淺談地質勘探水利水電論文

淺談地質勘探水利水電論文

　　1繩索取心鉆進工藝的應用研究

　　1．1試驗性應用

　　由于我院鉆探生產以小口徑金剛石鉆進工藝為主，對繩索取心鉆進工藝技術尚未實踐應用過，因此，為了能更好地投入到生產，先開展繩索取心技術的試驗性研究工作。本次試驗選用XY－2型液壓立軸式鉆機、BW－250型臥式三缸往復單作用活塞泵，循環液采用SM植物膠沖洗液，鉆桿、鉆頭、鉆具及附屬設備選用中地裝備無錫鉆探工具廠的S型標準系列。其中，S95、S75繩索取心鉆具各3套，鉆桿各200m，繩索取心鉆頭各10個，打撈器和木馬夾持器各2套，其它附屬材料若干。本次試驗孔深100m，首次對繩索取心鉆進工藝技術進行了深層次的分析研究和探索應用，緊緊圍繞孔內潤滑、護壁、取心及鉆進質量、效率等技術難題，重點探索研究了繩索取心鉆進的關鍵技術環節及與之配套的循環液，初期成果明顯，為實踐性生產應用奠定了基礎。

　　1．2實踐性應用

　　在試驗性應用取得成果的基礎上，在滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK2108孔進行了實踐性應用，對繩索取心鉆進工藝作進一步研究。

　　1．2．1項目概況滇中引水工程規劃區含迪慶、麗江、大理、楚雄、昆明、曲靖、玉溪、紅河等8個州(市)所轄的52個縣，國土面積約9.49萬km2(占全省總面積的1/4)，根據《滇中引水工程規劃報告》、《滇中引水工程項目建議書研究報告》，滇中引水工程一次建成，工程總干渠奔子欄—蒙自全長848.2km，多年平均引水量34.17億m3，渠首設計流量145m3/s。萬家—新莊段處于云南高原中部之滇東高原盆地區，沿線經過楚雄紅巖高原亞區和昆明巖溶高原湖盆亞區兩個地貌單元，區內山脈和主干河流受構造控制明顯，線路通過地區地層發育齊全，沉積類型復雜、多樣，從元古界到第四系均有出露�？尚行匝芯侩A段計劃(含預留)鉆探工作總量38250m，要求全孔巖心采取率≮95%，壓水試驗執行《水利水電工程鉆孔壓水試驗規程》(SL31—2003)。由于部分地層以破碎玄武巖、灰巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖等巖溶地層為主，巖層破碎程度高、孔壁穩定性差、孔內事故率高、鉆進難度大、鉆進效率低。ZK2108孔設計孔深220m，位于昆明市盤龍區兩面寺附近的昆明—呈貢隧洞出口處，覆蓋層主要為碎塊石和粘土，基巖主要是灰質白云巖、石英砂巖，節理裂隙較發育，裂隙間多充填泥質、巖屑等物質，面起伏粗糙，以緩傾節理為主，受構造影響，巖體較為破碎、松散，鉆進難度較大。

　　1．2．2鉆進器具及附屬設備的配置由于處于實踐性應用階段，并受到目前人員、設備、材料等資源的限制，ZK2108孔的鉆進主要用試驗性階段的設備和器具材料。

　　1．2．3鉆進參數繩索取心鉆進效率取決于鉆進規程參數的選擇，必須根據地層條件和繩索取心鉆具特點，合理選擇鉆壓、轉速和沖洗液量。

　　1．2．3．1鉆壓鉆進過程中，當鉆壓高于所鉆巖石的壓力硬度時，巖石就由表面破碎轉為體積破碎，但當壓力接近或超過金剛石本身抗壓強度時，金剛石開始破損，同時，隨著鉆壓的增加，金剛石的磨損量也增加。由于繩索取心鉆頭胎體壁要比標準鉆頭厚2mm，因此繩索取心鉆進環狀克取面積比常規取心鉆進增大了10%以上，鉆進時所用鉆壓亦相應增大10%左右。實際選擇鉆壓應按具體巖層條件、鉆頭類型、鉆頭實際尺寸等，通過實踐合理確定。該孔選用孕鑲金剛石鉆頭，結合地層實際情況，h75mm口徑鉆壓選擇為11～14kN，h95mm口徑鉆壓選擇為12～17kN。

　　1．2．3．2轉速轉速是影響繩索取心金剛石鉆進速度的重要因素，轉速過快或過慢，對繩索取心鉆進都不利。通常情況下，孕鑲金剛石鉆頭的圓周線速度在1.5～3m/s范圍內較合適，表鑲金剛石鉆頭則在1～2m/s較為合適。根據實際鉆進情況，該孔h75mm轉速選擇為500～800r/min，h95mm轉速選擇為400～700r/min。

　　1．2．3．3沖洗液量沖洗液除冷卻鉆頭和懸排巖粉外，還有調節金第42卷第2期張正雄:繩索取心鉆進工藝在剛石鉆頭胎體正常磨損的作用。由于繩索取心鉆桿與孔壁間隙很小，沖洗液上升速度得到了提高，因此，流量比普通雙管略低。通常情況下，保持環狀間隙上返流速在0.45～1.5m/s范圍內，鉆頭唇面單位面積(cm2)沖洗液量在3～5L/min(中硬—硬巖)或2.4～4L/min(硬—堅硬巖)較為合適，宜根據具體施工條件合理確定。該孔鉆進h75mm口徑沖洗液量選擇為60～70L/min，h95mm沖洗液量選擇為80～90L/min。

　　1．2．4沖洗液沖洗液的選用種類很多，一般可選用聚丙烯酰胺、不分散低固相沖洗液、低粘增效粉(LBM)泥漿、天然植物膠溶液、生物聚合物溶液等。繩索取心鉆進應根據地層特點、鉆孔設計深度來合理選擇沖洗液，沖洗液應有良好的流動性，對孔壁的側壓力小，防塌排粉效果好，能迅速堵塞巖石的自然空隙。該孔鉆進選用聚丙烯酰胺低固相沖洗液，按照膨潤土的加量為3%～5%，純堿的加量為0.2%～0.3%，聚丙烯酰胺的加量為0.1%來配制，將水解的聚丙烯酰胺和純堿溶液加入到泥漿中，混合攪拌均勻后即可使用。

　　1．2．5取心操作技術當鉆進到巖心快裝滿內管或發生巖心堵塞時，立即停泵起鉆。內管撈出孔口后，卸開撈鉤，檢查巖心采取情況，若有巖心，則擰開內管任意一端后，輕輕敲擊內管倒出巖心;若發現內管中無巖心或巖心欠缺時，應當判斷原因，采取相應措施及時處理。任何情況下，回次進尺長度不應超過巖心管有效容納長度。

　　1．2．6關鍵技術環節的探索與應用

　　1．2．6．1套管護壁鉆孔必須下孔口管保護孔口、防止偏斜，必要時，還應下表層套管，以防止表層漏失和坍塌。下好表層套管是保證繩索取心正常鉆進的基礎，一般情況下，應根據所采用繩索取心鉆具規格和孔徑要求來選擇套管直徑，套管直徑應與鉆具口徑相匹配，直徑過大會造成鉆具工作不穩定，容易折斷鉆桿，不利于提高鉆具回轉速度;直徑過小，容易造成起下鉆困難，不利于懸排巖粉。同時，還應根據所遇地層巖性完整程度來確定所下套管的深度，套管應下入完整基巖，并應盡量一次下入到需要的最大深度，以減少換徑次數，簡化鉆孔結構。該孔根據地層情況下入了孔口管和表層套管，并在鉆進至171m遇到破碎層出現坍塌、掉塊時，采取將表層套管撥出，擴孔到完整基巖下部3m左右下套管的方法解決護壁問題。

　　1．2．6．2巖心打撈在巖心打撈過程中，往往會存在內管卡死在外管總成內打撈不成功，或打撈器打撈不住內管總成，亦或是打撈途中遇阻提拉不上來等情況。對于這些情況的出現，應認真分析原因，采取鉆進前認真檢查、鉆進中起大鉆檢查、設置循環液沉淀池等有效措施進行防范和處理。該孔鉆進過程中，出現了打撈途中遇阻提拉不上來的情況，取出鉆具后檢查分析發現，阻礙內管起下的原因是鉆桿內有泥皮，通過調整泥漿性能，采用循環沉淀系統，增設除砂和除泥裝置后，該問題得以順利解決。

　　1．2．6．3孔內事故預防由于繩索鉆桿與孔壁間隙小、摩擦大，鉆桿接頭容易磨損變薄，容易發生鉆桿折斷事故，應選用優質的沖洗液進行潤滑，并選用材質良好的鉆桿及鉆具，在起下大鉆時多檢查鉆桿接頭處，以免發生事故。在地質條件復雜或地質情況不明的情況下，也可以考慮終孔孔徑比所要求的孔徑增大一級，以預防可能出現的意外情況，或者在不改變終孔孔徑的情況下，在開孔時預留一級口徑，以備在遇到意外情況時采取相應的處理措施。

　　1．2．6．4與普通鉆進工藝的結合使用對于破碎復雜地層，一般較為松散，孔壁易垮塌、掉塊，需要下套管隔離或采用水泥封孔，亦或是選用合適泥漿進行護壁。由于繩索取心鉆進技術本身的缺陷，采用繩索取心鉆進反而局限性較大，會出現無法鉆進的情況，這種地層往往需要采用與常規鉆進工藝相結合使用。該孔的鉆進過程中，先采用普通鉆進工藝鉆穿覆蓋層進入完整基巖，下入套管護壁，然后采用h95mm口徑的繩索取心鉆進工藝鉆進。由于缺乏對地層的全面認識和了解，在鉆穿完整基巖遇到破碎、復雜的地層后，繩索取心鉆進工藝無法實施正常鉆進。起大鉆后采用h110mm口徑的普通鉆進工藝擴孔穿過破碎層并下入套管護壁后，繼續采用繩索取心工藝鉆進。

　　1．2．7應用效果對比分析ZK2108孔與相距1.1km的ZK2109孔地層情況相似，ZK2109孔采用普通鉆進工藝。2個孔采用不同鉆進工藝的效果對比分析詳

　　2技術總結及推廣應用

　　2．1技術總結

　　(1)采用繩索取心鉆進工藝，大大節省了起下鉆的時間，也減少了起下鉆掃孔等輔助時間，還可以減小孔壁擾動和掉塊，從而提高了鉆進效率，降低了工人勞動強度和勘探成本，鉆進安全系數更高。

　　(2)由于繩索取心鉆進工藝巖心即堵即起，減小了巖心對磨或擾動，避免了重復破碎，對提高巖心質量有著重要的作用。

　　(3)在鉆進過程中，要根據巖層性質，盡量采用小口徑鉆進，并合理選擇鉆進規程參數，合理控制鉆進時效，遇到巖心堵塞時及時提鉆取心，不能盲目靠加大鉆壓來追求進尺速度。

　　(4)繩索取心鉆進外環間隙小、循環壓力高，容易造成循環漏失、壓塌孔壁，而頻繁提鉆產生的抽吸對地層的穩定性也造成一定程度的破壞，對非完整性地層需要使用優質的泥漿鉆進。尤其在鉆進復雜地層時，應放慢起下鉆速度，提升鉆具及打撈內管總成時，均須向孔內回灌一定量的沖洗液。

　　(5)繩索取心鉆進工藝的初次實踐應用效果較好，為我院在水利水電工程地質勘探中推廣該項工藝積累了經驗。

　　2．2推廣及應用

　　鑒于繩索取心在ZK2108孔應用取得的初期成果，結合本期實踐應用中積累的經驗，新購買了JS系列鉆桿JS95A、JS75C各700m，Q系列HQ、NQ繩索鉆具各4套，并成功應用于廣東某地質勘察項目650m的深孔和滇中引水工程可行性研究階段萬家—新莊段ZK1094(480m)、ZK1095(550m)的深孔鉆進，標志著我院繩索取心鉆進技術在水利水電工程鉆探中的應用取得了重大突破，并初步具備了推廣使用該項技術的條件。

　　3結語

　　由于繩索取心鉆進工藝有著常規鉆進工藝無可替代的優勢，是一項先進的鉆進技術，但在水利水電地質勘探中的應用還較少，因此，在水利水電工程地質勘探中推廣應用該項技術前景廣闊。但根據現場實際應用效果，完整地層鉆進優勢較為明顯，破碎、復雜地層鉆進局限性較大，在繩索取心技術的下步應用中，將持續加大對復雜地層鉆進關鍵技術環節的探索和應用研究，以期達到在水利水電工程地質勘探中全面普及和推廣應用繩索取心鉆進工藝的效果。

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