砂卵石地層鉆探方法優(yōu)化

曹虎麒，陳 凱，段存俊

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

在第四系的地層構(gòu)造單元中，砂卵石地層的鉆探工作一直是個(gè)難點(diǎn)，因該地層分布范圍小，目前對(duì)該層鉆探工作的研究較少。國(guó)內(nèi)的研究多是從循環(huán)液和鉆具兩個(gè)方面入手，一些研究主要以植物膠為對(duì)象著重研究了護(hù)壁工藝[1-4]，還有一些研究主要探討了不同鉆頭在砂卵石層中鉆進(jìn)的效果[5-7]，肖冬順等[8]則從礦探出發(fā)探討了深層卵石層的鉆探工藝。但國(guó)內(nèi)對(duì)該層尚未形成成熟的鉆探工藝，境外工程中則鮮有對(duì)砂卵石層鉆探的研究。

本文結(jié)合巴布亞新幾內(nèi)亞的巴新萊城港地區(qū)的勘探項(xiàng)目中遇到卵石層的實(shí)際問題，為了提高在該區(qū)域后續(xù)的勘察工作的效率，借鑒國(guó)內(nèi)已有的卵石層鉆探經(jīng)驗(yàn)，并從多因素入手，開展提高該地區(qū)砂卵石層鉆探效率的試驗(yàn)，以期探尋到一套適合該地區(qū)砂卵石層的高效鉆探工藝。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層分布

工程場(chǎng)地中砂卵石層發(fā)育在淺部，其上覆土層主要為第四紀(jì)黏性土層和砂土層。為盡可能減少不可控制的因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的影響，試驗(yàn)鉆孔選擇在相同地點(diǎn)(ZK17號(hào)鉆孔附近)采用同一班組先后實(shí)施鉆探試驗(yàn)，以方便對(duì)比。

ZK17號(hào)鉆孔上部地層自上而下的分布：0～2.5 m為松散腐殖物，2.5～6.1 m為松散-稍密粉細(xì)砂，6.1～16.8 m為軟塑狀粉質(zhì)黏土，16.8～23.0 m為砂卵石層。其中砂卵石層呈密實(shí)狀，修正后的重型動(dòng)力觸探擊數(shù)一般為22.0～26.3擊，層厚為5.6 m，主要由卵石、礫石及黏性土組成，卵礫石含量約為60%，塊徑為2.0～9.0 cm。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前期鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，在巴布亞新幾內(nèi)亞萊城港區(qū)勘察中砂卵石層鉆進(jìn)困難的主要表現(xiàn)有：護(hù)壁困難，孔壁卵石極容易掉落卡鉆；卵石層孔隙大，鉆孔漏水現(xiàn)象嚴(yán)重；沉渣粒徑大，傳統(tǒng)泥漿等循環(huán)液不能有效承載轉(zhuǎn)運(yùn)以及取樣困難等。

針對(duì)以上問題，從孔壁支護(hù)、鉆具、取芯3個(gè)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)3組對(duì)比試驗(yàn)以研究不同因素在改進(jìn)卵石層鉆進(jìn)方法中起到的作用，據(jù)此進(jìn)行砂卵石層中鉆探方法的優(yōu)化。護(hù)壁方法分別采用套管跟進(jìn)護(hù)壁、普通泥漿護(hù)壁、植物膠泥漿護(hù)壁，鉆頭分別采用金剛石鉆頭和復(fù)合片鉆頭，取芯方法分別采用單管巖芯管和單動(dòng)雙管巖芯管。設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案及施工工藝見表1(對(duì)比試驗(yàn)鉆進(jìn)過程取消了取樣、原位試驗(yàn)等對(duì)觀測(cè)結(jié)果造成影響的工序)。

表1 試驗(yàn)方案及施工工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在各個(gè)鉆孔的砂卵石層的鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生了不同的施工問題，見表2。

表2 砂卵石層鉆進(jìn)施工問題

對(duì)比SY1、SY2、SY3鉆孔的鉆探結(jié)果，在卵石層的鉆井過程中，3種護(hù)壁方法對(duì)實(shí)際鉆進(jìn)速率的影響較小，但套管護(hù)壁的方法，采用清水作為循環(huán)液，在卵石層中套管時(shí)時(shí)跟進(jìn)困難，極易產(chǎn)生卡鉆和漏水等問題，鉆進(jìn)過程花費(fèi)大量的時(shí)間和勞動(dòng)力處理套管跟進(jìn)和卡鉆、漏水等問題，極大地增加鉆進(jìn)總耗時(shí)；采用膨潤(rùn)土泥漿作為循環(huán)液，在一定程度上降低卡鉆和漏水的概率，但效果有限，卡鉆和漏水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，在該鉆孔的鉆進(jìn)過程中處理此類問題的耗時(shí)依然較高；植物膠黏稠度大，采用植物膠漿液作為循環(huán)液，相比前兩種方法明顯抑制住了卡鉆現(xiàn)象，同時(shí)也有效地封鎖了滲水孔隙，漏漿液現(xiàn)象明顯下降，從而降低了總耗時(shí)。

對(duì)比分析SY3、SY4鉆孔的鉆探結(jié)果可看出，植物膠黏稠度高，作為循環(huán)液運(yùn)載能力強(qiáng)，能挾帶卵石層內(nèi)大粒徑沉渣。金剛石鉆頭的齒爪間的過水縫隙小，容易被堵塞，返回液循環(huán)系統(tǒng)受阻，增加了其他耗時(shí)，復(fù)合片鉆頭的齒間縫隙較大，降低顆粒堵塞的概率，降低其他耗時(shí)，整體上提高了鉆進(jìn)的速率。

對(duì)比分析SY4、SY5鉆孔的鉆探結(jié)果可看出，采用雙管單動(dòng)的巖芯管，內(nèi)取芯管不隨外管轉(zhuǎn)動(dòng)，巖芯受擾動(dòng)小，取芯率高，孔內(nèi)和循環(huán)液中的沉渣少，減少循環(huán)系統(tǒng)的堵塞概率，而單管取芯，因巖芯受到的擾動(dòng)較大，擾動(dòng)后的巖芯松散，大顆粒沉底，在進(jìn)行試驗(yàn)或取樣時(shí)需要先清孔。但此次采用的雙管因內(nèi)管為單一整體圓柱形巖芯管，把巖芯從內(nèi)管中取出耗費(fèi)了大量的精力和時(shí)間，因而SY5鉆孔的總耗時(shí)比SY4還多。在以后遇到此問題時(shí)可對(duì)內(nèi)管做相應(yīng)的改進(jìn)以降低取芯時(shí)間。

3 生產(chǎn)效益分析

3.1 時(shí)間效益

為了解不同護(hù)壁方式、鉆頭以及取樣方式在砂卵石層鉆進(jìn)中起到的作用，繪制了各鉆孔鉆進(jìn)總耗時(shí)累計(jì)圖和各鉆孔砂卵石層鉆進(jìn)與其他耗時(shí)的比例圖，見圖1。

圖1 各鉆孔砂卵石層鉆進(jìn)耗時(shí)與其他耗時(shí)

由圖1可看出，在采用套管護(hù)臂、膨潤(rùn)土泥漿護(hù)臂和植物膠護(hù)壁，以及采用不同的鉆頭對(duì)在砂卵石層實(shí)際鉆進(jìn)效率的影響很小，影響鉆進(jìn)效率的直接因素主要在其他耗時(shí)上，為此繪制了砂卵石層鉆進(jìn)總耗時(shí)、其他耗時(shí)與提鉆次數(shù)的對(duì)比圖，見圖2。

圖2 砂卵石層鉆進(jìn)總耗時(shí)、其他耗時(shí)與提鉆次數(shù)對(duì)比

由圖2可看出，砂卵石層鉆進(jìn)總耗時(shí)、其他耗時(shí)與提鉆次數(shù)之間呈正相關(guān)性，既造成鉆探效率實(shí)際差異主要是由于卡鉆、堵鉆等鉆進(jìn)中產(chǎn)生的次生問題引起的頻繁提鉆和處理、解決這些問題所花費(fèi)的時(shí)間；采用植物膠護(hù)壁，能有效降低提鉆次數(shù)，既減少次生問題的發(fā)生、提高鉆進(jìn)效率，同時(shí)采用與之相適應(yīng)的鉆頭，能進(jìn)一步降低其他耗時(shí)，提高效率。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

各鉆孔在鉆進(jìn)砂卵石層消耗的資源見表3(由于不同地區(qū)物資和勞動(dòng)力成本不同，表3中并未對(duì)消耗品進(jìn)行折算)。

表3 砂卵石層鉆探消耗的資源

由表3可知，采用不同的護(hù)壁方法對(duì)砂卵石層鉆探的經(jīng)濟(jì)性影響較大。在不同的護(hù)壁方法中，植物膠護(hù)壁法因原材料價(jià)格較高，因而消耗性材料花費(fèi)高，但因其優(yōu)化了鉆探過程，減少其他輔助性工序，因而大幅降低了總體花費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益最好；而在采用不同鉆頭時(shí)，由于卵石硬度較高，復(fù)合片鉆頭的消耗量比采用金剛石鉆頭高，但在以植物膠為循環(huán)液的前提下，采用復(fù)合片鉆頭能有效降低其他耗時(shí)，降低其他方面的費(fèi)用。采用兩種鉆頭的經(jīng)濟(jì)效果在一定程度上有所抵消，但整體上采用復(fù)合片鉆頭的經(jīng)濟(jì)性更好。

3.3 質(zhì)量效益

各鉆孔砂卵石層的取芯效果見圖3。

由圖3可看出，當(dāng)采用單套管巖芯管時(shí)，對(duì)巖芯擾動(dòng)大，以清水或膨潤(rùn)土泥漿作為循環(huán)液時(shí)，循環(huán)液運(yùn)載能力小，卵石層巖芯中泥沙的含量較高，取芯率低；以植物膠漿液作為循環(huán)液時(shí)，植物膠循環(huán)液運(yùn)載力大，取出來(lái)的巖芯，泥沙含量低，取芯率低。采用雙管單動(dòng)巖芯管，對(duì)巖芯擾動(dòng)小，巖芯的采取率高，保存完成，能真實(shí)地反映砂卵石層的組成和結(jié)構(gòu)。

圖3 各鉆孔取芯效果

4 結(jié)論

1)造成砂卵石層鉆進(jìn)效率低下的主要原因?yàn)樯奥咽瘜犹厥獾慕Y(jié)構(gòu)引起鉆進(jìn)過程頻繁發(fā)生的卡鉆、漏水等次生問題。

2)采用套管護(hù)壁、膨潤(rùn)土泥漿液護(hù)壁和植物膠漿液護(hù)壁3種護(hù)壁方法對(duì)實(shí)際鉆探過程中鉆進(jìn)速度的提升沒有明顯差別，但采用植物膠護(hù)壁能顯著降低卡鉆、漏水等事故，從而整體上降低了鉆進(jìn)總耗時(shí)。

3)在砂卵石層鉆進(jìn)時(shí)，采用植物膠做循環(huán)液能夠挾帶大粒徑的沉渣，采用過水孔隙小的金剛石鉆頭容易導(dǎo)致堵塞，采用過水孔隙大的復(fù)合片鉆頭則不會(huì)導(dǎo)致堵塞，能提高施工效率，但會(huì)增加鉆頭的消耗。因此，在以后的工作中可以根據(jù)實(shí)際地層情況選擇合適的鉆頭或合理改進(jìn)鉆頭，以結(jié)合金剛石鉆頭和復(fù)合片鉆頭的優(yōu)點(diǎn)，配合植物膠循環(huán)液實(shí)施砂卵石層鉆探。

4)采用雙管單動(dòng)的巖芯管能提高取芯質(zhì)量，降低對(duì)巖芯的擾動(dòng)，減少孔底沉渣以及清孔等步驟的次數(shù)，配合植物膠循環(huán)液，能有效提高鉆探效率和質(zhì)量。

5)以植物膠漿液作為鉆孔護(hù)壁的主要手段，根據(jù)不同的卵石層顆粒級(jí)配選擇合適的鉆頭能有效提高鉆進(jìn)效率，降低生產(chǎn)成本。