江苏省地质矿产勘查局第一地质大队 210041
摘要：本文对工程地质钻探中卵碎石地层的钻进工艺选择展开了分析和探讨，希望能够给同行业工作人员提供一些参考和借鉴。
关键词：工程地质；卵碎石；钻进工艺
卵碎石地层是一种在我们工程地质钻探中常见的地质情况，它通常也是实际工作中存在的困难之一，这种地层的钻进方法与岩心钻探的方法不一样，这种方法比较复杂。在我们的工程地质勘探中，主要是勘探第四纪浅部地层，勘探目标不仅只是保证顺利钻探下去，更重要的是得获取一些相关指标，如颗粒组成和密实度等。经过了多年的实践勘探，我们总结了此类地层钻进的经验，以套入为主要方法，辅之以破碎，也就是尽可能以单个卵碎石块进入钻具为主要方法，将单个卵石破碎为辅助方法。在具体的钻进施工中根据现场实际地层特征（包括地层填充物，地层实密度，地层含水量，地层颗粒粒径等），选择相应的钻进方法和钻进工艺。
1.工程地质钻探概述
钻探工程是岩土工程勘察的重要组成部分，在外业钻探的过程中需要合理选择设备，此外结合技术和工艺形式等可知，必须做好工期调整工作，合理选择设备。采用先进的技术和工艺等能完成外业勘察工作，提升稳定性。地质勘察中复杂地质影响比较大，为了避免出现孔壁不稳定或者钻孔漏水等现象，需要提前对地层处理，持续钻进。
钻探工作的难度比较大，是当前工程勘察和管理的重要部分，在外部处理过程中要掌握设备类型，结合工艺和技术等可知，要直接进行选择。工期、质量等对其有一定的影响，采用先进的技术工艺形式能在段时间内完成勘探工作。地址勘探中地质比较复杂，如何进行合理预设和管理是重点。地址勘察是个重要的过程，钻探阶段为了避免出现不稳定的现象，要反映出实际问题，对实际问题进行分析：①孔壁可能存在不稳定的现象，如果不能按照流程钻进，则会增加难度。②取芯困难，如果达不到理想的地质要求，则无法保证勘察质量符合要求。
2.注重地质因素对工艺选择的影响因素
2.1 工艺影响
复杂地层钻进处理是个重要的过程，在整个分析阶段要明确地形的成因，结合钻探工艺类型，内因影响比较大，在作用力的影响下，地质因素是内因，钻进工艺技术是外因，兼顾到地层影响因素，在整个钻进阶段要确定合适的工艺，配备合适的泥浆，保证正常钻进。为了避免孔内事故，降低效率，工作人员的综合能力有重要的作用，要适当做好治理工作，提升治理优势。在预设管理的过程中可能存在力学不稳定的现象，岩层本身容易出现破碎，此外松散的地质和地层压力比较大，要想阻止或者减少岩石坍塌，保证正常钻进，在处理过程中可以适当提升比重，采用高聚物能起到明显抑制作用，高分子化合物能提升泥浆的粘度。考虑到水敏性地层和表面水化和渗透水化等因素，掌握水化机理后，要提前进行钻进，保证整体稳定性。以水化机理作为基础，在钻进的阶段要明确失水和高矿化度，兼顾到粘度和比重等因素，明确治理要点和重点。泥浆配合比的预设方式有很多，在实际生产管理中可能存在塌陷或者埋钻等现象，要结合要求进行判断，结合此类情况进行针对性处理。
2.2钻井液处理钻杆振动、疲劳磨损
在石层分析的过程中，卵石和胶结物软硬不均匀，为了避免出现振动的现象，在整个处理阶段需要做好抗疲劳管理。取芯质量如果不高，势必造成不良影响。为了解决振动问题，在预设阶段要做好钻井处理工作，结合成膜作用和摩擦力等可知，在钻进的过程中形成一层隔水的粘弹性润滑薄膜，能起到明显的保护作用，为了减少摩擦阻力或者异常等现象，泵压设计要符合要求，在孔底要了解典型特点，在高粘度减震作用下，受到外力作用的影响，弹性模量可能存在变化，结合阻力和其他因素，要提前确定应变力。例如在金刚石钻探的过程中，钻杆振动影响大，为了避免外力作用对其产生影响，要提前确定弹性模量，以反比函数为基础，要掌握模量类型。钻杆钻速如果比较高，钻杆振动力随之提升，在钻进处理中改善钻杆的工作条件，提升寿命。钻进管理是个综合性过程，以钻进时间和实际内容为基础，要提升采取率，必要时进行钻取砂样。
2.3卵石地层影响
以某工程实际案例为前提，在钻进管理中结合护壁的需求和要求进行处理，配备以SM 植物胶和PHP 为主的处理剂，采用吸附成膜作用和减摩阻效应好的高粘度钻井液顺利穿过卵石地层，由于具有良好的粘弹性。在整个配置和管理中，进行性能分析，泵压比较低，植物胶有良好的减摩擦效应。在地层分析的过程中，了解到特殊功能和随钻取样等目的等可知，钻进参数和基岩金刚石钻进有比较大区别，特点是压力小、高转速和小泵量等。结合压力值系数，要采用比较低的钻压，推荐的压力值为2~4MPa，在钻进过程中为了避免出现堵塞的现象，一般情况下在钻进的过程中不能改变压力。压力值预设是个重要的过程，在实际管理中需要进行平整性分析。
3.依据地层特征选取相应钻进方法
3.1 依据填充物
当现场勘探的卵碎石层主要以粘性填充物为主时，单个的卵碎石块之间充满粘结力，在此情况下因为黏土粒的自由表面张力比较大，所以不容易产生钻进中孔壁坍塌，我们可以采用裸钻进行直接钻进，钻具选择在单管岩心管和加厚螺纹钻选其一。当勘探施工出现以砂类土填充为主的情况时，单个的卵碎石块之间粘结力较弱，这种情况黏土粒的自由表面张力比较小，在此情况下，我们得把护壁当做钻进过程中的首要问题。进行护壁的时候，由于对地层进行分选，此过程会带走地层中一些较小的颗粒成分造成鉴别困难，并且泥浆护壁存在一些不理想，护壁效果不太好，经济效益不太大，所以此类情况选择套管护壁跟管钻进。
3.2 依据实密度
在钻探过程中碰到了松散的卵碎石层，其单个卵碎石块之间的自由度比较大，此类情况的套入条件相对较好，容易钻进，但是也容易产生坍塌，此时可选择跟管钻进。但如果碰到了较为实密的卵碎石层，相对之间的自由度比较小，不易产生钻进中孔壁坍塌，这时可选裸钻钻进，但相应会出现套入条件差，钻进较为不易，此时在满足地质环境要求得基础上，可以选择冲击加回转的方法，此类方法效果明显，但存在一个国内目前没有适合钻探要求得冲击器的问题，不过对于装配有震动装置的钻机，可采用孔上振动器替代冲击器，配合回转钻进的方法钻进。
3.3 依据含水量
当钻探遇到含水量较小的卵碎石层时，钻进中孔壁不易坍塌，如果密实度高可采用裸孔钻进，但由于此类卵碎石层钻进条件比较差，在钻进过程中不破坏地质要求得情况下可适当注水钻进。但是如果地质要求不能改变，也就是说要求采取原始试样的孔段时，我们钻进过程只能采取干钻，这时钻进比较困难。在含水量较大的地层钻进相对容易，但孔壁坍塌问题也会随之而生，这时我们应当注重护壁，相应的应选取跟管钻进，但是当填充物以粘性土为主时，也可采用裸孔钻进。
3.4 依据颗粒粒径
在卵碎石层中进行钻进工作，钻具口径应当适应实际情况，才能取得好的钻进效果。一般的钻进中选取的都是以功130 的岩心管或者是功150 的螺纹钻具，这样能在小粒径的地层套入钻进。但对于粒径大于内径或者螺距的地层，可根绝情况加大钻具口径钻进。
4.钻头选取
钻头是我们钻进过程中作为破碎或者套取单个卵碎石快的重要设备之一，也是影响钻进效率的重要因素之一。目前我们采用的以管状硬质合金钻头和螺纹钻头为主，接下来对适合卵碎石层钻进的钻头参数做一个介绍：
4.1 合金钻头
我们采用的合金钻头所镶焊的硬质合金，必须具有高强度和抗冲击能力强的要求，合金可采用YG8K534 大八角柱状硬质合金，这个镶焊角为90°-15°，刃尖角范围为80°—90°，而各个钻头镶焊的合金数量也不尽相同，依据不同的ф 值镶焊数量不等。其中内、外、底出刃也有相关明确数值要求。其中还要做到镶焊技术过硬，质量较好。
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4.2 螺纹钻头
在钻进卵碎石层过程中使用的螺纹钻头需要加厚叶片的螺纹钻头，也就是ф130 和ф150 螺纹钻头，这样才能抵抗较大的冲击力和扭矩。
5.相关钻进方法的要领
5.1 螺纹钻进
使用螺纹钻进的方法通常是在遇到地层密实度为松散到中密、地层含水量较小且粒径在20-60mm，填充物为粘性土的情况，钻压为正常钻进的钻具自身重量，转速通常为20-40 转每分钟，当钻进过程中遇到进尺缓慢且钻具回转叫平稳的情况，可根据情况适当提高参数，如果进尺困难，而且压力表跳动幅度大时，应当马上提钻，防止设备受到损伤，在每进尺0.5m 提钻一次，使下次起钻更为容易，再碰到螺纹钻头卡住或者被埋时，应缓慢反出，避免蛮力拔出，以免造成叶片受损和壁孔坍塌。与此同时还需配备较大扭矩和大提升力的全液压钻机，在经验丰富的工作人员下进行钻进。
5.2 干钻
在遇到地层填充物为粘性土且地层较为密实，地层含水量小的情况下，通常使用干钻的方法，此方法还适用于地质要求采取原始试样的孔段。在回次开始钻进时，相关参数应取下限值，在随着钻进进尺的增加而递增，与此同时，还需要结合进尺快慢的情况，调整钻进相关参数，如果钻进进尺连续顺利，最好保持原参数，在钻进过程中，需要人为上下窜动钻具，以此避免钻头烧死或者堵死。在碰到进尺相对困难的时候，应当根据相关情况重新确定钻进方法，在钻进遇到漂石的时候，进尺会出现缓慢、压力平稳的情况，这时需要采用钻进基岩的相关参数设置。
5.3 注水钻进
在我们的卵碎石层的钻进作业中，不主张泥浆循环或者是清水顶漏钻进，只有碰到某些特殊情况的时候，比如地层松散且土层粘性低，方采用注浆护壁，相关具体方法如下：含水饱和，直接使用掺有锯末等纤维物质的黏土球护壁，当含水量处于高-稍高时，采用一定特性的泥浆，野外作业通常采用如下配置的泥浆，漏斗粘度为17.5-21.5，比重处在1.05 和1.14 直接，酸碱值为8，胶体率保持在95 到100 之间，失水量为20-25 毫升每分钟，此泥浆较容易配置，可在遇到含水量较低或者漂石地层使用。
6.质量保障措施
工程的重点与难点在于卵石层钻进中的技术问题，包括：防治漏浆；防止卵石层坍孔；提高卵石层钻进效率；解决漂石层钻进。在卵碎石层中钻进时，卵碎石的不均匀性，易导致钻进过程中发生钻孔倾斜钻进。卵碎石层胶结疏松，钻进困难，易产生缩孔、塌孔、埋钻及漏浆等事故，设备故障率增加，常常需要维修；这些都影响了施工工期。
在地基钻进过程中，针对卵碎石层钻进，易产生缩孔、塌孔、埋钻及漏浆等事故的问题。采取了多种技术措施，现总结如下：
6.1 增强孔壁的稳定性以及防止漏浆发生
卵碎石层结构松散，颗粒之间缺乏胶结，钻进时井壁的稳定性是保证钻孔成功的关键所在，所以必须增加孔壁的稳定性，最大限度防止漏浆的发生。漏浆主要发生在桩基施工前期，一旦卵石缝隙被黏土颗粒充填，漏浆量会越来越少甚至全部消失。提高泥浆粘度，若漏浆严重，除进一步补充泥浆外，可向浆液中加适当的水泥粉，保持孔内水头高于地下水位2-3m。现场施工时主要采取向孔内投入黏性土慢速钻进的方法来加固孔壁，当漏浆现象不严重时，可采取加大泥浆比重的方式加固孔壁。同时，随泥浆漏失及孔深的增加，需及时向孔内补充泥浆以保证孔内水头高度。钻进至卵石层时，由于卵石层中土的孔隙比增大导致孔内泥浆液面迅速下降，及发生漏浆现象。现场施工时主要采取向孔内投入黏性土慢速钻进的方法来加固孔壁，当漏浆现象不严重时，可采取加大泥浆比重的方式加固孔壁。同时，随泥浆漏失及孔深的增加，需及时向孔内补充泥浆以保证孔内水头高度。
6.2优化与改性泥浆配比以防止孔壁坍塌
泥浆性能的最主要的指标有3 个，即黏度、含砂量、失水量.黏度过低，不仅会导致护壁效果差，易造成钻孔坍塌。若解决了漏浆问题，只要保持孔内水头高于地下水位2～3m 和泥浆性能，就能确保钻进过程中不发生坍孔事故。泥浆的好坏是成孔质量的重要保证之一。优质的泥浆可使孔壁形成一层粘性好、密度大、渗透性差的泥皮，这层泥皮可防止孔内泥浆外渗，大大减缓了孔内水头降低的速度，泥浆灌装护壁冲击钻进工艺采用的PW 植物胶泥浆，具有很好的防塌性能，即使对松散的卵石层，在冲击震动的情况下也能完好的保护孔壁，实现裸孔冲击钻进。灌浆的水泥需添加水泥速凝剂，增添适量水泥速凝剂，可以使孔中泥浆在填充孔壁缝隙后，较快速胶结，增加了卵碎石层孔壁的胶结程度，防止孔壁坍塌。
6.3改进钻进器械提高卵石层钻进效率
在卵石层中钻进，孔壁内钻渣的清理对钻进效率影响较大，若钻碴不能及时返出孔底，会导致钻头在孔底重复破碎钻碴。也可采用“小径打、大径扩”的措施成孔。在圆砾层钻进时，一旦出现憋车、钻具跳动、进尺缓慢等现象，应立即换小径筒状钻头钻过该层，然后再换大径刮刀钻头扩孔。在钻孔过程中，多次由于砾石掉落而造成卡钻、塌孔、偏斜，影响了施工工期（正常情况下通过卵石层需要1 天）。大部分成孔过程中发现地下65～70m 左右有裂隙，造成漏浆；
正确选用钻头可以加快钻进速度提高钻进效率，选用三牙轮钢齿钻头.该钻头齿长，耐磨性能较好，不仅钻进速度快，而且提钻次数少，综合效率高。它与刮刀钻头相比具有较好的防斜性能，尤其在钻进含卵砾石层时，不易出现孔斜。
若工程地层存在较厚的砂卵石层，旋挖钻成孔非常困难，局部地段存在无法钻进的现象，主要表现在以下几方面：（1）卵石层对钻头磨损大。（2）遇漂石难以钻进，粒径大于20cm 的卵石层需将卵石破碎后方可钻进，成孔困难。
采取加强孔壁防护、加大孔内水头、对于不同地层采用适应钻头进尺等措施后，旋挖钻在本工程的成孔效率大大增加，同时也保证了成孔质量，且旋挖钻在施工过程中仅用泥浆护壁，不用泥浆排渣，因此泥浆用量少，钻碴流动性小，可集中堆放。
6.4卵碎石层钻进过程中的纠偏措施
对于卵碎石层钻进施工来说，有效的纠偏手段和方法也是非常重要的一个环节。在钻孔测斜过程中，一旦发现孔斜有超限的趋势就应立即进行纠偏。常采用的纠偏方法有2 种，即垫钻塔纠偏与螺杆钻具纠偏。一般在孔深不大于280m 时，采用垫钻塔纠偏；孔深大于280 m 后采用螺杆钻具纠偏。
1）垫钻塔法纠偏。
垫钻塔法纠偏的基本原理是人为将钻塔的某一部位垫起，使其歪斜，从而利用钻塔的歪斜和设备不正，使钻具向钻孔偏斜的反方向造斜，达到纠偏的目的。
2）螺杆钻纠偏。
螺杆钻纠偏是深孔段最有效的纠偏方法.其基本原理是利用螺杆钻与弯接头构成的弯钻具，向钻孔偏斜的反方向造斜，来达到纠偏的目的。螺杆钻纠偏的效果与定向、纠偏钻进以及纠偏后的钻进有关：定向的精度直接决定着纠偏的成败；纠偏钻进时弯接头的度数以及钻进的段长直接影响着纠偏的效果；纠偏后的钻具组合及钻进参数也会对纠偏效果产生较大的影响。
7.结语
综上所述，本文所阐述的只是基于笔者现阶段的工作现状而言，得出的相关卵碎石层钻进工艺选择经验，在钻探中还可以加入其它相关应用，这样工程地质钻探中卵碎石层的钻进效率还能得到相应的提高。
参考文献
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论文作者:徐建祥
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/5/31
标签：地层论文; 泥浆论文; 碎石论文; 钻头论文; 卵石论文; 过程中论文; 进尺论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;