植物膠沖洗液在巖溶區復雜地層鉆探中的應用

胡俊凱 何 鑫

（中南林業科技大學土木工程學院 湖南長沙 410004）

1 概述

隨著我國改革開放的不斷擴大，高速公作為引領區域經濟發展的先行條件和重要手段，其重要性不言而喻，特別是地處山區，是引領當地發展的迫切需要。在巖溶區地質勘察中，利用鉆探技術查明工程地質條件則是修建高速公路的先決條件，巖溶地區地形、地貌復雜，在鉆探施工中極易遇到破碎地層，鉆進的過程中易出現鉆孔垮塌、取芯率低、延誤工期和增加施工成本等問題，嚴重者則需要重新鉆孔，通過使用植物膠沖洗液，對破碎地帶提高巖芯取芯率、防止鉆孔坍塌效果顯著。

2 項目概況

2.1 項目區域

該項目是成都至遵義國家高速公路，地處貴州省遵義市，地處西部高原山地第二階梯向東部丘陵平原第三階梯過渡地帶，其地勢特點是中部高，東、西部較低；北部較高，南部稍低，即中北部向東、南、西三面傾斜。項目區地形地貌復雜，工程地質條件差，在勘察中的鉆探施工難度大。

2.1 地層巖性

項目區域主要出露地層，有古生界的寒武系、奧陶系、志留系、二疊系；中生界的三疊系；新生界的第四系。其中碳酸鹽地層在區內展布范圍廣（約占路線長度90%），項目區絕大部分地區屬裸露型或覆蓋型巖溶地帶，巖性以白云巖、灰巖、白云質灰巖、泥灰巖、粉砂巖和泥巖夾煤層，第四系（Q4）在全線均分布，組成成分為粘土、粉質黏土夾少量碎石，后0～5m不等。

地形復雜，地質構造多，巖性變化次數達35余次，斷層數量達21條，巖性變化快，巖性復雜，巖體破碎，工程地質條件差是該項目區域的典型特點。

2.2 地質構造

項目區所在區地質構造復雜，在地質構造單元上，項目區大地構造位于揚子準臺地中的黔北臺隆二級單元，區內構造主要形成于中生代中晚期的燕山構造期，在漫長的地質發展過程中，先成體系控制、制約后生體系，同時后生體系改造、破壞先成體系，產生了構造體系間的多種復合關系；因扭動構造體系中“多”字型構造、棋盤格式構造等十分發育，加之褶皺、斷裂廣布，形成了極其復雜的地質構造形跡。

3 鉆探施工難點

3.1 地形不利于鉆探作業

在項目區部分路段地貌類型以巖溶峰叢谷地、洼地及向、背斜與緊密褶皺帶相間形成的壟崗槽谷為主，在組合及展布上除與巖性有關外，主要受構造控制。由于碳酸鹽類與碎屑巖類相間分布，可溶巖呈谷，非可溶巖程脊，山脈多呈脊狀，展布方向與構造線方向一致。地形起伏大，坡度一般20～40°，相對高差20～50m。且植被茂密，部分鉆孔距離水源較遠，需人工托運水袋至孔位處。

3.2 易發生孔內事故

K34+000～K62+350路段：地貌類型以溶蝕峰叢谷及侵蝕低中山為主，地形起伏大，地面橫坡陡峻，受河谷溪溝沖刷及機械搬運，巖石切割破碎嚴重，坡度一般為40～80°，相對高差50～150m。河流上游切割深度高于100m，側蝕和下切河谷能力強，形成深切V型河谷地貌。在前期鉆探施工過程中遇到破碎地層，破碎、掉塊、漏失、塌孔等現象經常發生，并且巖芯采取率低，巖芯采取質量低，鉆進效率低下，輕者造成卡鉆，嚴重者造成埋鉆、廢孔等問題。

3.3 巖芯采取率低

由于項目區域破碎地層廣泛分布，在鉆探施工的過程中巖芯采取率只有50～60%，在破碎嚴重區域只有20～30%，遠遠不能滿足地質勘察取芯要求。

4 植物膠沖洗液作用機制

4.1 作用特點

因沖洗液在鉆探施工中不可或缺的重要作用，又被成為鉆進施工中的“血液”。傳統沖洗液的作用有：①清洗孔底，懸浮和攜帶巖粉；②冷卻鉆頭、提高鉆頭壽命；③潤滑鉆頭和鉆具，減弱鉆具震動；④形成泥皮，保護孔壁；植物膠沖洗液屬于天然高分子聚合物主要的性能特點：①溶劑單一；植物膠只溶解于水。②低密度、高流動性有利于提高鉆進效率。③具有粘彈性、流變性起潤滑減振的作用。④生態環保；因植物膠由多種天然植物制成，可自然降解對生態環境沒有影響。

4.2 護壁

植物膠是親水性強的天然物質，能夠迅速溶于水形成膠體，植物膠膠液對巖層具有較強較強的物理和化學吸附性和粘彈性，在孔壁表面產生一層薄而韌的膠膜，保護膠膜形成后能有效防止水分的滲入，防止植物膠沖洗液中的自由水的流失，同時沖洗液具有的粘彈性對孔壁和巖芯起到減振的作用，從而達到保護巖芯、穩定孔壁的作用。

4.3 防止孔內事故

植物膠沖洗液一方面具有能夠在孔壁形成膠膜，會降低鉆桿與孔壁的摩擦力，達到潤滑減阻減振效果，進而防止鉆孔坍塌事故的發生，另一方面植物膠沖洗液流變特性，非常強的巖屑粘結力和絮凝清除功能，防止巖粉在孔底的積累，清洗孔底，從而能夠大幅提高鉆進效率，并能提高巖芯質量，防止卡鉆、埋鉆事故。

4.4 保護巖芯

植物膠沖洗液的表面張力的存在，較好的成膜性，可在巖芯的形成一層保護膜，可對巖芯形成有效的保護，進而提高了巖芯的采取質量。

5 植物膠沖洗液的配制

植物膠沖洗液憑借著其特有的性質特點，在地質勘察的鉆探施工中的到了廣泛的使用，但是植物膠液在未經過處理時，并不能直接用于鉆探施工中，并且達到保護孔壁、攜帶巖粉和潤滑減阻的作用。通過添加有機物、橋接作用和交聯作用對植物膠沖洗液的性能得以有效控制，使其滿足鉆探施工的需要，常用的植物膠主要化學組成見表1。

表1 常用植物膠主要化學成分

本項目所采用的是SM植物膠沖洗液的配制方式為：將土粉5～10%和SM植物膠粉混合后同時加入NaOH水溶液中攪拌或先將土粉在NaOH水溶液中攪勻后，再加入植物膠攪拌約30min，然后浸泡待稠化后使用。亦可將分別泡好的2種漿液按比例混合并加水稀釋，攪拌均勻即可使用。NaOH加量為土粉和SM植物膠總重量的約5%，PHP干粉加量為約為220PPm。

通過對NaOH的控制，可改變對植物膠沖洗液粘彈性性能的改變，在不同地層類型，不同巖性的情況下，改變NaOH的用量加強沖洗液攜帶巖粉的能力。

6 應用效果

通過在該項目區復雜地層中相同地層巖性的情況下分別使用植物膠沖洗液和普通沖洗液分別在相同巖性地層破碎帶與非破碎帶的60m鉆孔作了對比分析見表2。

表2 巖芯鉆探功效對比

從表1可以看出在相同破碎、漏失地層類型的情況下，植物膠對提高巖芯采取率有顯著提高，對鉆探施工效率提高30%，更能有效穩定孔壁，避免孔壁掉塊、坍塌，進而防止發生卡鉆、埋鉆等事故，同時在使用植物膠沖洗液的情況下巖芯較完整，采取植物膠沖洗液后巖芯采取率同比提高20～30%，且全部滿足地質勘察取芯要求。

7 結語

通過在復雜地層巖溶區鉆探施工中植物膠沖洗液的使用，有效的避免了巖芯破碎，采取率低的情況，防止了鉆孔坍塌，對成孔效率得到了大幅度的提高，降低了鉆孔成本，總之植物膠沖洗液充分滿足了該區域復雜地層鉆探對鉆孔液的要求，并且有以下性能：

（1）可控制的粘彈性和流變性，通過改變沖洗液的粘彈性和流變性達到攜帶巖粉的目的。

（2）良好的潤滑減阻性能，以此可大幅度提高鉆進效率。

（3）穩定孔壁的作用，降低卡鉆、埋鉆等的孔內事故的發生。

（4）低密度、高流動性，孔底壓力差小，有利于提高鉆進速度。

（5）無固相體系，對鉆孔設備損耗低，在鉆桿內不易形成泥皮。

（6）生態環保，可在自然中自然降解，對生態環境沒有破壞。

針對復雜地層鉆探施工中植物膠的應用，由于復雜地層的成因不同，對提高植物膠沖洗液在鉆探施工中的作用可從以下方面著手：①配制，例如通過改變NaOH的用量可改變沖洗液粘彈性的特點，以此滿足鉆探施工的實際需要。②在不同的地層、覆蓋層厚度不同等的情況下，在鉆探施工中還可在孔中使用單層套管或雙層套管。③鉆進方式，在不同類型地層中選擇合適的鉆進方式對提高鉆進效率起重要作用。④選擇適合本地層巖性的鉆孔設備，對提高成孔率、降低施工成本起著重要作用。