永凍地層鉆探施工方法論述

摘要：作為永凍地層勘探的重要技術(shù)措施，良好的鉆探施工方法對于提升永凍地層的鉆探水平具有重要作用。本文首先介紹了永凍地層鉆進(jìn)過程中面臨的主要困難，然后具體探討了永凍地層鉆探施工方法，以期為相關(guān)技術(shù)及研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：永凍地層；鉆探施工；方法

常年存在的永凍曾，在實(shí)際地層鉆探過程中容易受到鉆桿高速轉(zhuǎn)動熱量過高及沖洗液沖刷等因素的干擾，化冰時很容易導(dǎo)致地層融蝕，嚴(yán)重時則可能崩塌，造成成孔苦難、鉆進(jìn)困難；另外由于外界環(huán)境溫度過低導(dǎo)致高分子難以溶解，沖洗液流變性較低，很難有效發(fā)揮性能。這些都在一定程度上影響著永凍地層的整體鉆進(jìn)施工。因此，加強(qiáng)有關(guān)永凍地層鉆探施工方法的研究，對于改善永凍地層的勘探效益及質(zhì)量具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

一、永凍地層鉆進(jìn)過程中面臨的主要困難

（1）在永凍層和部分蝕變過度的孔段施工時，不僅巖心采取難度較高，且容易坍塌憋泵造成鉆進(jìn)中止，由此常常造成鉆孔越打越淺的問題。

（2）凍土層孔段施工過程中，由于鉆桿的高速回轉(zhuǎn)形成的熱量及沖洗液的大范圍浸泡會造成凍土逐漸融化崩塌，鉆孔局部很容易全面崩潰，開孔難度較大的同時會大幅度增加各類事故發(fā)生的概率。

（3）凍土地區(qū)植被脆弱，原有的常規(guī)的技術(shù)設(shè)備在使用時會因修路及機(jī)臺地盤等占用過多的土地面積，其對草地等生態(tài)植被的破壞程度較為嚴(yán)重，且由于占地而引發(fā)的毀草賠償問題很難達(dá)成協(xié)議，容易增大鉆探費(fèi)用。

（4）由于溫度變化過快/溫差過大等因素的影響，勘探地區(qū)沖洗液的配制難度較大，泥漿結(jié)冰后其流變性變?nèi)?，很容易減緩施工進(jìn)度。

二、永凍地層鉆探施工方法

1、選用恰當(dāng)?shù)牡貙鱼@探施工方法

依據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在鉆孔上部復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中跟管鉆進(jìn)法是當(dāng)前效率最高的一種方法，其依次下入護(hù)壁套管，對鉆孔上部的復(fù)雜地層具有良好的支撐隔離作用。該種方法的主要技術(shù)措施為：

（1）使用改進(jìn)后的f110mm硬質(zhì)合金筋骨鉆頭或f130mm的普通硬質(zhì)合金鉆頭實(shí)施鉆進(jìn)；

（2）待孔洞深度達(dá)到1.5m深時，將開孔鉆具拔出，放入長度為1m、f146mm護(hù)壁套管，在其首節(jié)下部安裝有f 150mm普通硬質(zhì)合金鉆頭；[1]

（3）將開孔鉆具再次放入，以原有孔洞深度為起點(diǎn)再次鉆進(jìn)，直至到2.5m深位置處，隨后將鉆具拔出，在原有護(hù)壁套管基礎(chǔ)上再次接入f146mm的護(hù)壁套管。

（4）按照上述跟管鉆進(jìn)方式交替施工，鉆進(jìn)過程中護(hù)壁套管附帶的鉆頭與鉆進(jìn)鉆頭之間的距離應(yīng)保持在1.5m左右，先進(jìn)行1m左右的鉆進(jìn)，再接著跟進(jìn)接入護(hù)壁套管，直到將第一級護(hù)壁套管通過回轉(zhuǎn)加壓方式固定在底部永凍層中比較穩(wěn)定的部位為止。首級護(hù)壁套管通常會下入到5～6m的位置其對融凍層具有良好的保護(hù)支撐作用。

（5）待第一級f146mm護(hù)壁套管完全滲入孔內(nèi)后，改用f91mm專用肋骨式硬質(zhì)合金探頭實(shí)施鉆探，并同時搭配采用低溫聚合物沖洗液，在全部穿過永凍層中基巖上部容易出現(xiàn)裂隙及破碎問題的地層直到達(dá)到穩(wěn)定層后，將f108mm的護(hù)壁套管下入到洞內(nèi)。鉆探時若出現(xiàn)漏失、坍塌等事故問題而造成鉆探中止時，也可選用跟管鉆進(jìn)法進(jìn)行施工。作為第二級護(hù)壁套管，f108mm護(hù)壁套管在完全放入后可用于支撐保護(hù)基巖上部容易裂隙及破碎問題的地層。

（6）在中深孔鉆進(jìn)過程中可選用S75繩索取心鉆孔，以有效改善鉆探效率。二級護(hù)壁套管完全放入后，完成磨孔后再使用f76mm的金剛頭鉆頭鉆探到終孔。

2、做好沖洗液選用及配制

當(dāng)前在永凍層鉆進(jìn)施工過程中，可選用的沖洗液或采取的技術(shù)方法通常為：使用各類有機(jī)抗凍劑，其施工費(fèi)用相對較高，效果不顯著；在對沖洗液實(shí)施預(yù)先加熱后再將其送入孔內(nèi)，其僅在鉆探過程中具有較高的適應(yīng)性，且容易出現(xiàn)孔內(nèi)事故；使用多種濃度和類型配制的無機(jī)鹽類沖洗液，具有明顯的效果；采用傳統(tǒng)的清水或細(xì)分散型泥漿，其事故發(fā)生率較高，且施工效率較差；將煤油或柴油注入到孔內(nèi)，可在短時間內(nèi)發(fā)揮作用，但容易產(chǎn)生油垢粘附在鉆桿柱上，進(jìn)而導(dǎo)致沖洗液循環(huán)不流暢而引發(fā)燒鉆事故。 [2]

（1）抗低溫沖洗液

低溫條件下在永凍地層勘探過程中，應(yīng)不斷改善沖洗液的防凍及護(hù)壁性能。作為一種泥漿添加劑，高分子聚合物通常具備較高的護(hù)壁性能，然而由于其鏈接較長、分子量較大，在日常溫度條件下溶解度較低，當(dāng)受到低溫環(huán)境條件影響時，其溶解度會降至更低，沖洗液結(jié)凍后流變性能更差，這在很大程度上影響了沖洗液的使用及配制。在永凍層沖洗液多次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用3%的膨潤土、2.5%的TM植物膠及乙二醇等可配制出膠體率在98%以上的、泥皮厚度在1mm以下的低溫低固相泥漿沖洗液，實(shí)踐中證明其可有效改善孔壁支護(hù)條件，巖心采取率可提升至85%以上。

（2）沖洗液配制

在泥漿配制過程中應(yīng)在摻加完其他添加劑后再加入乙二醇，在加入食鹽后在添加純堿，以提升低溫條件下泥漿的流變性。此兩種添加劑均應(yīng)在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行使用。

因部分地區(qū)加熱條件不足，可在其他區(qū)域加熱條件下先將高分子聚合物配置為固定濃度的預(yù)制液，使用桶裝運(yùn)輸至機(jī)臺位置以方便備用。

因低溫條件干擾，泥漿攪拌時間應(yīng)比常溫條件下長2～3倍。[3]

3、鉆具選用及操作

（1）一般條件下，施工鉆進(jìn)的鉆壓通?？刂圃?～4kN，由此避免巖心發(fā)生糊鉆或阻塞；鉆速應(yīng)避免過快，以保護(hù)地層礦心。

（2）在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，采用金剛石鉆探時，應(yīng)在原有鉆頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，增大水口數(shù)量，改善水口排列，鉆頭側(cè)面改用肋條式，以降低鉆頭阻力系數(shù)，適應(yīng)鉆頭冷卻條件；在選用硬質(zhì)合金鉆探時，應(yīng)選用外出刃較大的鉆頭或肋骨式鉆頭。

（3）由于“干鉆”法施工時機(jī)械鉆速過快，容易破壞巖心原始結(jié)構(gòu)，且容易出現(xiàn)糊鉆、燒鉆等事故，因此在選用沖洗介質(zhì)及鉆探方法時，應(yīng)避免采用該法。

結(jié)束語：

鉆探方法的應(yīng)用質(zhì)量將直接關(guān)系著永凍地層的勘探水平及工程整體效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)永凍地層鉆探方法的研究，總結(jié)鉆探方法選擇要點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)措施，以逐步改善永凍地層鉆探水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁付利.凍土地層低溫鉆井液體系研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京）.2014，06（10）：61-62

[2] 盧采田，李建平.永凍層繩索取心鉆探?jīng)_洗液技術(shù)[J].探礦工程（巖土鉆掘工程）. 2012，05（35）：57-58

[3] 陳鑫發(fā)，陳瑩，余立明，羅園.淺析豫西地區(qū)復(fù)雜地層快速鉆探設(shè)備及機(jī)具選用[J].地質(zhì)裝備.2012，13（14）：74-75.

作者簡介：伍陳東 （1985-），男，重慶，學(xué)歷：本科，研究方向：鉆探工程endprint