淺談地質(zhì)勘探水利水電論文
1繩索取心鉆進工藝的應(yīng)用研究
1．1試驗性應(yīng)用
由于我院鉆探生產(chǎn)以小口徑金剛石鉆進工藝為主，對繩索取心鉆進工藝技術(shù)尚未實踐應(yīng)用過，因此，為了能更好地投入到生產(chǎn)，先開展繩索取心技術(shù)的試驗性研究工作。本次試驗選用XY－2型液壓立軸式鉆機、BW－250型臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵，循環(huán)液采用SM植物膠沖洗液，鉆桿、鉆頭、鉆具及附屬設(shè)備選用中地裝備無錫鉆探工具廠的S型標準系列。其中，S95、S75繩索取心鉆具各3套，鉆桿各200m，繩索取心鉆頭各10個，打撈器和木馬夾持器各2套，其它附屬材料若干。本次試驗孔深100m，首次對繩索取心鉆進工藝技術(shù)進行了深層次的分析研究和探索應(yīng)用，緊緊圍繞孔內(nèi)潤滑、護壁、取心及鉆進質(zhì)量、效率等技術(shù)難題，重點探索研究了繩索取心鉆進的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)及與之配套的循環(huán)液，初期成果明顯，為實踐性生產(chǎn)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
1．2實踐性應(yīng)用
在試驗性應(yīng)用取得成果的基礎(chǔ)上，在滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK2108孔進行了實踐性應(yīng)用，對繩索取心鉆進工藝作進一步研究。
1．2．1項目概況滇中引水工程規(guī)劃區(qū)含迪慶、麗江、大理、楚雄、昆明、曲靖、玉溪、紅河等8個州(市)所轄的52個縣，國土面積約9.49萬km2(占全省總面積的1/4)，根據(jù)《滇中引水工程規(guī)劃報告》、《滇中引水工程項目建議書研究報告》，滇中引水工程一次建成，工程總干渠奔子欄—蒙自全長848.2km，多年平均引水量34.17億m3，渠首設(shè)計流量145m3/s。萬家—新莊段處于云南高原中部之滇東高原盆地區(qū)，沿線經(jīng)過楚雄紅巖高原亞區(qū)和昆明巖溶高原湖盆亞區(qū)兩個地貌單元，區(qū)內(nèi)山脈和主干河流受構(gòu)造控制明顯，線路通過地區(qū)地層發(fā)育齊全，沉積類型復(fù)雜、多樣，從元古界到第四系均有出露。可行性研究階段計劃(含預(yù)留)鉆探工作總量38250m，要求全孔巖心采取率≮95%，壓水試驗執(zhí)行《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》(SL31—2003)。由于部分地層以破碎玄武巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等巖溶地層為主，巖層破碎程度高、孔壁穩(wěn)定性差、孔內(nèi)事故率高、鉆進難度大、鉆進效率低。ZK2108孔設(shè)計孔深220m，位于昆明市盤龍區(qū)兩面寺附近的昆明—呈貢隧洞出口處，覆蓋層主要為碎塊石和粘土，基巖主要是灰質(zhì)白云巖、石英砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間多充填泥質(zhì)、巖屑等物質(zhì)，面起伏粗糙，以緩傾節(jié)理為主，受構(gòu)造影響，巖體較為破碎、松散，鉆進難度較大。
1．2．2鉆進器具及附屬設(shè)備的配置由于處于實踐性應(yīng)用階段，并受到目前人員、設(shè)備、材料等資源的限制，ZK2108孔的鉆進主要用試驗性階段的設(shè)備和器具材料。
1．2．3鉆進參數(shù)繩索取心鉆進效率取決于鉆進規(guī)程參數(shù)的選擇，必須根據(jù)地層條件和繩索取心鉆具特點，合理選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量。
1．2．3．1鉆壓鉆進過程中，當鉆壓高于所鉆巖石的壓力硬度時，巖石就由表面破碎轉(zhuǎn)為體積破碎，但當壓力接近或超過金剛石本身抗壓強度時，金剛石開始破損，同時，隨著鉆壓的增加，金剛石的磨損量也增加。由于繩索取心鉆頭胎體壁要比標準鉆頭厚2mm，因此繩索取心鉆進環(huán)狀克取面積比常規(guī)取心鉆進增大了10%以上，鉆進時所用鉆壓亦相應(yīng)增大10%左右。實際選擇鉆壓應(yīng)按具體巖層條件、鉆頭類型、鉆頭實際尺寸等，通過實踐合理確定。該孔選用孕鑲金剛石鉆頭，結(jié)合地層實際情況，h75mm口徑鉆壓選擇為11～14kN，h95mm口徑鉆壓選擇為12～17kN。
1．2．3．2轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速是影響繩索取心金剛石鉆進速度的重要因素，轉(zhuǎn)速過快或過慢，對繩索取心鉆進都不利。通常情況下，孕鑲金剛石鉆頭的圓周線速度在1.5～3m/s范圍內(nèi)較合適，表鑲金剛石鉆頭則在1～2m/s較為合適。根據(jù)實際鉆進情況，該孔h75mm轉(zhuǎn)速選擇為500～800r/min，h95mm轉(zhuǎn)速選擇為400～700r/min。
1．2．3．3沖洗液量沖洗液除冷卻鉆頭和懸排巖粉外，還有調(diào)節(jié)金第42卷第2期張正雄:繩索取心鉆進工藝在剛石鉆頭胎體正常磨損的作用。由于繩索取心鉆桿與孔壁間隙很小，沖洗液上升速度得到了提高，因此，流量比普通雙管略低。通常情況下，保持環(huán)狀間隙上返流速在0.45～1.5m/s范圍內(nèi)，鉆頭唇面單位面積(cm2)沖洗液量在3～5L/min(中硬—硬巖)或2.4～4L/min(硬—堅硬巖)較為合適，宜根據(jù)具體施工條件合理確定。該孔鉆進h75mm口徑?jīng)_洗液量選擇為60～70L/min，h95mm沖洗液量選擇為80～90L/min。
1．2．4沖洗液沖洗液的選用種類很多，一般可選用聚丙烯酰胺、不分散低固相沖洗液、低粘增效粉(LBM)泥漿、天然植物膠溶液、生物聚合物溶液等。繩索取心鉆進應(yīng)根據(jù)地層特點、鉆孔設(shè)計深度來合理選擇沖洗液，沖洗液應(yīng)有良好的流動性，對孔壁的側(cè)壓力小，防塌排粉效果好，能迅速堵塞巖石的自然空隙。該孔鉆進選用聚丙烯酰胺低固相沖洗液，按照膨潤土的加量為3%～5%，純堿的加量為0.2%～0.3%，聚丙烯酰胺的加量為0.1%來配制，將水解的聚丙烯酰胺和純堿溶液加入到泥漿中，混合攪拌均勻后即可使用。
1．2．5取心操作技術(shù)當鉆進到巖心快裝滿內(nèi)管或發(fā)生巖心堵塞時，立即停泵起鉆。內(nèi)管撈出孔口后，卸開撈鉤，檢查巖心采取情況，若有巖心，則擰開內(nèi)管任意一端后，輕輕敲擊內(nèi)管倒出巖心;若發(fā)現(xiàn)內(nèi)管中無巖心或巖心欠缺時，應(yīng)當判斷原因，采取相應(yīng)措施及時處理。任何情況下，回次進尺長度不應(yīng)超過巖心管有效容納長度。
1．2．6關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的探索與應(yīng)用
1．2．6．1套管護壁鉆孔必須下孔口管保護孔口、防止偏斜，必要時，還應(yīng)下表層套管，以防止表層漏失和坍塌。下好表層套管是保證繩索取心正常鉆進的基礎(chǔ)，一般情況下，應(yīng)根據(jù)所采用繩索取心鉆具規(guī)格和孔徑要求來選擇套管直徑，套管直徑應(yīng)與鉆具口徑相匹配，直徑過大會造成鉆具工作不穩(wěn)定，容易折斷鉆桿，不利于提高鉆具回轉(zhuǎn)速度;直徑過小，容易造成起下鉆困難，不利于懸排巖粉。同時，還應(yīng)根據(jù)所遇地層巖性完整程度來確定所下套管的深度，套管應(yīng)下入完整基巖，并應(yīng)盡量一次下入到需要的最大深度，以減少換徑次數(shù)，簡化鉆孔結(jié)構(gòu)。該孔根據(jù)地層情況下入了孔口管和表層套管，并在鉆進至171m遇到破碎層出現(xiàn)坍塌、掉塊時，采取將表層套管撥出，擴孔到完整基巖下部3m左右下套管的方法解決護壁問題。
1．2．6．2巖心打撈在巖心打撈過程中，往往會存在內(nèi)管卡死在外管總成內(nèi)打撈不成功，或打撈器打撈不住內(nèi)管總成，亦或是打撈途中遇阻提拉不上來等情況。對于這些情況的出現(xiàn)，應(yīng)認真分析原因，采取鉆進前認真檢查、鉆進中起大鉆檢查、設(shè)置循環(huán)液沉淀池等有效措施進行防范和處理。該孔鉆進過程中，出現(xiàn)了打撈途中遇阻提拉不上來的情況，取出鉆具后檢查分析發(fā)現(xiàn)，阻礙內(nèi)管起下的原因是鉆桿內(nèi)有泥皮，通過調(diào)整泥漿性能，采用循環(huán)沉淀系統(tǒng)，增設(shè)除砂和除泥裝置后，該問題得以順利解決。
1．2．6．3孔內(nèi)事故預(yù)防由于繩索鉆桿與孔壁間隙小、摩擦大，鉆桿接頭容易磨損變薄，容易發(fā)生鉆桿折斷事故，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的沖洗液進行潤滑，并選用材質(zhì)良好的鉆桿及鉆具，在起下大鉆時多檢查鉆桿接頭處，以免發(fā)生事故。在地質(zhì)條件復(fù)雜或地質(zhì)情況不明的情況下，也可以考慮終孔孔徑比所要求的孔徑增大一級，以預(yù)防可能出現(xiàn)的意外情況，或者在不改變終孔孔徑的情況下，在開孔時預(yù)留一級口徑，以備在遇到意外情況時采取相應(yīng)的處理措施。
1．2．6．4與普通鉆進工藝的結(jié)合使用對于破碎復(fù)雜地層，一般較為松散，孔壁易垮塌、掉塊，需要下套管隔離或采用水泥封孔，亦或是選用合適泥漿進行護壁。由于繩索取心鉆進技術(shù)本身的缺陷，采用繩索取心鉆進反而局限性較大，會出現(xiàn)無法鉆進的情況，這種地層往往需要采用與常規(guī)鉆進工藝相結(jié)合使用。該孔的鉆進過程中，先采用普通鉆進工藝鉆穿覆蓋層進入完整基巖，下入套管護壁，然后采用h95mm口徑的繩索取心鉆進工藝鉆進。由于缺乏對地層的全面認識和了解，在鉆穿完整基巖遇到破碎、復(fù)雜的地層后，繩索取心鉆進工藝無法實施正常鉆進。起大鉆后采用h110mm口徑的普通鉆進工藝擴孔穿過破碎層并下入套管護壁后，繼續(xù)采用繩索取心工藝鉆進。
1．2．7應(yīng)用效果對比分析ZK2108孔與相距1.1km的ZK2109孔地層情況相似，ZK2109孔采用普通鉆進工藝。2個孔采用不同鉆進工藝的效果對比分析詳
2技術(shù)總結(jié)及推廣應(yīng)用
2．1技術(shù)總結(jié)
(1)采用繩索取心鉆進工藝，大大節(jié)省了起下鉆的`時間，也減少了起下鉆掃孔等輔助時間，還可以減小孔壁擾動和掉塊，從而提高了鉆進效率，降低了工人勞動強度和勘探成本，鉆進安全系數(shù)更高。
(2)由于繩索取心鉆進工藝巖心即堵即起，減小了巖心對磨或擾動，避免了重復(fù)破碎，對提高巖心質(zhì)量有著重要的作用。
(3)在鉆進過程中，要根據(jù)巖層性質(zhì)，盡量采用小口徑鉆進，并合理選擇鉆進規(guī)程參數(shù)，合理控制鉆進時效，遇到巖心堵塞時及時提鉆取心，不能盲目靠加大鉆壓來追求進尺速度。
(4)繩索取心鉆進外環(huán)間隙小、循環(huán)壓力高，容易造成循環(huán)漏失、壓塌孔壁，而頻繁提鉆產(chǎn)生的抽吸對地層的穩(wěn)定性也造成一定程度的破壞，對非完整性地層需要使用優(yōu)質(zhì)的泥漿鉆進。尤其在鉆進復(fù)雜地層時，應(yīng)放慢起下鉆速度，提升鉆具及打撈內(nèi)管總成時，均須向孔內(nèi)回灌一定量的沖洗液。
(5)繩索取心鉆進工藝的初次實踐應(yīng)用效果較好，為我院在水利水電工程地質(zhì)勘探中推廣該項工藝積累了經(jīng)驗。
2．2推廣及應(yīng)用
鑒于繩索取心在ZK2108孔應(yīng)用取得的初期成果，結(jié)合本期實踐應(yīng)用中積累的經(jīng)驗，新購買了JS系列鉆桿JS95A、JS75C各700m，Q系列HQ、NQ繩索鉆具各4套，并成功應(yīng)用于廣東某地質(zhì)勘察項目650m的深孔和滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK1094(480m)、ZK1095(550m)的深孔鉆進，標志著我院繩索取心鉆進技術(shù)在水利水電工程鉆探中的應(yīng)用取得了重大突破，并初步具備了推廣使用該項技術(shù)的條件。
3結(jié)語
由于繩索取心鉆進工藝有著常規(guī)鉆進工藝無可替代的優(yōu)勢，是一項先進的鉆進技術(shù)，但在水利水電地質(zhì)勘探中的應(yīng)用還較少，因此，在水利水電工程地質(zhì)勘探中推廣應(yīng)用該項技術(shù)前景廣闊。但根據(jù)現(xiàn)場實際應(yīng)用效果，完整地層鉆進優(yōu)勢較為明顯，破碎、復(fù)雜地層鉆進局限性較大，在繩索取心技術(shù)的下步應(yīng)用中，將持續(xù)加大對復(fù)雜地層鉆進關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的探索和應(yīng)用研究，以期達到在水利水電工程地質(zhì)勘探中全面普及和推廣應(yīng)用繩索取心鉆進工藝的效果。
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