张建国 张文新
(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133;2.中铁隧道集团技术中心,河南洛阳 471009)
地质钻探中冲孔与护壁堵漏技术简要论述
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(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133;2.中铁隧道集团技术中心,河南洛阳 471009)
冲洗钻孔的目的是利用冲洗液较强的携带能力以及速度将钻头切削下来的岩石碎屑、岩石碎块携带至钻孔外,同时利用冲洗液对钻头降温,避免烧毁钻头和保持钻头性能稳定。常用的冲洗钻孔的循环方式有正循环冲孔法、反循环冲孔法、局部反循环冲孔法、冲洗液内循环法。护壁堵漏是保证钻孔孔壁稳定和冲洗液正常循环,确保钻进正常进行的必要条件。
冲孔 冲洗液 正循环冲孔法 反循环冲孔法 局部反循环冲孔法 冲洗液内循环法护壁堵漏
随着我国基础建设快速发展以及隧道施工技术的巨大进步,特长隧道在铁路、高速公路、水利建设等基础建设中的存在已经是司空见惯。特长隧道埋深都较大,一般在800~2 000 m,个别隧道埋深甚至超过3 000 m,精确进行隧道地质勘察已成为隧道设计、施工的前题。地表踏勘、物探等手段不能准确反映拟建隧道的真实地质及水文地质等情况,地质钻探能有效弥补踏勘、物探不能实现的各项目的,准确直观反映拟建隧道地质岩性类别、地质构造、水文地质等情况。然而地质钻探技术复杂,受制约因素较多,诸如岩石破碎程度、岩石强度、地下水位、深度,以及机械设备等都将严重制约地质钻探工作的成败,其中地质钻探中的冲孔与护壁堵漏技术是地质钻孔成败的最直接、甚至致命的原因,正确选择冲孔技术、冲洗液材料与护壁堵漏技术是地质钻探工作必须慎重选择且不可绕过的首要工作。
冲洗钻孔是地质钻探施工过程中的一个重要环节,在钻进过程中,钻头不断切削、破碎岩石,产生大量岩粉与岩石碎块,同时钻头与岩石之间的摩擦会产生大量热量,如果此时不能将钻头切削产生的岩屑、岩块送到钻孔外,会造成钻头再次对岩屑、岩石碎块进行破碎与切削,至使功效下降,消耗增加;当岩屑、岩石碎块堆积到一定程度时,随着摩擦力的增大,可能造成埋钻事故,致使地质钻探工作失败;钻头与岩石之间的摩擦产生大量热量,如果不及时进行降温处理,当摩擦产生的热量达到一定温度时,会烧毁钻头,造成烧钻事故。
冲孔的目的大致可以有以下几点:(1)清除钻头切削的岩粉、岩石碎块,提高钻进效率,防止埋钻事故发生;(2)钻头降温,防止烧钻事故发生,同时防止高温下钻头性能下降,提钻进高效率;(3)用钢粒钻进时能有效对钢粒进行分布,提高钻进效率;(4)利用冲洗液的护壁功能,防止和减少塌孔、缩孔事故发生;(5)某些钻探方式下利用冲洗介质作为钻具动力,如气动冲击钻进和液动冲击钻进就是依靠高压冲洗液和气体作为动力来源的。
在地质钻孔过程中,由于钻孔的形成,会在围岩压力等作用下造成原有岩石失去稳定,处于不平衡状态。若围岩节理发育,岩体破碎,随着钻具回转震动和冲洗液冲刷作用,以及钻具提升下降造成的压力变化,孔壁岩石常常会产生掉块、坍塌现象,严重时造成卡钻、埋钻事故。在软弱岩层段或坍塌严重段还会造成大的空洞,使钻杆摆动加剧,极易发生钻杆折断,造成掉钻事故,该事故处理难度非常大,常因处理不成功造成地质钻孔报废。另外,在节理发育、岩体破碎段还经常出现冲洗液漏失现象,不仅破坏了冲洗液的正常循环,还增加了冲洗液的消耗,特别在供水、供料难度大以及干旱地区,重新配置冲洗液往往需要较长的等待时间。
护壁堵漏主要目的是:(1)确保围岩压力平衡,减少岩块崩塌、脱落现象发生,减少地质钻孔卡钻等事故发生;(2)防止冲洗液渗漏,保证冲洗液正常循环,间接减少地质钻孔埋钻等事故发生。
2.1 冲孔的种类和方法
(1)冲孔的种类
①气体
即利用高压风将钻头切削下来的岩屑、岩块带到钻孔外,同时利用高压风对钻头进行冷却。该种方法特点是钻进速度快,钻孔干净,质量好,岩芯不受污染,不利的是将大块岩屑碎块携带出钻孔难度大,特别是深度超过一定范围后,容易造成卡钻现象。气体冲洗介质主要用在干旱缺水地区、冻土层带等施工环境中。
②液体
即用高压水泵或专用泥浆泵将液体作为循环液,对钻头进行冷却,并将钻头切削下来的岩屑、岩石碎块带出钻孔外。
清水:清水取材方便,价格低廉,一般作为首选。利用清水作为冲洗液还有很多有优点,如节省配置泥浆时间,减轻钻具回转阻力,减少钻具磨损,钻头降温快效果好,对环境污染几乎忽略不计等。但也有很多缺点,比如携带岩粉、岩块能力弱,护壁能力较差等。
泥浆:由黏土类矿物和水以及必要的添加剂(如碱等)按照一定比例搅拌而成。黏土类矿物具有很强的亲水性能、吸附性能和分散性能,致使泥浆携带岩粉能力强,同时能在孔壁上形成具有一定厚度的泥皮,起到护壁作用。泥浆冲孔多在围岩裂隙发育、破碎,岩体易掉块、坍塌等松散地层中应用。
盐水:在含盐量高的地层中,采用普通冲洗液容易造成含盐岩体溶解,形成大的孔洞,同时也不便于采取岩芯和保护岩层。盐溶类地层一般采用饱和盐水作为地质钻探的冲洗液,盐水冲洗液针对性较强,实际应用范围比较小。
乳状液:由不相包溶的液体或乳化剂配置而成,乳状液除具备降低钻头温度的作用外,携带岩粉、岩块能力较强,同时还能润滑钻具,有一定防渗堵漏能力,一般在金刚石钻探和裂隙不太发育地段应用广。
③泡沫
由发泡剂和水(或液体)组成,一般应用在漏失严重地层中。
(2)冲洗钻孔常用的方法
①正循环冲孔法
泥浆池→泥浆泵→高压水管→钻杆水龙头→钻杆→岩心管和岩心的环状间隙→钻头出水口→岩心管和钻孔孔壁环状间隙→钻杆与孔壁环状间隙→孔口→沉淀池→泥浆池。正循环是普遍使用的一种冲洗液循环方法,其优点是简单易行,成本低,冲洗液上返速度小,对孔壁冲刷小,钻孔孔壁稳定,缺点是冲洗液速度小,携带岩粉能力差。
②反循环冲孔法
冲洗的循环路径刚好和正循环相反,其路径为泥浆池→泥浆泵→高压水管→空口密封装置→钻杆与孔壁环状间隙→岩心管和钻孔孔壁环状间隙→钻头出水口→岩心管和岩心的环状间隙→钻杆→钻杆水龙头→回水管→沉淀池→泥浆池。此种方法优点是冲洗液上返速度高,携带岩粉能力强,可减少或避免岩芯遭钻头再次破碎,能提高岩芯采取率,缺点是孔口密封要求高,冲洗液对孔壁冲刷严重,钻孔孔壁不稳定。
③局部反循环冲孔法
线路为泥浆池→泥浆泵→高压水管→钻杆水龙头→钻杆→特制钻具,此处后冲洗液分为两路,一路沿粗径钻具与孔壁的环状间隙向下经钻头水口→岩心管和岩心的环状间隙→特制接头回水孔与另一路冲洗液汇合后,沿着钻杆与钻孔孔壁环状间隙返回到孔口→沉淀池→泥浆池。此种冲洗液循环方法比较复杂,控制难度大,主要用在对岩芯采取率有特殊要求的地段,其他情况下不常用。
④内循环法
线路为泥浆池→泥浆泵→高压水管→特殊水龙头→内钻杆→双层双动岩心管内管与岩芯环状间隙→内钻头→双层双动岩心管与外钻杆环状间隙→内钻杆与外钻杆环状间隙→沉淀池→泥浆池。冲洗液内循环法特点是钻进速度快、对地层的扰动小,但由于该冲洗液循环法工艺独特,设备要求复杂,另外必须与其独特的钻探工艺相配合才能有效实施,一般仅应用于地下水位高的砂层、淤泥层等软弱地层地质钻探中(如图1)。
图1 冲洗液内循环法示意
2.2 护壁堵漏的种类和方法
(1)套管护壁
利用向孔内下入套管来隔断和密封漏失、坍塌、掉块钻孔段,确保钻孔顺利进行,一般情况下要将套管下到超过处理段1 m以上位置。套管护壁法最为有效,但操作难度大、时间长,一般只在其他措施无效情况下使用。
(2)泥浆护壁
在孔内压力差的作用下,泥浆中的自由水会透过地层的裂隙或孔隙而丢失,造成泥浆失水。泥浆失水的同时,黏土颗粒会被阻滞在孔壁上,形成一层薄而韧的泥皮,泥皮可以有效防止孔壁岩石坍塌、掉块,保证孔壁的稳定,同时也堵塞了漏失通道,从而起到护壁堵漏的目的。
(3)水泥护壁
一般采用流动性好、凝结时间适当、早期强度高以及具有较高的胶结强度的水泥作为冲洗液,在地质钻孔过程中利用水泥胶结堵塞岩层中的孔隙、裂隙、洞穴,从而达到护壁和堵塞目的。
(4)化学堵漏
利用某些化学液体在一定条件下凝固和硬化的特点,用化学液体替代传统泥浆对松散破碎的岩石进行填充、加固,以防止渗漏,从而达到堵漏的目的。实践中一般常用的化学液有:水泥-水玻璃、环氧树脂等。
(5)黏土护壁堵漏
黏土多是由不同晶体结构的黏土矿物组成的混合物,具有很强的黏性,护壁堵漏时,将黏土用适量的水或其他液体调和成具有塑形的软泥并制成泥球,在表面风干后,缓慢的投入到钻孔内,投入到一定量后,用钻具捣实,捣实后再继续投入,再捣实,如此反复直到泥球填满需要护孔(或堵漏)的孔段后,钻具缓慢低转速下扫孔,将投入钻孔内的黏土球挤入到岩石裂隙和涂抹在孔壁上,达到护壁与堵漏目的的方法。
在地质钻探工作中会遇到各种各样的地层,有些地层岩石坚硬完整,形成的钻孔稳定,不需要采取特别的冲孔与护壁堵漏措施。但在复杂地层情况下,如在地层岩石松散、破碎,或具有大量的孔、缝、洞地段,形成的钻孔孔壁会出现不稳定而发生掉块、坍塌、缩径以及大量冲洗液漏失等情况,从而使地质钻孔事故增加、效率降低、质量达不到要求,如果处理不当,甚至会造成地质钻孔报废。因此,地质钻探工作开展前对复杂地层进行分析研究,制定切实可行有效的冲孔与护壁堵漏技术与措施,是保证正常钻进,减少钻探事故发生,提高钻孔质量,降低成本的一项重要任务。
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OverviewonBoringandWallPluggingTechnologiesinGeologicalDrilling
ZHANG Jian-guo1ZHANG Wen-xin2
2014-06-23
张建国(1978—),2010年毕业于吉林大学地质工程专业,工程师。
1672-7479(2014)05-0055-03
P634
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