荆州—石首天然气管道江陵长江穿越工程钻探实践与技术探讨

李会中，谢实宇，戴斯文，肖云华，焦新发

(长江三峡勘测研究院有限公司，湖北 武汉 430074)

1 概述

荆州—石首天然气管道江陵长江穿越工程位于荆州市公安县境内，地处长江中下游枝城—石首河段之荆江段，河床地面黄海高程5～20 m，拟采用定向钻穿越长江河道与荆南长江干堤，穿越段水平全长1 800 m，穿越深度200 余米。

经查阅相关地质资料［1］，该河段河床覆盖层深厚，最大厚度达130 m 以上，属于第四系全新统和更新统的河湖相沉积，具二元结构——上部为粘性土和砂性土，厚约50～70 m;下部为砂卵石，厚约60～80 m，卵石含量50%～60%，磨圆度高，主要成分为石英岩和石英砂岩，少量为岩浆岩，粒径一般＜8 cm;下伏基岩为砂砾岩及泥岩，属半成岩。

本工程地质勘察共布钻孔7 个，其中水上3 个，如图1。钻探工作实施过程中，钻遇砂卵石层厚度一般约40～80 m(平均厚度约60 m)，不仅钻进十分困难，而且钻头、岩芯管等消耗极大，钻探工作一度陷入困境;下伏砂砾岩、泥岩岩性软弱、易破碎，难以取得符合地质与试验要求的芯样［2，3］。为此，本院结合现场地质情况，专门组织了钻探技术攻关，并取得了良好效果。

图1 江陵长江穿越工程勘探布置示意图Fig.1 Diagram showing the layout for geological investigation of Jiangling crossing project under the Yangtze River

2 钻遇难题

2.1 砂卵石层钻进困难

在顺利完成岸边JDZK02#和JDZK06#钻探作业后，基于两孔揭露砂卵石层厚度小、粒径细之情况，初步估计水上钻孔JDZK03#钻进难度一般，穿过该砂卵石层较易，而采取同岸边孔类似钻头和钻探工艺，但在钻探过程中却发现JDZ03#与岸边JDZK02#、JDZK06#两孔情况存在明显差别，主要体现在河床砂卵石层厚度大(达86.74 m)、粒径粗(卵石含量高，最大粒径有600 mm)、级配较好(卵石骨架中填充砾石、粗砂、细砂)、结构密实等方面。正是由于对水上钻探地质条件、作业难度的估计不足，导致了水上钻探进度缓慢、钻具消耗大。钻进过程中先后使用了普通金刚石钻头、合金钻头等多种钻头作业，其基本情况如下:

2.1.1 普通金刚石钻头

普通金刚石钻头为切削刃，属一体式，整个钻头没有活动零部件，结构较简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击能力，该类钻头在软—中硬地层中钻进时，有速度快、进尺多、寿命长、工作平稳等优点。但因砂卵石层属散体结构，远不如岩层结构完整，一经扰动原有骨架结构将遭受破坏，从而导致钻进缓慢、钻头磨损严重等问题，究其原因有二:

(1)部分卵石粒径与钻头直径相差不大，卵石在钻头内与钻头一起旋转，钻头不能吃入砂卵石层，钻头刃口金刚石颗粒不能有效作用于卵石层上，致使钻头作用部分失效、钻进速度慢;

(2)砂卵石层结构被扰动破坏后，一方面卵石与钻头之间的磕碰可能碰掉刃口金刚石，另一方面钻头与卵砾石之间的接触面加大，且卵砾石硬度高，致使刃口金刚石磨损快、钻头侧壁磨损严重。

由此可见，普通金刚石钻头能用于该砂卵石层钻进，但钻头磨损严重(如图2)、废弃率较高，据现场情况统计，一个普通金刚石钻头仅能完成进尺2～4 m，钻探成本较高。

图2 普通金刚石钻头磨损情况Fig.2 The wear of common diamond drilling bit

2.1.2 合金钻头

岸边钻孔作业过程中，部分卵砾石含量较低且以粗砂、细砂为主地段，采用了合金钻头钻进，钻头磨损较轻，可满足钻探要求;但水上钻探试用了多个合金钻头，钻进过程中不时出现打滑、别机等现象，即使加大钻压与钻速，钻进不到2 m 钻头磨损非常严重(如图3)。

图3 合金钻头磨损情况Fig.3 The wear of alloy drilling bit

由此看来，合金钻头不适用于该砂卵石层钻进，究其原因主要是因为水上钻孔所遇地层卵石含量高、粒径大，部分卵石粒径大于钻头直径且卵石成分主要为硬度较高的石英岩，合金钻头硬度不满足钻遇地质条件要求。

2.2 砂砾岩、泥岩取样不易

尽可能获取扰动轻微或未扰动、符合地质与试验要求的岩土样本是工程地质勘察对钻探工作的基本要求，因本工程拟在基岩中穿越，故钻探工作对覆盖层而言主要是快速通过，而对基岩而言则要确保取芯质量。

工程区下伏基岩为半成岩之砂砾岩、泥岩，岩石胶结差、强度低、易破碎，一般的取样手段很难获得较完整的样本，如图4 是采用常规取样手段取出的样本。因此，在钻穿砂卵石层后，如何获得符合地质与试验要求的芯样就成为本工程钻探工作所要解决的难题之一。

图4 常规手段岩石样本采取情况Fig.4 Rock samples attained by the conventional means

3 应对措施

3.1 采用新型加强型复合片钻头

为了克服普通金刚石钻头、合金钻头缺陷，提高钻探效率、降低生产成本，后期水上钻探工作中试用了新型加强型复合片钻头(如图5)，实践证实这种新型钻头能够较好地适用于本工程地质条件，取得了良好效果。

图5 加强型复合片钻头Fig.5 The reinforced composite drill bit

新型加强型复合片钻头与普通金刚石钻头的区别在于钻头前端的切削体:普通金刚石钻头前端切削体为孕镶金刚石颗粒，靠高速研磨岩体钻进，而复合片钻头前段切削体为超高强度圆形合金片，这种结构上的改变可以减少对砂卵石结构的扰动，降低切削体和卵砾石之间的磕碰、摩擦，降低嵌入金刚石颗粒之前摩擦带来的磨损，大大提高钻头的耐用性，有效节约成本，同时在钻头内外侧加上加强片也起到了二次研磨保径扩径的作用。

3.2 自主研制专用取样器

针对胶结差、强度低的半成岩——砂砾岩和泥岩，钻探技术人员集思广益，利用现场材料专门研制了一个重力式无扰动原状样取样器，如图6。

图6 专用取样器示意图Fig.6 The dedicated sampler

该取样器主要由异径接头、排水孔、取样管、取样钻头四部分组成。异径接头既可以连接钻杆使整个取样器作旋转运动，又可以上接重力击锤进行贯入作业;排水孔的作用是保证整个取样器在重力贯入过程中取样器内部冲洗液可以顺利排出以免造成样本上下压差过大损伤样本;取样管的作用是保证样本在管内无扰动或轻微扰动;取样钻头是由高强度合金钢加工而成，前端经过特殊打磨和淬火以便贯入软岩中。

取样过程如下:当钻进到取样层段时，提起钻具拆下岩芯管，换上专用取样器，上端接上动力触探试验设备，然后下至孔底，再用重力锤击打取样器一直到钻杆出现反弹，取下打锤开动钻机干烧一小段再提钻取出样品，图7 即为现场所取一段原状样本。

图7 专用取样器获取的原状样Fig.7 The original core obtained by dedicated sampler

4 结语

(1)荆州—石首天然气管道江陵长江穿越工程地质条件较为复杂，河床砂卵石层物质组成与结构特殊、钻进困难、成本较高，下伏砂砾岩、泥岩属半成岩、取原状芯样难，均是一度困扰钻探人员的技术难题。

(2)本院钻探技术人员针对上述情况，结合既往经验认真分析研究，深入探索实践，采用加强型复合片钻头，优化配套钻探工艺，保证了砂卵石层钻进过程中孔壁稳定，避免了卡埋钻情况，减少了钻头和钻具的磨损消耗，有效降低了勘探成本，大幅提高了钻探效率(单个钻头钻进可达10 m 以上);同时利用既有材料，结合现场条件自主研制了重力式无扰动原状样取样器，大大提高了钻孔取芯质量，为地质分析与岩土试验提供了保障。

(3)本工程砂卵石层钻进困难与半成岩(砂砾岩、泥岩)取芯不易等钻探技术难题的成功解决，不仅为本工程勘察设计及后续施工建设奠定了重要基础，而且也为类似地层岩性条件下其它工程地质钻探作业积累了宝贵经验。

［1］陈德基.长江流域水利水电工程地质［M］.北京:中国水利水电出版社，2012.

［2］刘卫东，李自萍，王孝成.漂卵石层工程地质钻探技术［J］.黑龙江水利科技，2004，31(2):28－30.

［3］赵传海，邵玉冰.荆州—石首天然气管道江陵长江穿越工程地质勘察报告［R］.武汉:长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，2012.