SM植物胶在泽城水电站深厚覆盖层钻探中的应用研究

姚锋杰

（山西省水利水电勘测设计研究院 太原030024）

0 引言

现代覆盖层勘探，除了黏土层、淤泥层、厚砂层取样有比较成熟的工具和方法外，对于松散、胶结性差和质地坚硬、结构复杂的深厚砂卵石、漂卵石层和其间的薄砂层取样，尤其是取原结构样，仍然是国内外的难题。为了查明深厚砂卵石地层的结构往往需要采用多次重复布孔或开挖竖井来完成，如果仍达不到目的，将影响工程的设计和施工进程［1］。因此，认真研究深厚覆盖层钻探工艺和选择钻进方法，对于保证钻探质量和提高钻进效率至关重要。

随着SM植物胶钻探工艺和SD系列钻具的研制成功才使得深厚覆盖层钻进效率和岩心采取率得到大幅度提高成为可能。

1 地质条件及勘察要求

泽城水电站位于左权县粟城乡清漳河的东西两源交汇处下游的清漳河干流上，坝址出露地层主要为元古界长城系常州沟组（Chc）石英砂岩、燕山期辉绿岩脉（βμ51）和第四系全新统松散堆积物。河床覆盖层主要为全新统洪冲积物（Q4pal），岩性表层为低液限粉土，表层发育植物根系，结构松散，零星分布碎块石，厚0.5～1.5 m，其下为混合土卵石或卵石混合土夹粉土、细砂透镜体，卵砾石呈次棱角至次圆状，一般粒径20.0～160.0 mm，含量大于50%，漂石、孤石含量大于15%，成分主要为石英砂岩，含少量变质岩，细粒为中细砂和粉土。结构松散，局部架空，级配不均，厚20.0～52.0 m.基岩以石英砂岩为主。

地质对钻探的质量要求和技术要求：通过钻探查明坝址区第四纪沉积物的成因类型、厚度、组成及其分布情况，以及基岩面分布高程及起伏情况。终孔孔径不得小于75 mm，全孔取芯钻进，覆盖层、强风化层基岩岩心采取率大于等于80%，弱风化层基岩岩心采取率大于等于85%，基岩岩心采取率大于等于90%，在基岩中按要求进行压水试验。

2 主要设备及材料

根据地层条件、钻孔深度及地质要求，结合现场施工条件，钻探设备选择如下：

钻机 XY-2型岩心钻机

水泵 BW150型变量泵

搅拌机 SM-1型钻井液搅拌机

钻具 SD110金刚石钻具、SD94金刚石钻具、S75金刚石绳索取芯钻具

套管 φ168×10 mm厚壁套管 φ130×10 mm厚壁套管

3 钻探工艺及施工技术

3.1 钻探工艺和钻进方法

在该工程可研阶段勘察中，覆盖层采用清水或干钻跟管钻进的钻探工艺进行施工，该工艺不仅钻探效率极低，管材消耗大，而且岩心采取率和岩心质量达不到地质要求。因此，在进行初设阶段勘察前，认真分析、研究了可研阶段的原始资料以及存在的问题，大量收集其他单位在类似地层条件钻探的成功经验，决定在覆盖层中采用SM植物胶和SD金刚石单动双管半合管取心钻具钻进，然后跟进套管的钻探工艺进行施工。基岩采用金刚石绳索取心钻探工艺完成。

3.2 钻孔结构

开孔采用φ146 mm金刚石单管钻具钻进5～10 m，跟进φ168×10 mm厚壁套管护壁，然后换用SD110 mm和SD94mm金刚石单动双管半合管钻具钻进，并根据钻孔内情况及时跟进φ130×10 mm厚壁套管以保护孔壁，直至钻到完整基岩。基岩采用S75金刚石绳索取心钻具钻至设计孔深。

4 SM植物胶冲洗液的配制和维护

SM植物胶是由多年生野生草本植物直根加工而成，主要成分含多糖类半乳聚糖、甘露聚糖等。它可以任意比例溶解于水，制成无固相或低固相冲洗液。作为砂卵石覆盖层钻进用冲洗液，为了取原结构状岩心和保护孔壁，必须采取高浓度的配方，才能达到此特殊目的。现场配制的程序流程是：首先向搅拌机中加入1/2罐清水，开动搅拌机同时按水重量的2%一次性倒入SM植物胶粉搅拌5 min，然后加满清水并按SM植物胶粉重量的5%加入烧碱继续搅拌10 min 即可使 用［1］。

在使用的过程中一定要采用循环方式沉淀、除去泥浆中的砂子和岩粉，并且当浆液黏度降低变稀时，须及时加入SM植物胶粉搅拌补充浆液的浓度。

5 钻进参数和操作注意事项

根据泽城水电站深厚覆盖层钻探的实践证明，当使用SM植物胶作为钻进用冲洗液时，为了确保岩心采取质量和钻进效率，钻进参数应遵循“低压力、高转速、小泵量”的原则。正常钻进时采用的钻进参数为：转速500～800 r/min，钻压5～8 kN，泵量 20～40 L/min，泵压小于 0.5 MPa.

在操作中应特别注意以下几个问题。

（1）合理控制起下钻的速度，操作要平稳，避免孔内产生较大的压力脉冲而造成孔壁坍塌。钻孔较深时，起钻要向孔内回灌浆液，目的是保持孔内压力平衡，防止钻孔坍塌掉块。

（2）下钻后，应先用大泵量冲孔，然后改用小泵量钻进。当地层结构松散、取心困难时，应尽量减小泵量，以确保取心质量。

（3）在钻进过程中，如果进尺正常，不得随意改变钻进参数，也不应随意提动钻具，以免发生岩心堵塞。当发生岩心堵塞后，若提动钻具几次无效，应及时提钻处理，避免磨掉岩心。

（4）在跟管钻进时，取出的岩心直径发现有大于套管直径的孤石，要进行孔内爆破，将孤石炸碎，然后跟管。进行孔内爆破，炸药包顶部至管靴的安全距离不得小于0.5 m，并根据药量确定安全距离，避免炸坏管靴。

（5）应经常对SD金刚石钻具进行维护保养。每次下钻前须检查钻具的单动性能是否良好、水口是否畅通，提钻后根据地层情况随时调整卡簧座与钻头内台阶的间隙。对于松散的覆盖层间隙一般 2～3 mm 为宜［1、2］。

6 使用SM植物胶钻探工艺的优越性

通过泽城水电站勘察可研阶段使用常规钻探工艺和初设阶段使用SM植物胶钻探工艺的效果对比（见表1），可以总结出使用SM植物胶钻探工艺具有以下几个优越性。

表1 钻探成果比较

（1）钻孔质量显著提高常规钻进，砂卵石层岩心采取率不足40%，而使用SM植物胶金刚石钻探工艺岩心采取率均可达到95%以上。为地质人员提供了真实直观的岩石样品，从而准确判断地层的结构和颗粒级配。

（2）钻进效率大幅度提高常规钻进，砂卵石层平均效率只有不足3 m/d.而采用SM植物胶新工艺平均效率可达7 m/d以上，效率可以提高50%以上，大大的加快了勘探进度。

（3）SM植物胶冲洗液护壁作用可靠，可以实行裸孔钻进。若孔内没有大孤石且漏失不严重裸孔钻进深度可达20 m以上。稳定的孔壁减少了钻进过程中埋钻、卡钻事故的发生，也不像常规钻进方法需要跟进多套套管，大大简化了钻孔结构，为砂卵石层实行小口径金刚石钻进创造了有力条件，同时可以减少工人的劳动强度和管材的消耗［4］.

7 结束语

工程地质的目的在于了解地层的结构和工程地质性质，为工程设计、施工提供可靠准确的依据和必要的试验指标，钻探是工程地质勘察的重要手段之一。而保证岩心采取率和岩心质量、提高钻探效率是钻探工作的重点［3］.泽城水电站初设阶段勘察工作时使用SM植物胶金刚石钻探工艺共完成钻孔11个，砂卵石地层深度最深达52 m，砂卵石地层总进尺358.6 m，岩心采取率均超过90%，效率较可研阶段勘察也有大幅度提高。尽管SM植物胶钻进是深厚松散砂卵石覆盖层钻进的一种较好方法，但是与其它常规钻进方法一样也不是万能的。若开孔10 m以内为较细颗粒的松散地层，SM植物胶护壁防塌效果不是很好，取心效果不太好，同时需要跟管钻进；或遇地下水位较浅，浆液稀释严重，需要及时补充浆液的浓度，这样就造成成本加大。针对以上问题在今后的工作中要认真研究分析，使SM植物胶钻探工艺更好地发挥其在深厚松散砂卵石覆盖层钻探中的优越性，取得更好的经济效益。

［1］李月良.砂卵石层金刚石钻进和取样技术［G］//水利水电岩土钻凿技术.长春：吉林科学技术出版社，2001，254-268.

［2］长江水利委员会三峡勘测研究院水利水电工程勘察与岩土工程施工技术［M］北京：中国水利水电出版社，2002，67-79.

［3］王坚，舒建平.深厚覆盖层钻进工艺研究［G］//水利水电工程钻凿施工技术.长春：吉林科学技术出版社，2005，49-53

［4］宋宏图.SM植物胶和SD系列金刚石钻进工艺在深厚砂卵石层的应用［J］.探矿工程，2008，（3）：13-17.