在复杂岩层提高岩心采取率的经验探讨

李亚炜

摘要：介绍了在南水北调洺河渡槽地质钻探施工中，针对全、强风化砂岩层岩心采取率过低的问题所采用的综合技术措施，有效地解决了岩心采取率过低的问题，施工中积累的经验可为类似工程提供一定的参考。

关键词：洺河渡槽；植物胶；底喷钻头；采取率

1.地层岩性

洺河渡槽地处太行山与河北平原过渡地带的低山丘陵区。建筑区上部覆盖有第四系壤土、砂壤土、砂土、卵石，下伏二叠系石盒子组泥岩、砂岩。壤土：棕色，稍湿，可塑～硬塑。卵石：紫红色、灰白色，主要成分为长石石英砂岩，次圆状，最大直径约300mm，含量50～80%，充填泥质或中粗砂。泥岩：多呈紫红色，泥质结构，块状构造，局部节理裂隙较发育，全风化～微风化。砂岩：多呈紫色，粉细粒结构，泥质胶结，局部节理裂隙发育，全风化～弱风化。

2.施工中存在的主要难题

在钻探中发现的主要问题是全风化～强风化砂岩层岩心采取率低，尤其在靠近河道右岸，砂岩层软、硬相互交替，岩心采取率仅30%～50%左右，远远不能满足设计所提出的岩心采取率不低于85%的技术要求。

3.造成采取率过低的技术分析

3.1岩层特点分析

砂岩为粉细粒结构，泥质胶结，力学强度极低，属极软类岩石，且胶结成度不一，软硬层相互交替。钻进时进入到内管的岩心容易被震碎，提钻时内管及卡簧夹持不住岩心，造成岩心采取率不足。

3.2钻进工艺的影响

钻具的选择也对采取率有很大的影响。单层管钻具的缺点是冲洗液冲刷整个岩心，在软弱破碎岩层中使用时势必造成对岩心的严重漏失。双动双管钻具减少了冲洗液对岩心的冲刷，冲刷只发生在内管底部和钻头一带，可提高岩心采取率，但由于内管转动，岩心与内管之间有摩擦扭力作用，岩心易受扰动，影响岩心采取率。单动双管钻具和绳索取芯钻具则同时解决了冲刷和岩心随内管转动磨损两方面的问题。冲洗液从外管和内管之间的空隙流入到钻头部位，不会对进入岩心管的岩心造成冲刷。由于内管不随钻进转动，因而进入内管的岩心也减少了扰动，有利于保持岩心的原状性，提高岩芯采取率。

3.3循环液的影响

采用绳索取心钻具或单动双管钻具钻进时，岩心进入内管后虽然冲洗液不会再直接冲刷岩心，但在钻头部位赳取岩心时对松散的砂岩冲刷也会造成岩心采取率降低。

3.4钻进参数的影响

冲洗液用量、泵压、钻机转速、钻压等钻进参数的选择也会对岩心采取率造成一定的影响。

4.提高采取率所采用的技术措施

4.1钻具的选择

采用单动双管钻具钻进，以减少岩心进入内管后的扰动和破坏。由于岩心强度低易折断破碎，为了提高岩心的完整性，施工中采用φ110mm大直径单动双管钻具代替初期采用的φ75mm单动双管钻具，岩心直径增大后，抗折性提高，岩心采取率和完整性明显提高。

4.2循环液的选择

利用SM植物胶浆液替代清水作为循环液，有效降低了清水对砂岩的冲刷。植物胶浆液能在岩样表面形成坚韧的胶膜，可胶结包裹软弱的岩心，使破碎、软弱的岩心保持原状结构，同时利用植物胶的润滑作用又能减少钻具震动，有利提高岩心采取率。施工中采用了纯SM植物胶浆液和SM植物胶与膨润土混合浆液两种循环液，取心效果都比较好。具体配比如下：

（1）SM植物胶浆液

SM胶干粉（质量）：水（质量）=1：50

纯碱加量为SM胶干粉质量的5%。

（2）SM植物胶和膨润土混合浆液

SM胶干粉：膨润土：水=1：100：250

4.3钻头的选择

为防止钻头在赳取岩石时对未胶结和胶结差的砂岩的破坏，减少冲洗液在钻头部位对软弱岩层的冲刷，选用了阶梯形底喷硬质合金钻头钻进，取得了很好的效果。钻头的特点是端部半径小，内保径部分短，钻头底部切有“泄水孔”使大部分冲洗液直达钻头底部，在钻进时既可达到冷却、润滑钻头作用，又能减少磨碎岩心和冲洗液冲坏岩心的危险。

4.4钻进参数的选择

（1）钻机转速

采用较低的转速，减少对岩心的扰动。一般选用转速为转速400～600r/min。

（2）钻压

由于岩石强度低、胶结情况差，钻压不宜过高，采用3～7MPa。

（3）冲洗液量

在达到排粉、冷却钻头、润滑钻具的前提下，尽可能采用小泵量，减少冲洗液对松散岩层的扰动，一般采用40～60L/min。

（4）回次进尺

根据岩石破碎、风化情况合理控制回次进尺，一般回次进尺0.5～1.0m左右。

5.取心效果对比

通过所采取的综合技术措施，在南水北调洺河渡槽钻探中岩心采取率取得了极大提高，对比指标见下表1。

6.结语

在复杂地层钻探施工中影响岩心采取率高低的因素是多方面的，需要根据不同的工程地质情况具体分析，找出影响的原因以便采取正确的解决办法。在南水北调洺河渡槽地质钻探施工中采用单动双管钻具配合植物胶循环护壁取心等综合施工工艺极大提高岩心采取率，有效地解决了砂岩强度低、破碎、胶结程度差、软弱互层等因素造成岩心采取率过低的技术难题，同时也为在其它复杂地层提高取心率提供了一些思路。