严 军 赵 鹏
（湖北省地质局第八地质大队，湖北，441000）
【摘 要】本文作者通过对郑万高铁定测阶段襄阳地区部分桥梁地质勘察在第四系松散卵砾石层中钻探工作的分析和总结，从钻具配套、泥浆制配、钻头选取、钻探工艺等方面分析，与传统工艺作了对比，在如何提高卵砾石层中钻探效率和保证岩芯采取质量方面积累了一定的施工经验，对该地区及类似地层钻探施工有借鉴意义。
【关键词】卵砾石地层；岩芯采取；植物胶；循环液
1、前言
襄阳地处汉江中游湖北省西北部，古往今来汉江河道变迁频繁，流域内湖塘众多，阶地地貌发育，一级阶地、二级阶地下部卵砾石层分布广泛。目前在该地层中钻探多采用单管+硬质合金复合片钻头或金刚石钻头、普通泥浆护壁，结合无泵干烧取芯的简单钻探工艺，普遍存在泥浆漏失、稀释、塌孔、取芯质量差、采取率过低、地层物质成分流失、钻进效率低等问题。本文作者通过郑万高铁定测阶段襄阳地区部分桥梁地质勘察在第四系松散卵砾石层中钻探工作的分析和总结，从钻具配套、泥浆制配、钻头选取、钻探工艺等方面分析，与传统工艺作了对比，在如何提高松散卵砾石层中钻探效率和保证岩芯采取质量方面积累了一定的施工经验，对该地区及类似地区施工有借鉴意义。
2、工程概况
襄阳地区高层建筑及重要等级构筑物不断增多，要求勘察深度越来越大，对卵砾石层的岩芯采取质量要求越来越高，如何提高卵砾石层的取芯质量、保证采取率，是当前工程勘察亟需解决的问题之一。
新建铁路郑万线豫鄂省界至万州段定测阶段襄阳地区部分桥梁勘探孔部分位于汉江一级阶地之上，为查明砂卵石地层结构和颗粒级配，设计单位要求卵砾石地层岩芯采取率达90%以上，并确保地层结构状态不受扰动破坏，岩芯物质组成不明显减少。
桥址区分布一套第四系冲洪积地层，岩性自上而下为粉质黏土、粉土、粉砂、卵砾石层。场地上部0.0-3.0m为可塑状粉质黏土夹粉土；3.0-9.5m为灰褐色硬塑状粉质粘土；7.8-11.4m为灰黄色松散粉砂，局部夹粉土；11.4m以下为卵砾石层，灰褐、黄灰色，饱和，中密-密实，卵砾石主要成分为弱风化石英岩、硅质岩、燧石岩等，卵砾石含量一般60-70%，高者可达75-80%，一般粒径1-4cm。其中卵石含量20-30%，粒径2-4cm，大者15cm。颗粒间充填物多为细砂。分选性差，磨圆度较高，次圆状。一般厚度30-50m，强-极强透水性。
针对上述地层若采用传统的简单工艺，根据类似场地施工数据统计分析，日平均进尺6.28-10.1m/天，卵砾石层钻探采取率35.0~58.3％，平均采取率43.6%，不能满足勘察要求。
为应用新技术和积累勘察施工经验，项目部现场成立攻坚技术小组，认真分析研究钻具组合、工艺及技术参数对目的层的适宜性，最终决定采用Φ110mm单动双管钻具、半合式内管、低胎体硬度金刚石钻头、S系列植物胶+膨润土+火碱制配循环液、小水量低压、中-高速钻进，与传统工艺相比，从钻机具配套选择、泥浆选择及制配、钻探工艺、钻头选取等方面作了改进和技术更新。通过试验性勘察验证，采用改进机具和技术更新以后，钻进效率和取芯质量得到显著提高，取得了良好的钻进效益，日平均进尺15.5-20.1m/天，卵砾石层采取率90.6~91.6％，平均取芯率91.0%。观察岩芯表面，在芯表面形成一层韧性胶膜，胶结并包裹岩芯，掰开岩芯断面外围凝结形成胶结状结构，向岩芯轴物质逐渐新鲜，岩芯无明显结构破坏及物质混杂现象，较好保持了地层的原始结构状态。满足设计对采取率和岩芯质量的要求。
3、传统技术与采取新技术措施的对比分析
3.1 选择钻具的技术分析
采用单管钻具、正循环工艺，冲洗液从钻具内直接冲刷岩芯，造成芯管内物质组成随冲洗液流失；传统钻具即为取芯管，在钻进过程中岩芯随钻具回转、振动频繁，岩芯结构在振动冲击下发生挤压混杂或离析分散，破坏了岩芯结构特征，进一步造加剧岩芯物质成分的漏失。回次钻进结束提取岩芯后，管内岩芯多采用传统的敲击脱管或水压退芯的方式，前者易造成岩芯结构破坏、物质分离，后者易造成细颗粒物质随冲岩芯水流失。
本工程选取单动双管钻具，实现了钻具管和取芯管的分离。钻具结构分为外管和半合式内管，功能上外管仅回转钻进，内管用于卡取岩芯处于相对静止状态，减小了管内岩芯随钻具回转、振动、冲击对岩芯结构的破坏；钻进循环液从内管和外管之间的间隙流达孔底润滑钻头，不会对进入岩心管的岩心造成冲刷，可提高岩芯采取率，且有利于保持岩芯特征及物质组分；半合式内管在取芯后可卸出内管、打开半合直接观察鉴定岩芯，保证了岩芯的原始状态。
3.2 选择钻头的技术分析
汉江流域襄阳一带的卵砾石主要成分为弱风化石英岩、硅质岩、燧石岩等，卵砾石含量一般60-70%，高者可达75-80%，一般粒径1-4cm。其中卵石含量20-30%，粒径2-4cm，大者15cm。颗粒间充填物多为细砂。粗颗粒物质原岩多为脆硬质岩，粒径较大，多呈基底式接触关系。针对粗颗粒的硬度，选用胎体硬度15-20的低胎体硬度的金刚石钻头，可减少碾磨刃口胎体的时间，减小钻具刻划碾磨过程的振动，刃口全面均匀切割颗粒，钻屑粒细且均匀，易随泥浆排除，可有效提高钻进效率。若采用硬质合金复合片钻头或硬胎体金刚石钻头，由于硬质合金硬度大、金刚石胎体硬度大不易磨出等原因，在钻进过程中会由于“硬碰硬”效应，钻头在粗颗粒表面打滑，不易进尺且造成钻具剧烈振动，对孔壁完整性及保持岩芯结构不利；在钻头碰撞冲击破碎作用下，卵砾石碾磨程度不足，形成较大粒径的钻屑，不易随循环液排出钻孔，使泥浆含砂率增高，影响泥浆的质量。
3.3 选择循环液的技术分析
泥浆是黏土颗粒在水中分散，并与水混合发生水化作用形成的半胶体状悬浮液。传统钻进循环液采用膨润土+火碱或纯碱掺水制配不同性能的黏土浆。泥浆的主要性能指标有失水量及造壁能、触变性、静切力、黏度、比重、胶体率、含砂率、酸碱度等。
钻井循环液基本性能指标
黏土浆对孔壁的静压力和泥浆在孔壁上形成的泥皮可以有效地防止孔壁坍塌。但钻进过程钻屑掺入泥浆，使含砂率、黏度和失水量增加，胶体率下降，泥浆稳定性差；卵砾石地层钻进，冲洗液漏失严重，浆液用量增加，使孔内液柱压力降低，孔壁易失衡形成塌孔、掉块；卵砾石含水量丰富，地下水对冲洗液稀释会进一步造成泥浆漏失。施工中一般采用增大泥浆稠度和采用添加NaOH作为泥浆稳定剂进行处理。稠度增加使泥浆流变性降低，泵压增大不易泵送；稳定剂NaOH用量不易掌控，用量过大会造成黏土颗粒凝聚下沉，使黏度、静切力及失水量增加，破坏泥浆的稳定性。
针对采用传统循环液存在的种种问题，项目部经过技术经济论证比较，决定采用S系列植物胶+膨润土+火碱制配循环液。
植物胶是一种天然植物高分子聚合物，主要成分为多糖和蛋白质脂肪和钎维素形成的聚合物及少量淀粉、无机盐，具有很好的亲水性和可溶性，胶液经过适当改性处理后具有良好的粘结性、粘滞性、降失水性、流变性和润滑性，应用于松散破碎地层钻探冲洗液中，具有很好的增加粘稠、护壁防塌、携带钻渣、护芯取芯、减振润滑钻头的效果。植物胶虽具有以上众多优点,但还是存在抗钙、镁、盐侵的能力不足。
植物胶钻进液作用原理：胶体具有良好的流变性和粘弹性，可维护井壁稳定和携带钻屑；润滑性可减少地层及钻屑对钻具的磨损；粘结能力较普通循环液高，对松散、破碎地层等渗漏性地层有明显的封堵作用；胶液在岩样表面形成一层保护膜，可保护岩芯结构、减小芯样扰动破坏，获得较高的采取率。其配制比例及具体制配方法：将膨润土和植物胶按8:3的比例混合均匀后，加入配成的纯碱水溶液中搅拌20分钟即可。膨润土与植物胶混合物的用量为冲洗液总量的5-9%，纯碱的用量为膨润土植物胶总重量的5%-6%，配料时应注意不可快速倒入泥浆搅拌机内，防止结团。
在使用植物胶循环液钻进过程注意事项：
（1）控制合理的起下钻速度，操作升降机要平稳，尽量减小惯性作用，防止孔内钻具抽吸浆液，回灌浆液时避免冲刷孔壁。
（2）钻进时随时调整泥浆性能，保持孔底清洁，避免钻头或钻具上部“泥包”。由于钻进时孔内岩粉较多，应避免提钻前长时间冲孔，防止孔壁扩大。
（3）当发现浆液中含砂量较高或黏度低于40S时，应予更换浆液或补充新泥浆。
3.4 钻进工艺及参数的技术分析
转速、钻压、冲洗液用量、泵压、回次进尺等钻进参数选择会对钻进效率和岩心采取率、采取质量造成很大影响。卵砾石地层钻进应遵循“低压、中-高转速、小泵量”的原则。
采用中速或高速钻进，可减少对地层岩芯的扰动。一般选用转速为500～600r/min；由于卵砾石层颗粒胶结程度差，粗颗粒之间呈基底式接触，胶结程度差，钻压不宜过高，可视地层密实程度在6.0～8.0MPa之间选用；在达到排粉、冷却钻头、润滑钻具的前提下，尽可能采用小泵量，减少冲洗液对卵砾石地层结构的扰动，一般采用30～40L/min，泵压<0.5MPa，回次进尺控制在0.50-1.50m为宜。
4、结束语
（1）卵砾石地层采用传统采用单管+硬质合金复合片钻头或金刚石钻头、普通泥浆（或加处理剂的泥浆）护壁钻进，结合无泵干烧取芯的钻探方法，工艺简单易于掌握，费用较低，但钻孔质量和岩芯采取率难以保证，对漏失量大的地层，会造成泥浆成本增加。
（2）鉴于费用及成本因素，勘察单位多对改进工艺和运用技术重视程度不够。但对于复杂地层、取芯质量和采取率要求高的项目，运用单动双管钻具、半合式内管、低胎体硬度金刚石钻头、S系列植物胶+膨润土+火碱制配循环液、小水量、低压、中-高速钻进工艺，凸显了改进工艺技术的卓越功效。
（3）S系列植物胶具有高效、无毒、无害、不污染环境的特点。采用S系列植物胶+膨润土+火碱制配循环液有效地解决了卵砾石地层钻进泥浆漏失、采取率低、岩芯结构扰动破坏等技术问题，对类似地层钻探取芯有借鉴意义。
参考文献：
[1]成都理工大学学报，孙涛《新型植物胶冲洗液的开发与应用》
[2]地质出版社，李世忠，《钻探工艺学》
[3]地质出版社，北京市地质局《岩心钻探知识 》编写组，《岩心钻探知识》
作者简介：
严军（1974-），男，本科，毕业于武汉理工大学土木工程专业，水文工程地质高级工程师；注册一级建造师、注册监理工程师、注册咨询工程师。现主要从事岩土工程勘察、设计和监理工作。
赵鹏（1982--），女，本科，毕业于长安大学，水文工程地质工程师，现主要从事岩土工程勘察、设计工作。
论文作者:严军,赵鹏
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/13
标签：砾石论文; 地层论文; 泥浆论文; 钻头论文; 钻具论文; 植物论文; 襄阳论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;