復雜破碎地層中應用SDB系列金剛石鉆探工藝提高取芯質量的探索

陶 曙

(湖南省交通規劃勘察設計院,湖南長沙 410008)

所謂復雜地層包括松散地層和破碎地層。松散地層指第四系砂卵石覆蓋層;破碎地層指基巖經風化和構造運動而形成的硬、脆、碎地層或軟、酥、脆地層。復雜地層巖芯鉆探取芯難度較大,如果沒有采取有效的措施,鉆探取芯就可能達不到地質要求而造成損失。運用SDB系列金剛石鉆具(也稱雙級單動金剛石鉆具)配套S系列植物膠鉆井液的鉆進方法,復雜地層的巖芯采取率可達到95%～100%,而且大多數可取得原狀結構柱狀巖芯,能直觀準確反映地層的原位結構和成份。本文結合實際工程,探討和總結該項技術的實際應用。

1 復雜地層中影響取芯質量的因素

1.1 地質因素

地質因素是地質條件決定的取芯難易程度,復雜地層取芯大致可分為以下2大類:

1)取芯比較困難,或者相當困難的復雜地層,如砂卵石覆蓋層、基巖的斷層帶、軟弱夾層、嚴重破碎的擠壓破碎帶、軟酥脆巖層以及自然狀態下完整,但一經鉆進就成為粗砂顆粒的巖層(如白云巖、硅質巖等),這類地層必須經過人們采用特殊的工藝技術措施和特殊的工具才能滿足取芯的質量要求。

2)取芯非常困難,目前只能通過一定特殊的工具采取部分代表性樣品的地層,既不能保證巖芯采取率要求,更不能保證巖樣結構的地層,如基巖中已經壓破碎成均勻粗顆粒,又無粉狀物充填的硬碎地層;砂卵石地層中的架空層,近代沉積的淺表層、人工堆積層、無細顆粒充填的均勻礫石層,石英砂巖卵石層,以及抽水井、降水井周圍卵石層等。

1.2 技術因素

技術因素是指人們采用的取芯工具、材料和工藝技術措施對取芯質量的影響。

1.2.1 沖洗液的影響

從傳統的要求來說,鉆探沖洗液的作用只是冷卻鉆頭、排除巖粉、保護孔壁(部分沖洗液)和潤滑鉆具(潤滑沖洗液)四大功能。

傳統的沖洗液如清水、加潤滑劑的水溶液、泡沫液、泥漿及聚丙烯類無固相沖洗液,都對巖芯有沖刷、浸潤和液化作用,巖芯中松軟破碎的細顆粒成份都會潰散而被沖掉,因此很難取得高質量的巖芯。現在植物膠類粘彈性鉆井液的研究和應用,除了上述功能外,還具有保護巖芯(護膠作用),粘彈性減振作用和降摩阻效應三大特殊功能,這三大特殊功能為上述第一類復雜地層提高取芯質量創造了必需的先決條件。

1.2.2 取芯鉆具的影響

取芯鉆具的影響包括鉆具的種類、結構和加工質量。單管鉆具只在完整巖層和巖芯質量無嚴格要求的地層中使用,孔底反循環鉆具因為巖芯嚴重分選和混亂,現在也很少應用。

鉆具的單動性能是鉆具影響取芯質量的主要因素,SDB系列鉆具目前是國內外單動性能比較好的單動雙管鉆具。其基本要求是鉆進速度快、不易堵巖芯、不磨損巖芯,不因切削具的振動而破碎巖芯。不難理解:選擇的鉆頭進尺快,巖芯在鉆頭處停留的時間短,被沖洗液沖刷的時間短;鉆頭設計的保徑效果好,內徑磨損小,不呈喇叭口,則不易堵巖芯,避免巖芯自磨;硬質合金雙管鉆頭和復合片鉆頭不設計內出刃,在軟巖中鉆進不會因為鉆具的晃動使巖芯直徑變小。

1.2.3 操作技術的影響

操作技術包括鉆進參數和施工工藝。就巖芯鉆探來說,鉆進參數是指鉆進壓力、轉速和泵量。泵量是影響取芯質量最關鍵的鉆進參數。不論哪一種沖洗液,泵量越大,沖刷巖芯越嚴重,對軟弱、破碎的巖芯十分不利,因此應根據巖石的性質選擇沖洗液的種類,保證冷卻鉆頭和排除巖粉的條件下,應盡量采用最小的泵量。泵壓在正常條件下不作為鉆進參數的要求,但是泵壓在不正常時,會影響取芯質量,應引起操作者注意,查明原因,采取措施排除。

1.3 人為因素

人為因素對取芯質量的影響是人們對取芯質量的要求和付出的努力程度。由于工程勘探的目的不同,對取芯質量的要求不一樣,對于取芯質量要求不高的鉆孔,自然毋須花大的代價去追求高的取芯質量。但對于取芯質量要求高的工程和鉆孔,特別是取芯難度大的鉆孔,不花代價是較難達到目的的。

2 S系列植物膠鉆井液的功能

S系列植物膠鉆井液,是粘彈性鉆井液,不僅具有其他鉆探沖洗液的基本性能,而且具有與其他沖洗液不同的特殊功能;在鉆孔中,尤其是復雜地層護壁效果較好;使用中因為配制的表觀粘度比較高,即使采用較小的泵量,排粉的能力也很強,可以排除3 mm以上的砂礫;它本身具有一定的潤滑性,可降低水的潤滑系數1/4,起到潤滑鉆具的作用。在采用必須的泵量保證冷卻鉆頭的條件下,它們能夠充分地起到普通鉆探沖洗液四大功能的作用。值得深入探索和充分利用的是S系列植物膠配置的鉆井液的特殊功能,這些特殊功能起到了普通鉆探沖洗液不能起到的作用,因而解決了巖芯鉆探中一些較難解決的難題。

S系列植物膠配置的粘彈性鉆井液表現突出的特殊功能有3項:①護膠作用(也叫護心作用);②粘彈性減振作用;③減摩阻效應。

2.1 護膠作用

S系列植物膠是天然多糖類支鏈型高分子材料,用水溶脹后形成體型網狀結構,在巖芯表面吸附形成膠膜,防止水份滲入和穿透,避免液化和崩塌,因此也避免巖芯被沖刷,起到隔水作用。濃度越高,網狀膠膜越厚而密實,因而護心、護壁的效果好,同時這種粘彈性膠體在砂樣和軟弱巖芯表面及一定深度的表層具有膠結作用和粘彈性強度,抵抗鉆具的振動破壞和地表其他外力的破壞,保持原狀結構,而泥漿產生的泥皮是粘塑性體,膠體很少,大多是固體顆粒,護壁原理不一樣,效果也就不一樣,因而不能護芯。如在湖南省張花高速公路青坪大橋補勘中,同一鉆探點、同樣的巖層,分別運用普通鉆井液與植物膠鉆井液(配合SDB系列金剛石鉆具)取得的巖芯如圖1所示。

圖1 現場巖芯示意圖

2.2 粘彈性減振作用

粘彈性是指流體既有粘性又有彈性,是高分子類流體的一種特性。鉆桿在粘彈性沖洗液的鉆桿中高速旋轉時,轉速越高,橫向振動力越大,但鉆桿某一點橫向作用于沖洗液某一點的時間就越短,沖洗液對鉆桿的徑向反作用力就越大,這個力阻止鉆桿彎曲變形,就像鉆桿在同口徑的直孔中選裝一樣,這樣就增大了鉆桿彎曲的半波長度,減小了振動,也減輕了鉆桿對孔壁的敲擊作用,這就是粘彈性鉆井液能減振的原因。現場實踐證明,S系列植物膠鉆井液粘度越高,鉆桿轉速越高,減振的效果越明顯,振動越小,越平穩。在同等條件下,它比其他沖洗液鉆進,轉速可高開1～2檔。在數十米砂卵石層鉆孔中,Φ94口徑可開800～1 000 r/min轉速。金剛石鉆進需要高轉速,才可能高效率,進尺快,減少巖芯在鉆頭處被沖刷的時間,有利于提高取芯質量。,松軟地層和軟弱巖層鉆進進尺很慢時,取芯效果就不好。同時,鉆具旋轉平穩,振動小,也減少了鉆具對巖芯的機械破壞作用。有利于提高取芯質量。

2.3 減摩阻效應

潤滑沖洗液是為了降低鉆井液的摩擦系數,減少在循環通道中的摩擦阻力,而達到降低泵壓,減小鉆具振動的目的。S系列植物膠鉆井液具有較好的減摩阻效應,不是因為本身摩擦系數大小的原因,而是一種層間滑動,它的摩擦系數為0.26,水中加入皂化油的摩擦系數是0.12,但是S系列植物膠鉆井液比皂化液、清水、低固相泥漿(含PHP)的降摩阻效果都好。

在松散破碎底層鉆進中,S系列植物膠粘彈性鉆井液的減摩阻效應有如下好處:

1)泵壓低,不會在鉆頭附近和內管形成高壓區,可以避免巖芯被破壞。

2)沖洗液與巖芯之間的摩擦力小,減小巖芯被沖刷摩擦破壞的可能性;內管內壁與巖芯的摩擦力也小,巖芯不容易被粗糙的內管摩擦而損壞。

3)金剛石鉆頭和鉆具的磨損降低,提高鉆頭和鉆具的使用壽命。

4)水泵壓力小,動力消耗少,水泵故障減少。

以上S系列植物膠粘彈性鉆井液在很大程度上解決了復雜地層提高取芯質量、金剛石鉆進開高轉速和降泵壓的難題。

3 SDB系列金剛石鉆具的介紹

3.1 概述

SDB系列鉆具是深厚砂卵石覆蓋層和基巖金剛石鉆進專用系列鉆具。是配有普通內管和半合式內管互換的兩級單動機構的雙層巖芯管鉆具,包括SDB110、SDB94、SDB77三級口徑。它適用于未膠結的砂卵石覆蓋層及所有基巖地層金剛石巖芯鉆探,配合S系列植物膠鉆井液巖芯采取率高,可隨鉆取原狀巖樣。

3.2 特點

本系列鉆具的結構包括導向除砂打撈機構、單向閥機構、雙級單動機構、內管機構和外管機構五大部分。下面分述SDB系列金剛石鉆具各部件的特點。

1)雙級單動機構。為提高鉆具的單動性能,保障單動機構的可靠性,SDB系列鉆具設計了兩級單動機構。同時起單動作用。

2)內壁磨光的內管和半合管。SDB系列鉆具的內管有2種:一種是內壁磨光的普通內管;另一種是內壁磨光的半合管。可以根據需要互換。半合管是在鉆進松散、破碎地層時為了取原結構巖芯樣時才使用。

3)單向閥。單向閥使沖洗液在正循環鉆進時暢通,而在下鉆過程中封閉,防止鉆具在接近孔底時,孔內高粘度的沖洗液懸浮的砂子進入鉆桿和內外管之間,堵塞過水通道。單向閥的上閥座上面有打撈頭,用于打撈鉆具。

4)縮短了巖芯管,增設了沉砂管和隔砂管。為了保證鉆具有良好的單動性,縮短了內外管長度。但鉆進基巖時,可根據用戶需要同時增加內外管長度。在沉砂管內設有隔砂管,進入沉砂管內的鉆井液,由于高速轉動時的離心分離作用,巖屑分離下沉,避免進入單向閥和內外管之間,起到了除砂作用。

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4 SDB系列金剛石鉆探工藝操作技術要點

4.1 鉆進參數及操作注意事項

1)S系列植物膠鉆井液和SDB鉆具鉆進砂卵石地層和基巖破碎地層時,要注意按照鉆進參數(表1)一高兩小的三要素操作,即“高轉速,小泵量,小壓力”才能得到最好的鉆進和取芯效果。

表1 砂卵石地層和破碎地層金剛石鉆進參數

2)鉆具在孔內正常進尺時,不要提動鉆具,也不要隨意改變鉆進參數,否則易產生巖芯堵塞。

3)出現巖芯堵塞后,若提動鉆具幾次無效,應及時提鉆,避免磨掉巖芯。

4)裸孔鉆進中,如出現坍塌掉塊,處理的措施有繼續打入套管,下入小一級套管,水泥固壁等,不要強行鉆進,防止埋鉆。

5)孔較深時,起鉆要向孔內回灌漿液,以保持壓力平衡,防止鉆孔坍塌掉塊。

6)泥土層和純砂層鉆進,回次末要停泵干鉆幾公分再起鉆,使巖芯自然堵塞,以防巖芯脫落。

4.2 基巖鉆進操作技術要點

1)基巖鉆進中,遇到破碎地層,鉆進參數與砂卵石層樣,要一高兩小,尤其要注意控制泵量,才能取好破碎地層巖芯,在張花路青坪橋ZK8—1效果如圖2所示。

2)基巖鉆進,根據孔深,應適當加長內外管長度,內管長度2.5～3 m為宜。

圖2 張花路青坪橋ZK 8—1效果示意圖

4)復雜地層起下鉆時速度要慢,起鉆時注意向孔內回灌漿液。

5)破碎性較大的巖層鉆進時,巖芯易破碎,取芯困難,采取的措施有:

①選擇振動較小進尺又快的金剛石電鍍鉆頭。

②減短鉆具內外管長度,保證單動性能良好。

③提高沖洗液的粘度,S系列植物膠,可提高2～3min以上的粘度。

④鉆機轉速以中等轉速為宜,減小振動。

⑤泵量要小,以能冷卻鉆頭為宜。

⑥鉆具口徑在可能的條件下選擇較大一些為好,一般宜用Φ108或Φ91。

⑦軟塑性地層,孕鑲金剛石鉆頭進尺慢,取芯不好,則可選用硬質合金雙管鉆頭或復合片鉆頭,進尺快,則取芯好。

5 SDB系列金剛石鉆探分析總結

5.1 優勢

工程地質勘察中,在復雜地層取芯困難,運用SDB系列金剛石鉆具結合S系列植物膠鉆井液進行鉆探取芯,能提供直觀有效的地質資料(圖3),其重要作用表現為:

1)對破碎巖石鉆探能大幅度提高巖芯采取率。

2)對巖石原狀結構破壞很小,能提高技術員對巖石的分析和判斷。

3)查清滑坡和查找滑動面比較準確。

5.2 不足之處

5.2.1 無法滿足極個別特殊地層取芯要求

在堵漏技術和材料方面還沒有突破性的進展,尤其是長孔段縱向裂隙沿孔漏失加上坍塌,還束手無策。即使在鉆進、護壁、取芯3個方面,也還有不能滿足要求的特殊情況,如堅硬打滑地層鉆進,強水敏性地層的護壁,第三類復雜地層的取芯,都存在有難度,一點巖芯都取不上來也是有可能的,有待于勘探工作者不斷探索和研究。

圖3 青坪橋ZK 8—1對比效果圖

5.2.2 運行成本高

1)植物膠比較貴,每1 t需要5 000多元,而普通泥粉每1 t只需400多元,折算到進尺上比較,用植物膠比用泥粉每1 m增加成本30元左右。

2)鉆探施工每班需要作業人員比普通鉆探施工多2人。

3)鉆進輔助工作時間太長,比普通鉆探施工每1 d少鉆進4m左右,使得生產進度較慢。

綜上3點,使用此項鉆探工藝比普通鉆探施工的生產成本高出1倍,對此,提出下列2點建議:

1)遇復雜地層確實需要解決少量控制性鉆孔取芯難題時才應用此鉆探工藝。

2)施工作業時,需2套SDB鉆具同時配合使用,以減少輔助工作時間,提高鉆進效率。

6 結束語

在全國工程地質勘察行業,還有許多單位不了解SDB系列金剛石鉆具結合S系列植物膠鉆井液進行鉆探取芯工藝的優越性,或者沒有真正掌握它的要領。此項特殊鉆探工藝取芯率高,并能取得原狀結構柱狀巖芯,很好地解決了復雜地層中鉆探取芯困難的問題,在實際工作中可加以推廣應用。

[1]李月良,李映華.提高巖心鉆探取芯質量的研究和技術[Z].2007.

[2]李月良,李映華.復雜地層金剛石鉆進提高取心質量的關鍵技術[Z].2008.