厚壁套管與植物膠用于深厚砂卵礫石層鉆進的應用研究

李建軍，陳保國

(中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京100024)

1 概述

巴底水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內的大渡河干流上，裝機容量700 MW，年發(fā)電量28.86億kW·h;水庫總庫容1.699億m3，正常蓄水位2075 m，攔河壩壩高98 m，為二等大(2)型工程。

工程區(qū)河床覆蓋層大約在60～140 m左右。由含泥砂礫石、塊碎石和三層細粉砂層相間構成，孤石較多，區(qū)內遇到最大孤石直徑達8 m左右，同時存在局部架空現(xiàn)象。工程區(qū)地層無膠結、透水性強、極易發(fā)生錯動、孔壁不穩(wěn)定、漏漿嚴重，且局部區(qū)域存在涌水現(xiàn)象，易發(fā)生卡鉆、埋鉆事故，屬于典型的復雜地層，鉆進難度較大。經過不斷分析、摸索后，形成了一套行之有效的深厚砂卵礫石層鉆進工藝，順利完成了規(guī)定的鉆探任務，積累了在深厚砂卵石地層鉆進的寶貴經驗。

2 鉆進工藝

2.1 鉆進設備及機具

本次鉆進工作使用的鉆探設備及機具為:XY－2型鉆機，BW－150型泥漿泵，SDB雙管金剛石鉆具，8 m四腳鉆塔，厚壁地質管材。

2.2 沖洗液選擇與配制

本次鉆探過程中使用的沖洗液按照植物膠低固相沖洗液的配比進行配制，具備攜帶巖粉清洗孔底、冷卻鉆頭、潤滑鉆具、保護巖心、潤滑鉆具、減少振動以及優(yōu)越的減阻效應等特點，可滿足深孔鉆進的要求。植物膠低固相沖洗液的配制是在生產廠家的建議配比的基礎上，將SH植物膠粉和鈉土的比例做了小幅調整配制而成的［1，2］。

2.2.1 配方

SH∶鈉土∶水=3∶6∶100(質量比)。燒堿∶SH=8∶100(干粉質量比)。

2.2.2 配制

先在攪拌槽中加入一半的水，開動攪拌機后加入SH植物膠干粉，攪拌均勻至沒有結塊現(xiàn)象，然后加滿水繼續(xù)攪拌，同時加入燒堿，攪拌5 min后，加入粘土粉繼續(xù)攪拌，直至全部分散。

2.3 鉆頭選擇

植物膠低固相沖洗液的優(yōu)越潤滑性可極大地降低鉆頭磨損，但由于砂卵礫石層自身的不穩(wěn)定性(表現(xiàn)為卵石之間極易錯動)，導致金剛石鉆頭在孔底的工作條件仍然較差［3］。綜合考慮地層特點和沖洗液性能等多方面因素，最終選擇熱壓孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC45～50，底唇厚度15 mm。

2.4 鉆進實例

2.4.1 鉆進過程

以ZKz40鉆孔為例(覆蓋層深度122 m)。

在鉆進過程中，若遇到孤石，可以計算其確切位置進行孔內爆破處理。該孔在放炮跟管工藝操作下，168 mm套管跟進深度約36 m，考慮起拔安全，及時進行了變徑。變徑后采用110 mm SDB植物膠鉆具進行取心、139 mm套管進行護壁的鉆進工藝。139 mm套管跟進深度達到106 m。套管最大下入深度見表1。

表1 套管下入最大深度

鉆進程序:植物膠鉆具取心→孔內爆破(偶爾進行)→跟進套管→植物膠鉆具取心。此過程循環(huán)進行直至鉆穿覆蓋層或者達到設計要求。

2.4.2 鉆進參數(shù)及注意事項

在植物膠鉆進中，鉆進參數(shù)具有高轉速、小泵量、低鉆速的特點(具體參數(shù)見表2)。

(1)在配制植物膠低固相沖洗液時，必須保證鈉土和植物膠干粉全部分散，無結塊現(xiàn)象，以免堵塞水龍頭或者SDB鉆具。

表2 SDB鉆具鉆進參數(shù)

(2)為了保證沖洗液里的固相含量在適當?shù)姆秶畠龋谘h(huán)系統(tǒng)內挖建沉淀池，或者在漿液中加入高水解度的聚丙烯酰胺水溶液，可以加速巖粉的沉淀，以維護沖洗液的各項性能指標穩(wěn)定［4］。

(3)隨著沖洗液的不斷循環(huán)，粘彈性物質含量逐漸降低，其粘度就會隨之降低，應定期補充新沖洗液，維持沖洗液的粘彈性等各項指標［5］。

(4)在采用SDB鉆具鉆進時，回次進尺根據(jù)具體鉆進情況而定，為保證取心質量，一般應控制在1～1.5 m范圍內。

(5)對于孔內漏漿嚴重的地層，要通過投粘土球的方式即時堵漏，效果不明顯時，可以縮短回次進尺，不斷跟進套管，縮短裸孔段。

2.5 取心質量

深厚砂卵礫石層鉆進不僅要求得到準確的覆蓋層的厚度，而且對砂卵礫石層的原狀巖心要求也較高，在采用植物膠低固相沖洗液后，經過現(xiàn)場不斷調整配比，在取心質量和巖心采取率方面都取得了非常好的效果，各項指標均達到地質任務書的要求。具體取心情況見圖1、圖2所示。

2.6 孔內事故預防及處理

在深厚覆蓋層鉆進過程中，頻繁發(fā)生埋鉆事故和套管斷裂脫落事故。預防及處理方法如下。

2.6.1 埋鉆事故

2.6.1.1 預防

(1)根據(jù)孔壁穩(wěn)定性及是否返漿決定超前鉆進長度。漏漿嚴重時，盡量保證鉆具不要完全伸出套管管靴。注意觀測孔口返漿量，如果孔內漏失比較明顯時，必須進行堵漏，嚴防沖洗液由于沖洗液失去護壁效果而發(fā)生孔壁坍塌［7］。

圖1 ZKz40砂層原狀巖心

圖2 ZKz40砂卵石原狀巖心

(2)起下鉆具時要保持勻速慢速，防止對孔內沖洗液形成回抽吸力或者激蕩壓力，影響孔壁穩(wěn)定或導致孔壁坍塌。

(3)植物膠低固相沖洗液的護壁效果雖佳，但是還是要求根據(jù)具體鉆進情況，適時下入各級套管進行護壁，不可強行裸孔鉆進，以免發(fā)生孔壁坍塌、埋鉆等孔內事故。

2.6.1.2 處理

(1)在加大沖洗液流量的情況下，提動鉆具，若發(fā)現(xiàn)此法不能奏效，說明埋鉆事故較嚴重，只好采用針對性的措施進行處理。

(2)利用更大口徑的鉆具進行套撈。

(3)利用反絲鉆桿帶著反絲錐對被埋鉆桿進行打撈，最后利用小一徑的單管鉆具進行“掏心”將被埋鉆具內管打撈上來，然后進行變徑鉆進［8，9］。

(4)以上幾種嘗試都無法處理事故時，只能采用導偏進行鉆進。在事故段上方一定距離采用灌漿封孔，待凝固后進行導偏鉆進。

2.6.2 套管斷裂事故的預防及處理

2.6.2.1 預防

(1)在套管選用方面，最好使用公母連接的反扣厚壁套管。可以有效防止套管的脫扣。

(2)如果使用的套管是管箍連接的正絲套管，在下入套管時，要將套管纏麻等防止脫扣。

(3)每次下管前，要檢查套管是否有損壞，絲扣損壞或者變形的套管嚴禁下入孔內。

(4)及時進行糾偏，防止鉆孔傾斜。

2.6.2.2 處理

(1)利用相對應的公錐進行錐取。對于薄壁套管，由于其抗扭強度較低，在套取時不可采用鉆機立軸強行扭轉，應利用管鉗通過人力進行上扣擰緊以達到鎖緊套管的目的，然后通過吊錘錘擊力起拔套管。

(2)利用比斷裂套管小一徑的蓋頭或蓋頭接一節(jié)薄壁套管，然后加卡料的方式對套管尤其厚壁大口徑套管打撈，效果明顯。在蓋頭下方連接薄壁套管，不僅增加了卡死的區(qū)間，而且由于薄壁套管容易被卡料擠壓變形，便于卡死，在通過吊錘往上錘擊的過程中不易脫落［10］。

(3)也可利用專門定做的楔形打撈器進行套管打撈，由于打撈器兩頭本身帶有斜度，很容易卡死卡料。

3 成效與問題

3.1 取得的成效

(1)采用植物膠低固相沖洗液可以大幅度提高鉆進效率，降低鉆探成本。使臺班進尺比清水鉆進提高一倍。

(2)采用植物膠沖洗液，可以提高砂卵石的取心率和取心質量，取到了膠結較好的、能夠清晰的反映砂卵礫石層沉積的原狀巖心。

3.2 存在問題

(1)在涌水地層，仍然存在植物膠沖洗液失效的問題，在維護其穩(wěn)定方面尚沒有行之有效的方法。

［1］付兵，邱太寶.深厚砂卵礫石層金剛石鉆探施工技術和工藝［J］.四川水力發(fā)電，2007，(1).

［2］張志平.SM植物膠在水電工程中的實踐總結.四川水力發(fā)電，2003，(2).

［3］侯滿柱.堅硬地層金剛石鉆進參數(shù)的選擇［J］.山西建筑，2005，31(6):71 －71.

［4］宋宏圖.SM植物膠和SD系列金剛石鉆進工藝在深厚砂卵石層的應用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(3):13－15，17.

［5］馮建明.田灣河大發(fā)電站閘址深厚覆蓋層勘探的實踐［J］.四川水力發(fā)電，2001，20(3):77 －78.

［6］黃小軍.跟管鉆頭鉆進技術在水電勘探中的研究與應用［J］.巖土工程技術，2011，25(2):59 －63.

［7］王福.淺析復雜地層孔內事故的預防［J］.林業(yè)科技情報，2007，(3).

［8］劉志剛.淺談地質鉆探中孔內事故發(fā)生及防范措施［J］.科園月刊，2008，(8).

［9］馬舉，陳衛(wèi)杰，劉惠民.埋鉆事故的預防和處理措施［J］.黑龍江水利科技，2003，(2).

［10］李世忠.鉆探工藝學(中冊).北京:地質出版社，1988.