新疆阿尔塔什河床深厚覆盖层的钻探研究

李万逵

(新疆水利水电勘测设计研究院,新疆 乌鲁木齐 830000)

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆莎车县城西南约130 km(公路距离)的叶尔羌河中游河段上,地理坐标:东经76°27′25″,北纬 37°57′20″。 如图1。

图1 阿尔塔什水利枢纽库坝址交通地理位置图

阿尔塔什水利枢纽工程是以灌溉、防洪、改善生态和发电为开发目标的控制性水利枢纽工程。枢纽建筑物有:拦河坝、排沙泄洪洞、发电引水洞、导流洞、电站厂房及开关站等。本阶段坝型有混凝土面板坝和心墙堆石坝两种,上坝址水库正常高水位1 820m。最大坝高165 m;水库总库容为29.26×108m3,控制灌溉面积39.3×104hm2。电站装机容量660 MW,年发电量23.6×108kW·h,属大(Ⅰ)型一等工程,可作为今后南疆电网中的主导电站。

阿尔塔什水利枢纽工程于1981年初开始前期勘测设计工作,2008年10月完成项目建议书阶段的勘察工作,2008年11月展开可研阶段的地质勘察工作。

阿尔塔什水利枢纽河床覆盖层厚94 m,河床深厚覆盖层的钻探取芯难,成孔难,判层难,孔内获取物探参数更难,河床深厚覆盖层的钻探工作在此之前始终困扰着工程地质人员和钻探工作技术人员。

河床深厚覆盖层钻探工作中遇到的主要问题是:

(1)河床覆盖层深厚,在钻探成果满足地质要求时,因垮孔、大的孤石变径次数多,向下钻探时十分困难。

(2)地下水流速大,加之在相当一部分覆盖层较为松散,级配差,缺少中间粒径的条件下,钻探中漏浆、循环液漏失十分严重。

(3)覆盖层中存在巨大的孤石,已有钻孔通过的最大直径为15.0 m。

(4)地质要求较为全面,取芯钻孔要求取出尽可能完整的原状岩芯,获取物探参数的钻孔则要求获取尽可能深的裸孔深度。

1 概 况

1.1 国内外深厚覆盖层钻探概述

阿尔塔什水利枢纽工程坝址河床内目前已有的钻孔和覆盖层厚度如表1,上坝址可研阶段已有钻孔揭露的覆盖层最大厚度为93.9 m(ZK33),下坝址已有钻孔揭露的覆盖层最大厚度66.88 m(ZK11)。

表1 河床内已有的钻孔和覆盖层厚度统计表

目前国内外的水利工程中坝高在40 m以上、覆盖层厚度大于30 m的水利工程已报道的有30余项,目前国内外覆盖层厚度最大的水利工程为中国四川冶勒[1],其覆盖层厚度为420～500 m。国外覆盖层厚度最大的水利工程为埃及的阿斯湾(ASWAN)水库,其覆盖层厚度为225 m。国外在深厚覆盖层上修建的最大坝高为加拿大的大浩尼(Big Horn),其坝高为150m,其覆盖层厚度为71 m,小于阿尔塔什水利枢纽工程河床覆盖层的厚度。国内在深厚覆盖层上修建的最大坝高为四川瀑布沟,其坝高为186 m,四川瀑布沟水库的覆盖层厚度为75m,其覆盖层厚度比阿尔塔什水利枢纽工程的覆盖层厚度浅约19 m。

阿尔塔什水利枢纽工程河床覆盖层94 m的厚度在国内外已有的30项水利工程报道中排在中国河南小浪底水库之后,位居世界的第11位。位居国内的第6位。

四川瀑布沟水库坝高为186 m,河床覆盖层厚度为75m,岩性为含漂卵石、砂层透镜体;埃及阿斯湾(ASWAN)水库225 m厚的覆盖层岩性主要为砂层,坝高达111 m,而阿尔塔什水利枢纽工程河床覆盖层厚度只有94 m,而且覆盖层岩性主要为砂卵砾石层。

1.2 河床深厚覆盖层基本物理力学性质概述

上坝址河床0 m～5.0 m的砂卵砾石层＞5mm的颗粒含量约 75.2%,＜5 mm的颗粒含量约24.8%,砂含量约22.6%,不均匀系数 Cu:324.30,曲率系数 Cc:14.87,干密度2.23 g/cm3～2.26 g/cm3,相对密度Dr:0.7～0.79,密实。室内在天然密度控制下的抗剪试验成果为:粘聚力 c值为25 kPa～ 52 kPa,平均值为 41 kPa,内摩擦角值为 37.5°～ 40°,平均值为38°。根据室内现有大型压缩试验成果,卵砾石层在室内100 kPa～400 kPa压力下的压缩系数为0.01,压缩模量为121.1 MPa。

根据现场试验成果,河床砂砾石层在4 MPa(相当于坝基的最大荷载)压力下的变形量仅为2 cm～3 cm左右。试验所获得的变形模量为45.7 MPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵砾石层的渗透系数 k=1.1×10-3cm/s～6.9×10-3cm/s,为中等透水层。平均剪切波速(Vsm)为409 m/s～429 m/s,深5.0 m处的剪切波速(Vsm)为440m/s～500 m/s,平均为457 m/s,按照《水工建筑物抗震设计规范》(SL203—97)[2],场地类型为Ⅰ类(500≥Vsm＞250)。

ZH1试验点的试验成果表明,地基容许承载力f0试验值为500 kPa,建议值为350 kPa～400 kPa。

河床0 m～5.0 m的砂卵砾石层内夹有少量砂层,砂层厚0.2 m～0.3 m,砂层颗粒分析及物理试验结果表明,不均匀系数Cu=1.1～19.1,曲率系数 Cc=0.12～1.21,定名为级配不良中细砂(SP),天然干密度为1.48 g/cm3～1.78 g/cm3,Dr=0.68～0.79,为密实砂层。ZH2试验点的试验成果表明,砂层容许承载力f0试验值为300 kPa,建议值为150 kPa～180 kPa。

河床5.0 m以下覆盖层据ZK19和ZK20钻孔岩芯资料,分别在孔深13.5 m和16 m处岩芯有钙质胶结小块;场地地层剪切波波速大于500m/s的深度在4 m～10 m,相应的建筑场地覆盖层厚度为4 m～10 m(《建筑抗震设计规范》GB50011-2001中的4.1.4),一般地表7.0 m以下的砂卵砾石层剪切波速大部分为 500 m/s～1 300 m/s,已大于 500 m/s为坚硬土;纵波波速7 m以下过渡为2 000 m/s～2 700 m/s,表明地层密实。电阻率 ρ=240 Ω·m～600 Ω·m,部分地段电阻率 ρ=600 Ω·m～ 900 Ω·m。

2 河床深厚覆盖层钻探工作中采用的主要方法和技术

2.1 河床深厚覆盖层取芯钻孔

2.1.1 取芯钻孔的要求和钻探

对于可行性研究阶段河床深厚覆盖层的钻探要求是取出能满足对河床深厚覆盖层的分层、颗粒组成、砂卵砾石层的总体结构特征进行分析的原状岩芯。

当采用常规的泥浆跟管钻进、清水跟管钻进的钻探方法时根本不能满足地质方面的要求。因泥浆跟管钻进获取的岩芯基本为泥浆和砂卵砾石的混合物,取出的是完全扰动岩芯,不能直接观察地层的颗粒组成和其结构,根本不能够满足地质方面对地层判断的要求;当采用常规的清水跟管钻进的钻探方法时,岩芯中虽然没有泥浆的混合物,但取出的岩芯仍为完全扰动体;做为循环液的水体已将地层中的细颗粒全部带走,同样不能够满足地质方面对地层判断的要求。

为满足地质获取岩芯的技术要求,工程地质钻探方面引进了双管单动、半合管跟管钻进的钻探取芯工艺,同时采用中国成都水利水电建设有限责任公司生产的SM植物胶和KL钻井粉进行钻进和保护孔壁及岩芯,使本工程在深厚覆盖中获取岩芯的地质技术要求得到良好的满足。如图2。

图2 阿尔塔什水利枢纽工程河床覆盖层钻孔岩芯照片

2.1.2 钻孔岩芯的信息分析

在图2(a)中,当岩芯半合管被揭开时可清晰地观察到被钻覆盖层的原始状态。密实的砂卵砾石层、具有架空结构的砂卵砾石层、何处易产生漏浆清晰地展示在取出的岩芯上。在图2(b、c)中,被包裹在中细砂层内的卵石被钻头清晰地切削了一半,钻头在切削卵石的过程中对旁边的中细砂层没有任何影响,中细砂层和卵石的分界面清晰可见。也清晰地展示了地层的直观密实程度和缺少中间粒径的架空现象。为工程地质人员分析判断地层的基本颗粒组成,结构形态提供了清晰、直观的岩芯样本。

2.1.3 钻进过程的信息分析和主要钻探参数

钻头在地下切削卵砾石和中细砂层所需的转速、压力和循环液的流速一般是有较大的差异的。在常规的钻进过程中,钻头在地下切削卵砾石时将会产生牵引力而扰动中细砂层和相邻其间的细颗粒。循环液的流速、流量也是重要的参数之一,如果流速、流量过小,钻头在地下切削卵砾石时钻头可能被烧掉,而流速、流量过大,就有可能将卵砾石旁边的中细砂和细颗粒冲掉和带走。

采用双管单动、半合管跟管钻进的钻探工艺,同时选择合适的转速、压力和循环液的流速、流量,同时采用SM植物胶和KL钻井粉进行配置的循环液钻进既可获得照片中的岩芯样本。对河床深厚覆盖层在钻探满足地质取芯要求时,钻机钻进的基本转速在500～800转/min(5～6档),钻头转速较高时,便于钻头对卵砾石的切削,钻机钻进采用高速时,转速可在800～1 200转/min,钻进效果会更好,但当长时间采用高转速进行工作钻进时,可能对钻机的机械损害较大,而且产生的机械振动也相对较大。

对河床深厚覆盖层在钻探满足地质取芯要求时,钻机钻进的工作压力一般在500 kPa左右,当孔深较大时,钻具的自重已能满足钻进的工作压力要求,当钻具的自重压力超过500 kPa时,要用负压力进行钻进。当钻进工作压力在500 kPa左右时已接近被钻地层的极限承载力,便于钻头的下切。

对河床深厚覆盖层在钻探满足地质取芯要求时,钻机钻进过程中的冷却、润滑、护壁液以能向孔口返液即可,流量在47 L/min～52 L/min左右为宜,不同的孔径其流量不同。

当护壁的套管向下跟进较困难时,可在套管前采用孔内爆破的方式松动套管前的地层,以便套管的跟进,进行该项作业时必须对套管前缘位置的深度和钻孔的深度进行准确的计算。

2.2 河床深厚覆盖层进行物探测试的钻孔成孔工艺

2.2.1 河床深厚覆盖层裸孔防塌的钻孔成孔工艺

河床深厚覆盖层进行物探测试的钻孔成孔要求是尽可能深的裸孔深度,裸孔深度越深,越便于物探测试工作的进行,尽可能的保持孔壁的完整和整体性,便于物探侧孔和其它测试工作的进行。

在裸孔钻进过程中防止孔壁垮塌是本次工作研究的重点课题之一,目前国内已有的较好保持裸孔孔壁稳定的方法是通过优选钻井液体系,优化钻井液配方,采用优质大分子聚合物包被剂,加强钻井液的包被和抑制性能,采用大、中、小分子聚合物复配,配合适量润滑剂,改善泥饼质量,调整、优化钻井液流型;通过合理调整泥浆密度,尽量减少压差,实现近平衡压力钻进,维持近井壁带地层原始压力系统,以解决孔壁的垮塌问题,实现井壁稳定的目地。

在裸孔钻进过程中要求保特钻场周边环境的相对安静,爆破、强大的机械振动等尽可能避免,以免孔壁的泥饼因振动而脱落,产生井壁的垮塌现象。

对于阿尔塔什河床深厚覆盖层而言,因其部分深度内地层中常缺少中间粒径、地下透水量及流速较大、有时起下钻速度过快、起下钻次数过多,产生抽吸作用;钻井周期过长,孔壁泥浆浸泡时间过长,剥落掉块,使井壁失稳,孔内垮塌现象时常发生。采用常规的钻探护壁成孔和获得尽可能深的裸孔深度是极为困难的,该工程采用了多级钻孔结构,配合多层技术套管护孔的技术措施[3],以能满足物探测孔的基本分段要求,最终完成了在钻孔内进行的各项物探测试工作。

在裸孔钻进过程中,最大单次裸孔深度为35 m,完成物探测试工作后下入套管护孔,再进行下一段的裸孔钻探。

在裸孔钻进过程中采用优质泥浆进行护孔,在泥浆中加入适量的植物胶、聚丙烯酰胺(PHP),较好地解决了阿尔塔什河床深厚覆盖层这种复杂地层的护孔问题,保证了钻孔较为顺利的施工。

在裸孔钻进过程中防止孔壁垮塌方面,主要根据现场情况,从物理和化学两方面入手,选择合适的钻井液密度平衡地层压力的同时,抑制、封堵相结合[4],以保持井壁的稳定性。

2.2.2 河床深厚覆盖层裸孔防漏堵漏的技术措施

在裸孔钻进过程中孔内防漏堵漏是本次工作中研究的另外重要课题。在本工程的河床深厚覆盖层的裸孔钻进过程中,常有不返液的现象,有时一池浆液在钻进时10min～20 min即漏光,使得钻探工作无法正常进行,在严重的漏浆段,为封堵漏浆投下的水泥球和粘土球,随投随即被地下水冲走,另外,浆液的配制使用了SM植物胶和KL钻井粉,成本相当高,严重漏浆经济损失很大。

本工程在河床深厚覆盖层的裸孔钻进过程中,除了常规的堵漏措施以外,主要使用了SM植物胶、聚丙烯酰胺(PHP)等,使浆液呈粘稠的、拉丝状、具有较好粘性的胶体状物体,对一般的漏浆段取得了较好的封堵效果,对严重的漏浆段还必须采用套管进行封堵。

3 结 语

(1)为最大限度地满足工程地质人员所需的地层原状岩芯,本工程采用了目前国内较为先进的双管单动半合管、SM植物胶跟管钻进、及时调整护壁浆液等方法,使得深厚覆盖层的钻探工作顺利进行。

对于进行物探测井、获取测井参数的钻孔主要使用了常规的泥浆、SM植物胶、聚丙烯酰胺(PHP)护壁、裸孔钻进→物探测井→跟进套管的循环作业方法,顺利完成了该项工作。

(2)河床深厚覆盖层内的部分层位具有架空结构,为卵砾石层,钻进通过时极易垮塌,地层为强透水层,护壁浆液极易漏失,本工程地质钻探工作中最有效的防止垮埸孔、孔内的防漏堵漏的方法是快速通过、采用了套管进行护壁封堵。

(3)阿尔塔什河床深厚覆盖层到目前为止取芯钻孔和主要的物探测试孔是分别实施的,可获得丰富的地质信息,但成本相对较高,目前还没有一孔多用的较为理想的钻探成孔工艺。对钻探工作的研究还有待于进一步继续进行。

[1] 牟兴华.冶勒水电站深厚覆盖层帷幕灌浆试验工艺[J].四川水力发电,1998,17(4):88-90,93.

[2] SL203—97.水工建筑物抗震设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[3] 袁波,王景申,王晓艳.浅议复杂地层施工技术工艺[J].西部探矿工程,2009,(10):75-76.

[4] 陈文俊,何兴华,刘海鹏.塔河油田YT2-6H水平井钻井液技术[J].西部探矿工程,2009,(10):54-56.