淺談地質(zhì)勘探水利水電論文

　　1繩索取心鉆進(jìn)工藝的應用研究

　　1．1試驗性應用

　　由于我院鉆探生產(chǎn)以小口徑金剛石鉆進(jìn)工藝為主，對繩索取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)尚未實(shí)踐應用過(guò)，因此，為了能更好地投入到生產(chǎn)，先開(kāi)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、鉆具及附屬設備選用中地裝備無(wú)錫鉆探工具廠(chǎng)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(gè)，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(jìn)工藝技術(shù)進(jìn)行了深層次的分析研究和探索應用，緊緊圍繞孔內潤滑、護壁、取心及鉆進(jìn)質(zhì)量、效率等技術(shù)難題，重點(diǎn)探索研究了繩索取心鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節及與之配套的循環(huán)液，初期成果明顯，為實(shí)踐性生產(chǎn)應用奠定了基礎。

　　1．2實(shí)踐性應用

　　在試驗性應用取得成果的基礎上，在滇中引水工程可行性研究階段萬(wàn)家—新莊段ZK2108孔進(jìn)行了實(shí)踐性應用，對繩索取心鉆進(jìn)工藝作進(jìn)一步研究。

　　1．2．1項目概況滇中引水工程規劃區含迪慶、麗江、大理、楚雄、昆明、曲靖、玉溪、紅河等8個(gè)州(市)所轄的52個(gè)縣，國土面積約9.49萬(wàn)km2(占全省總面積的1/4)，根據《滇中引水工程規劃報告》、《滇中引水工程項目建議書(shū)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(cháng)848.2km，多年平均引水量34.17億m3，渠首設計流量145m3/s。萬(wàn)家—新莊段處于云南高原中部之滇東高原盆地區，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)楚雄紅巖高原亞區和昆明巖溶高原湖盆亞區兩個(gè)地貌單元，區內山脈和主干河流受構造控制明顯，線(xiàn)路通過(guò)地區地層發(fā)育齊全，沉積類(lèi)型復雜、多樣，從元古界到第四系均有出露�？尚行匝芯侩A段計劃(含預留)鉆探工作總量38250m，要求全孔巖心采取率≮95%，壓水試驗執行《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》(SL31—2003)。由于部分地層以破碎玄武巖、灰巖、白云質(zhì)灰巖、生物碎屑灰巖等巖溶地層為主，巖層破碎程度高、孔壁穩定性差、孔內事故率高、鉆進(jìn)難度大、鉆進(jìn)效率低。ZK2108孔設計孔深220m，位于昆明市盤(pán)龍區兩面寺附近的昆明—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，以緩傾節理為主，受構造影響，巖體較為破碎、松散，鉆進(jìn)難度較大。

　　1．2．2鉆進(jìn)器具及附屬設備的配置由于處于實(shí)踐性應用階段，并受到目前人員、設備、材料等資源的限制，ZK2108孔的鉆進(jìn)主要用試驗性階段的設備和器具材料。

　　1．2．3鉆進(jìn)參數繩索取心鉆進(jìn)效率取決于鉆進(jìn)規程參數的選擇，必須根據地層條件和繩索取心鉆具特點(diǎn)，合理選擇鉆壓、轉速和沖洗液量。

　　1．2．3．1鉆壓鉆進(jìn)過(guò)程中，當鉆壓高于所鉆巖石的壓力硬度時(shí)，巖石就由表面破碎轉為體積破碎，但當壓力接近或超過(guò)金剛石本身抗壓強度時(shí)，金剛石開(kāi)始破損，同時(shí)，隨著(zhù)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(jìn)環(huán)狀克取面積比常規取心鉆進(jìn)增大了10%以上，鉆進(jìn)時(shí)所用鉆壓亦相應增大10%左右。實(shí)際選擇鉆壓應按具體巖層條件、鉆頭類(lèi)型、鉆頭實(shí)際尺寸等，通過(guò)實(shí)踐合理確定。該孔選用孕鑲金剛石鉆頭，結合地層實(shí)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轉速轉速是影響繩索取心金剛石鉆進(jìn)速度的重要因素，轉速過(guò)快或過(guò)慢，對繩索取心鉆進(jìn)都不利。通常情況下，孕鑲金剛石鉆頭的圓周線(xiàn)速度在1.5～3m/s范圍內較合適，表鑲金剛石鉆頭則在1～2m/s較為合適。根據實(shí)際鉆進(jìn)情況，該孔h75mm轉速選擇為500～800r/min，h95mm轉速選擇為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，還有調節金第42卷第2期張正雄:繩索取心鉆進(jìn)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，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，宜根據具體施工條件合理確定。該孔鉆進(jìn)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(lèi)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(jìn)應根據地層特點(diǎn)、鉆孔設計深度來(lái)合理選擇沖洗液，沖洗液應有良好的流動(dòng)性，對孔壁的側壓力小，防塌排粉效果好，能迅速堵塞巖石的自然空隙。該孔鉆進(jìn)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(lái)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(jìn)到巖心快裝滿(mǎn)內管或發(fā)生巖心堵塞時(shí)，立即停泵起鉆。內管撈出孔口后，卸開(kāi)撈鉤，檢查巖心采取情況，若有巖心，則擰開(kāi)內管任意一端后，輕輕敲擊內管倒出巖心;若發(fā)現內管中無(wú)巖心或巖心欠缺時(shí)，應當判斷原因，采取相應措施及時(shí)處理。任何情況下，回次進(jìn)尺長(cháng)度不應超過(guò)巖心管有效容納長(cháng)度。

　　1．2．6關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節的探索與應用

　　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(shí)，還應下表層套管，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(jìn)的基礎，一般情況下，應根據所采用繩索取心鉆具規格和孔徑要求來(lái)選擇套管直徑，套管直徑應與鉆具口徑相匹配，直徑過(guò)大會(huì )造成鉆具工作不穩定，容易折斷鉆桿，不利于提高鉆具回轉速度;直徑過(guò)小，容易造成起下鉆困難，不利于懸排巖粉。同時(shí)，還應根據所遇地層巖性完整程度來(lái)確定所下套管的深度，套管應下入完整基巖，并應盡量一次下入到需要的最大深度，以減少換徑次數，簡(jiǎn)化鉆孔結構。該孔根據地層情況下入了孔口管和表層套管，并在鉆進(jìn)至171m遇到破碎層出現坍塌、掉塊時(shí)，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(wèn)題。

　　1．2．6．2巖心打撈在巖心打撈過(guò)程中，往往會(huì )存在內管卡死在外管總成內打撈不成功，或打撈器打撈不住內管總成，亦或是打撈途中遇阻提拉不上來(lái)等情況。對于這些情況的出現，應認真分析原因，采取鉆進(jìn)前認真檢查、鉆進(jìn)中起大鉆檢查、設置循環(huán)液沉淀池等有效措施進(jìn)行防范和處理。該孔鉆進(jìn)過(guò)程中，出現了打撈途中遇阻提拉不上來(lái)的情況，取出鉆具后檢查分析發(fā)現，阻礙內管起下的原因是鉆桿內有泥皮，通過(guò)調整泥漿性能，采用循環(huán)沉淀系統，增設除砂和除泥裝置后，該問(wèn)題得以順利解決。

　　1．2．6．3孔內事故預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，應選用優(yōu)質(zhì)的沖洗液進(jìn)行潤滑，并選用材質(zhì)良好的鉆桿及鉆具，在起下大鉆時(shí)多檢查鉆桿接頭處，以免發(fā)生事故。在地質(zhì)條件復雜或地質(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，以預防可能出現的意外情況，或者在不改變終孔孔徑的情況下，在開(kāi)孔時(shí)預留一級口徑，以備在遇到意外情況時(shí)采取相應的處理措施。

　　1．2．6．4與普通鉆進(jìn)工藝的結合使用對于破碎復雜地層，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(jìn)行護壁。由于繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)本身的缺陷，采用繩索取心鉆進(jìn)反而局限性較大，會(huì )出現無(wú)法鉆進(jìn)的情況，這種地層往往需要采用與常規鉆進(jìn)工藝相結合使用。該孔的鉆進(jìn)過(guò)程中，先采用普通鉆進(jìn)工藝鉆穿覆蓋層進(jìn)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(jìn)工藝鉆進(jìn)。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、復雜的地層后，繩索取心鉆進(jìn)工藝無(wú)法實(shí)施正常鉆進(jìn)。起大鉆后采用h110mm口徑的普通鉆進(jìn)工藝擴孔穿過(guò)破碎層并下入套管護壁后，繼續采用繩索取心工藝鉆進(jìn)。

　　1．2．7應用效果對比分析ZK2108孔與相距1.1km的ZK2109孔地層情況相似，ZK2109孔采用普通鉆進(jìn)工藝。2個(gè)孔采用不同鉆進(jìn)工藝的效果對比分析詳

　　2技術(shù)總結及推廣應用

　　2．1技術(shù)總結

　　(1)采用繩索取心鉆進(jìn)工藝，大大節省了起下鉆的時(shí)間，也減少了起下鉆掃孔等輔助時(shí)間，還可以減小孔壁擾動(dòng)和掉塊，從而提高了鉆進(jìn)效率，降低了工人勞動(dòng)強度和勘探成本，鉆進(jìn)安全系數更高。

　　(2)由于繩索取心鉆進(jìn)工藝巖心即堵即起，減小了巖心對磨或擾動(dòng)，避免了重復破碎，對提高巖心質(zhì)量有著(zhù)重要的作用。

　　(3)在鉆進(jìn)過(guò)程中，要根據巖層性質(zhì)，盡量采用小口徑鉆進(jìn)，并合理選擇鉆進(jìn)規程參數，合理控制鉆進(jìn)時(shí)效，遇到巖心堵塞時(shí)及時(shí)提鉆取心，不能盲目靠加大鉆壓來(lái)追求進(jìn)尺速度。

　　(4)繩索取心鉆進(jìn)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(jìn)。尤其在鉆進(jìn)復雜地層時(shí)，應放慢起下鉆速度，提升鉆具及打撈內管總成時(shí)，均須向孔內回灌一定量的沖洗液。

　　(5)繩索取心鉆進(jìn)工藝的初次實(shí)踐應用效果較好，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推廣及應用

　　鑒于繩索取心在ZK2108孔應用取得的初期成果，結合本期實(shí)踐應用中積累的經(jīng)驗，新購買(mǎi)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(wàn)家—新莊段ZK1094(480m)、ZK1095(550m)的深孔鉆進(jìn)，標志著(zhù)我院繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)在水利水電工程鉆探中的應用取得了重大突破，并初步具備了推廣使用該項技術(shù)的條件。

　　3結語(yǔ)

　　由于繩索取心鉆進(jìn)工藝有著(zhù)常規鉆進(jìn)工藝無(wú)可替代的優(yōu)勢，是一項先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)，但在水利水電地質(zhì)勘探中的應用還較少，因此，在水利水電工程地質(zhì)勘探中推廣應用該項技術(shù)前景廣闊。但根據現場(chǎng)實(shí)際應用效果，完整地層鉆進(jìn)優(yōu)勢較為明顯，破碎、復雜地層鉆進(jìn)局限性較大，在繩索取心技術(shù)的下步應用中，將持續加大對復雜地層鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節的探索和應用研究，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用繩索取心鉆進(jìn)工藝的效果。

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