常規(guī)的施工技術(shù)措施。

4 鉆進施工技術(shù)

4.1 鉆進工藝選擇

根據(jù)地層情況及設(shè)計要求，采用?110 mm單管普通取心鉆具、泥漿護壁、正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進法，一徑到底。具體施工工藝要求如下。

4.1.1 開孔

場地地表為一層約1.5 m厚的粉質(zhì)粘土層，采用輕壓慢轉(zhuǎn)方式開孔，以最小流量控制泥漿泵量。鉆進5.0 m后下入5.5 m長的孔口管，四周用粘土回填、搗實，并采取措施固定。

4.1.2 上部(0～300 m)施工工藝

0～300 m均為第四系沉積的中粗砂地層，中間夾帶大小不等的礫石。由于技術(shù)要求是全孔取心、無擾動、原狀樣，故采用常規(guī)方法不可能完成。為此，采取以下措施。

(1)采用無泵干鉆法取心。每個回次需提鉆下鉆取心，下鉆時輕提輕放，遇阻時開泵送漿并輕壓慢轉(zhuǎn)。取心鉆具到達孔底后先正常循環(huán)泥漿30 min左右，確?？妆谀嗥さ玫叫迯?fù)后再停泵慢速回轉(zhuǎn)取心。盡量控制回次進尺≯1.0 m。

(2)由于地層以中粗砂為主，比較松散，需減壓鉆進取心。即在取心時適當(dāng)?shù)蹙o鉆具，以防鉆具自重過大鉆頭切入地層過深導(dǎo)致回轉(zhuǎn)阻力過大而無法取心。

(3)由于砂性地層的研磨性較強，采用肋骨式硬質(zhì)合金鉆頭鉆進，鑲焊大八角硬質(zhì)合金。

4.1.3 下部(300～800 m)施工工藝

300 m以深地層以硬塑狀粘性土、含礫砂土、泥巖為主，且相互互層，其施工工藝與淺部的有所不同。

(1)硬塑狀粘性土、泥巖地層較致密、堅硬，完整性較好，采取常規(guī)的正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進法取心。

(2)含礫砂性地層仍需采用無泵取心。由于地層埋藏太深，采用干鉆取心極易造成燒鉆，故采用孔底局部反循環(huán)法鉆進取心。即開始取心時先在鉆桿內(nèi)腔中投入彈子封堵泥漿循環(huán)通道，然后停泵回轉(zhuǎn)取心。但取心時鉆具要在孔內(nèi)以不超過50 cm的幅度上下來回抽動，以便在孔底形成局部反循環(huán)，確保取心質(zhì)量。抽動時注意快提慢放。

(3)300 m以深地層需加壓鉆進。由于上部地層十分松散，一旦加壓，鉆具在孔內(nèi)必然產(chǎn)生彎曲變形，必然會破壞孔壁穩(wěn)定、造成鉆孔坍塌，故只能采用鉆鋌孔底加壓法鉆進。即在取心鉆具的上部根據(jù)孔深的不同配制單根質(zhì)量為500 kg的2～6根不等的鉆鋌，實行孔底加壓。

(4)根據(jù)地層情況采用金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進。

4.2 施工設(shè)備

由于ZKA5孔設(shè)計孔深達800 m，經(jīng)研究采用XY-2000型巖心鉆機。該鉆機具有結(jié)構(gòu)緊湊、鉆進扭矩大、操作方便、性能可靠等特點，且配有水剎車可保證提下鉆平穩(wěn)、安全，同時具有較多的轉(zhuǎn)速級數(shù)(8級)和合理的轉(zhuǎn)速范圍，便于操作人員掌握孔內(nèi)情況，加之配有18.5 m高四角鉆塔，立根長度可達13.5 m，可大大縮短提下鉆時間，有效地提高鉆進效率。泥漿泵采用NBB280/8型，具有5級調(diào)速、流量調(diào)節(jié)幅度大等特點，最高壓力可達12 MPa，可保證孔內(nèi)泥漿循環(huán)正常、有序，是深孔配備的鉆探施工的理想設(shè)備。主要施工設(shè)備配置如表2所示，現(xiàn)場設(shè)備布置如圖1所示。

表2 主要機械設(shè)備配置

圖1 現(xiàn)場設(shè)備布置圖

4.3 護壁泥漿性能要求

4.3.1 泥漿性能分析

在第四系地層鉆孔過程中對泥漿的原則要求是：高密度、高粘度、良好的潤滑性、較低的含砂率。

泥漿密度大，維護孔壁穩(wěn)定的能力就越強，就不易造成孔壁坍塌，但泥漿的潤滑性就較差。綜合考慮：泥漿密度應(yīng)控制在1.1～1.5 g/cm3，鉆孔越深密度越大。

常規(guī)巖心鉆探泥漿粘度一般控制在20～30 s，但在第四系地層中鉆進時，由于地層均為松散的泥砂，會產(chǎn)生大量的鉆屑，不能按常規(guī)的粘度要求控制，經(jīng)過總結(jié)將鉆孔深度100～300 m的泥漿粘度指標(biāo)調(diào)整為30～60 s，隨著孔深的增加，粘度指標(biāo)還要適當(dāng)增加，最大增至90 s。

常規(guī)泥漿含砂率≯5%，但在第四系地層中鉆進，可以控制含砂率≯10%。如果含砂率過高，需采取措施除砂。一是增加泥漿循環(huán)溝槽的長度、設(shè)置沉淀池等人工方法除砂，二是利用除砂器振動除砂。

4.3.2 泥漿性能參數(shù)

根據(jù)上述分析，最終確定的泥漿配方及性能如下。

(1)0～100 m孔段。

水∶膨潤土∶純堿∶CMC=100∶5∶0.25∶0.1。

泥漿性能參數(shù)控制指標(biāo)為：密度1.05～1.15 g/cm3、粘度20～30 s、含砂率<10%。

(2)100～300 m孔段。

水∶膨潤土∶純堿∶CMC=100∶5∶0.25∶0.2。

泥漿性能參數(shù)控制指標(biāo)為：密度1.10～1.20 g/cm3、粘度20～60 s、含砂率<10%。

(3)300～500 m孔段及以深。

水∶膨潤土∶純堿∶PHP=100∶5∶0.25∶0.15。

泥漿性能參數(shù)控制指標(biāo)為：密度1.15～1.25 g/cm3、粘度60～90 s、含砂率<10%。

4.4 提高巖心采取率措施

提高軟硬互層取心質(zhì)量：采用短鉆具鉆進，限制回次進尺，減少巖心對磨，降低巖心受破壞時間；增大孔徑和增大巖心直徑以提高巖心的抗扭強度；提高鉆具穩(wěn)定性和減少鉆頭晃動，主要調(diào)整鉆進參數(shù)和泥漿潤滑性能使鉆具不產(chǎn)生劇烈振動。

提高礫石層取心質(zhì)量：采取增大巖心直徑，以提高巖心強度；提高卡心的可靠度，防止巖心途中脫落；采用單動雙管鉆具，可有效保護巖心采取率；用優(yōu)質(zhì)泥漿局部反循環(huán)，使巖心呈懸浮狀態(tài)，防止巖心被二次破碎。

4.5 預(yù)防鉆孔彎曲措施

(1)鉆機安裝要平穩(wěn)、周正；使用剛度好的立軸，且立軸要豎直，主動鉆桿不得有彎曲或扭曲現(xiàn)象；提引器中心、立軸中心、孔口中心要在同一直線上。

(2)開孔時主動鉆桿不得有偏擺，中心壓力要均勻，要隨鉆孔的加深逐漸加長鉆具。

(3)在礫石地層中鉆進時要根據(jù)實際情況提高軸心壓力、降低轉(zhuǎn)速。

(4)鉆具應(yīng)帶上下2個扶正器(擴孔器)，相隔距離≮4 m。

(5)遇到卵礫石、軟硬互層等地層時，應(yīng)使用直、重、厚的鉆具，適當(dāng)控制轉(zhuǎn)速，配套鉆鋌孔底加壓施工。

5 鉆探效果簡述

5.1 工藝的適應(yīng)性

本次施工從開孔到終孔，鉆進非常順利，提下鉆順暢，沒有發(fā)生孔壁坍塌掉塊現(xiàn)象，孔壁比較穩(wěn)定。終孔后進行物探測井時，曾停工等待了3 d，但測井時探頭直放到底，不需重新清孔、掃孔，說明孔壁的穩(wěn)定性較好，證明選配的鉆進工藝比較合適，能適應(yīng)第四系地層的鉆進需求，經(jīng)得起考驗。

5.2 泥漿護壁效果

從整個施工過程來看，鉆機的回轉(zhuǎn)能力完全滿足要求、可順利完成回轉(zhuǎn)、取心的操作，沒有出現(xiàn)憋車、斷鉆桿等事故；泥漿泵在鉆進過程中運轉(zhuǎn)正常，沒有出現(xiàn)異常磨損，易損件不需頻繁更換，說明采用的泥漿工藝與鉆進成孔工藝比較匹配，施工比較順利。施工過程中測試的泥漿性能參數(shù)見表3。

由表3數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)：與事先分析預(yù)估的情況比較一致。當(dāng)然，由于每個工作臺班內(nèi)進行換漿或除砂的時間不一致，進行泥漿檢測的時間也沒有統(tǒng)一，所以相鄰時間段內(nèi)的泥漿檢測數(shù)據(jù)可能有些差異，但結(jié)合鉆孔深度后進行統(tǒng)計分析，可以說明事先制定的泥漿工藝技術(shù)措施能適應(yīng)第四系地層鉆進的需求，可以滿足第四系地層全孔取心鉆進的施工需要。

5.3 鉆進效率

本次施工鉆孔用時65 d；其中0～300 m用時10 d、300～410 m用時14 d、410～510 m用時11 d、510～650 m用時18 d、650～728 m用時12 d。當(dāng)中，有3 d由于連續(xù)下雨停工，實際施工時間62 d。前300 m的效率與以前施工相比，縮短了3 d時間，后面的施工由于深度不同、地層不同無法比較，但總的鉆進效率較高。根據(jù)施工原始報表統(tǒng)計，本次施工的時間利用率與之前的類似項目相比有明顯提高，比較結(jié)果見表4。

5.4 取心效果

施工結(jié)束后，甲方組織有關(guān)專家根據(jù)現(xiàn)場實際取心情況，嚴格按照相關(guān)驗收要求，對鉆孔的全部取心巖樣按層位順序進行了綜合評比，認為：取心連續(xù)完整、順序擺放正確、心樣沒有受到擾動破壞，全孔巖心采取率符合要求，其中，粘性土層采取率93.1%、砂性土及礫石土層采取率88.6%，完全滿足設(shè)計要求。該鉆孔的部分連續(xù)取心圖片見圖2～圖7。

表3 泥漿參數(shù)測試匯總表(部分摘錄)

表4 鉆孔時間利用率對比

5.5 鉆孔質(zhì)量

施工結(jié)束后，甲方立即對鉆孔進行了綜合測井，其井深728 m、井斜13.4°，全部滿足設(shè)計要求，且井斜低于規(guī)范要求，說明鉆孔質(zhì)量優(yōu)良。具體測孔數(shù)據(jù)見表5。

圖2 現(xiàn)場取樣巖心

圖3 現(xiàn)場取樣巖心

圖4 現(xiàn)場取樣巖心

6 結(jié)語

(1)采用常規(guī)鉆探技術(shù)在超深巨厚砂礫石地層中全孔取心鉆進完全可以順利實現(xiàn)。其中，在松散沉積的中粗砂地層中需無泵取心，在硬塑狀粘性土中鉆進需正循環(huán)鉆進取心。

圖5 現(xiàn)場取樣巖心

圖6 現(xiàn)場取樣巖心

圖7 現(xiàn)場取樣巖心

(2)300 m以淺地層需減壓鉆進，300 m以深地層需孔底加壓鉆進。

(3)在超深巨厚砂礫石地層中裸孔鉆進，護壁泥漿非常重要，但其性能要求與固體礦產(chǎn)鉆探截然不同。它需要超重的密度(最大可達1.5 g/cm3)、超高的粘度(最大可達90 s)和較高的失水量，同時在循環(huán)過程中要控制好含砂率≯10%即可。

表5 鉆孔傾角測量記錄

總之，最終經(jīng)專家組驗收，全孔平均巖心采取率>90%，經(jīng)終孔后測井認為該孔全孔通暢無孔壁坍塌現(xiàn)象，20 m一測點表明全孔傾角均<2°/100 m的規(guī)范要求，各項質(zhì)量記錄齊全，綜合評定：鉆孔質(zhì)量優(yōu)秀。

[1] 吳金生,張偉,李旭東,等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目FSD-4孔鉆探施工概況和關(guān)鍵技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2014，41(9):120-125.

[2] 徐云龍.川西采氣廠首口地質(zhì)導(dǎo)向水平井鉆井技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(2)：1-3.

[3] 姜桂春.聚炳烯酰胺無固相沖洗液在復(fù)雜地層中的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(1):34-37.

[4] 徐波,王智洪.鉀銨基聚合物鉆井液抑制性研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(7):30-33.

[5] 盧予北,李藝,陳瑩,等.國家地下水監(jiān)測井建設(shè)關(guān)鍵問題研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(6):1-6.

[6] 鄭繼天,李小杰,關(guān)曉琳.水文地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液的選用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016,43(10):242-244.

[7] 吳躍鋼,徐菁.無固相弱凝膠鉆井液在水井施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)， 2016,43(10):261-264.

[8] 李友東,王國輝.濱海復(fù)雜地層超深旋挖鉆孔灌注樁質(zhì)量問題改進技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(11):80-83.

ConstructionTechnologiesEmployedforOpenHoleDrillinginSuper-thickGravelLayer

YINBao-bing,HUANGLiu-xin,ZHANGRui-qiong

(The 3rd Geological Brigade of Jiangsu Geology & Mineral Exploration Bureau, Zhenjiang Jiangsu 212021, China)

In the regional geological survey of urban geology and hydrogeology in coastal area of Jiangsu Province, full coring drilling is the main field work means. The sedimentary layers thickness are of 300～500m inequality, the deepest place is up to more than 800m. There is no precedent of coring in such thick sedimentary layer with such requirement in Jiangsu Province even in China. According to a drilling construction case, this paper summarizes the full coring drilling construction technology in very thick gravel layer of Jiangsu coastal area starting with drilling equipments selection, construction technologies determination and mud control technology, which could be referred in similar drilling projects in the future.

sedimentary layer; Quaternary System; open hole drilling; coring

2017-05-16；

2017-06-08

殷寶兵，男，漢族，1965年生，高級工程師，從事地質(zhì)鉆探及工程地質(zhì)鉆探施工管理工作，江蘇省鎮(zhèn)江市喬家門，13505284872@139.com。

P634

B

1672-7428(2017)09-0026-06