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漂卵石地层地质钻探技术探讨

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘义兴

[导读] 摘要：漂卵石层是工程地质钻探中经常遇到的地层，钻进中的主要问题是孔壁不稳定，易坍塌，钻进效率低，取芯困难。

        钦州市水利电力勘测设计院
        摘要：漂卵石层是工程地质钻探中经常遇到的地层，钻进中的主要问题是孔壁不稳定，易坍塌，钻进效率低，取芯困难。本文结合钦江支流铜鼓江新圩镇防洪项目地质勘察实例，探讨漂卵石层的钻进方法。
        受建筑行业发展影响，岩土工程也备受瞩目，而作为建筑施工的先行工作，岩土工程勘察周期一定程度对整个项目工期有所影响，鉴于此，如何高效开展勘察工作尤为重要，而勘察工作除原位测试及室内试验外，则以钻探工作占用工期为最。而漂卵石层是工程地质钻探中经常遇到的地层，钻进中的主要问题是孔壁不稳定，易坍塌，钻进效率低，取芯困难。因此，开展漂卵石地层地质钻探技术探讨，为快速完成漂卵石地层地质勘探提供有力支撑。
        一、卵石地层描述
        在工程勘察工作中，卵石地层分鹅卵石、砂卵石、砂石、漂卵石。
        总的来说卵石地层特点是：覆盖层松散易钻，但孔壁稳定性差，易出现塌孔、超径等问题，其中漂卵石层算是比较难钻进的地层，其特点是岩石软理不均、松散，岩心采取率低，成孔困难，套管护壁跟不到底，使钻探工作一度无法进行，后通过采取一些技术措施提高了钻进效率、降低钻探成本，保证了岩芯采取率，取得了较好的效果。
        二、工程概况
        该工程为广西防城港市上思县公安河枯改河段整治项目，工程主要采取墙式护岸为主。河床呈 “U”字型，护岸主要布置在河滩一级阶地，工程区场地地层主要由侏罗系中统那荡组（J2n1）泥岩、砂岩及第四系洪积（Qpal）、冲积（Qal）细沙、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土、砂卵砾石组成，其中河滩卵石分布较广，卵石层厚度大，钻进取芯难度大。
        工程处于Ⅵ度地震设防区域，地震加速度0.05g。
        三、钻进方法
        1、开孔钻进
        开孔时采用冲击钻进或人工挖掘到漂卵石地层，后改用150M无敌卵石金刚石钻头接146MM套管跟管回转钻进，此段钻进极为困难，钻进压力的控制非常关键，小于钻头口径的卵石、砾石等经研磨、挤压直接进入套管内，而大于钻头口径的漂卵石则需在较小的钻压下慢慢钻穿。此时压力不宜过大，压力过大易损坏钻头而使钻进速度减慢。最难钻进时为遇到略大于钻头口径的圆形卵石，恰好卡在钻头底部，跟随钻头转动，造成长时间不进尺，这时的处理方法有两，一是减小钻进压力，同时提高转速，将该卵石钻穿，二是上下提动钻具，压住卵石，直至钻穿卵石。
        2、捞取岩芯
        当采用146MM套管接无敌卵石金刚石钻头钻进至一定深度时，进尺变得缓慢，这时需停钻取芯，用127MM钻具取芯，取芯要点为压力要小，使块状卵石慢慢进入钻具，投入少量碎石块，卡住岩芯后取出。如果岩芯较多，应分多次取得。此段工序最需注意的是要准确测量146套管底部，以免造成无敌卵石金刚石钻头互相研磨，而严重损坏钻头。除上述方法外，为了提高岩芯采取率，保证砂卵石级配不被破坏，在硬质合金钻头上钻6个15MM的小孔，将废钢丝绳割成80-100MM长穿入钻头小孔用电焊焊牢，依靠钢丝绳的弹性使岩芯进入钻头体不致落下。
        为提高岩芯采取率，注意要控制回次进尺，一般以0.4MM-0.7MM为宜。
        3、继续钻进
        取芯结束后，继续钻进，待146MM套管接无敌卵石金刚石钻头钻进至一定深度时，进尺非常缓慢时，将127MM钻具下入孔底后不动，上提146MM套管至127MM钻具穿过146MM套管底后开始钻进，此操作的目的是避免无敌卵石金刚石钻头间互相研磨。以下操作步骤依次类推，从而达到钻孔的技术要求。
        4优缺点分析
        以上钻探方法，其优点为避免了孔壁不稳定而坍塌的现象，又省去了其它护壁措施，提高了工作效率，缺点是因给水量较大，很难取得级配完好的砂砾石岩芯，尚需在今后工作中探索改进。另外在钻进过程中，应根据各个钻孔的不同地质情况，采取不同的技术措施，以保证生产任务的顺利完成。
        四、风动潜孔偏心跟管钻进
        1 钻探机具选择
        采用风动潜孔偏心跟管钻进可以很好地解决这一问题。本次漂卵石地层中工程钻探采用无锡市众锐钻探机械有限公司生产的CSJ7-0锚固钻机，偏心跟管钻具型号为：CSJG146，套管直径为 146mm，潜孔冲击器型号：CSJC-110。该钻机为动力头式钻机，可靠、实用、轻便、整机性能稳定、操作简便，安全性好。在满足钻进能力的基础上，大多数构件采
        用合金钢，以尽量减轻重量，而且其结构为分体式，分部件重量轻，可拆性好，搬迁、安装迅速方便。钻机可远距离操纵，一次搬迁完成多孔施工。
        本次钻探拔管机采用 “穿山甲 ” 系列 CSJB60液压拔管机，用于起拔钻孔护壁套管和钻杆，以便下次钻孔时使用。

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该拔管机用液压伺服平衡机构，起拔平稳，油缸受力均匀，而且设备重量轻、起拔力大、可拆性好、搬运迁移方便，特别适用于边坡、坑道、山区等施工场地。其额定起拔力 600kN，油缸行程 500mm，最大起拔速度 750mm/min，最大部件重量 180kg。安装好硬岩偏心钻头、潜孔冲击器、探头和钻杆后开始钻进。
        2 风动潜孔跟管钻进过程中地层的识别
        根据工程实践，认为风动潜孔跟管钻进过程中可按以下几点识别地层：
        ①根据孔内上返岩屑颗粒的湿度变化情况，判断地下水初见水位的埋深，终孔以后等水位稳定再测地下水的稳定水位；②根据孔内上返岩屑的颗粒，可以了解地层中碎卵石磨圆性的好坏、含砂量的多少及地层的分层情况；
        ③根据孔口返水、土及岩屑颗粒颜色的变化，可以了解碎卵石地层中含泥量的大小及岩土层颜色及岩性类别；④地层中若存在大的块石体时，跟管钻进速度会变慢、钻机运行较平稳，且成孔后起拔套管的难度加大；因此，可根据跟管钻进速度及钻机运行平稳情况来判断碎卵石地层粒径大小；
        ⑤若跟管钻进速度很慢，且钻机运行较平稳，且连续钻进 3.0m以上，可根据实际情况（如附近钻孔地层情况），判断为基岩，并可根据返岩屑的颗粒来判断基岩的岩性类别。根据施工经验，具体施工时应注意如下几点。
        3钻进质量控制
        3.1 不可盲目追求钻孔进尺
        在漂卵石地层中使用潜孔锤造孔时，钻进效率较高，这时不可盲目加大给进压力以追求进尺，应随时注意孔口上返岩屑情况，及时调整钻压及其他钻进参数，防止因岩屑产生过多来不及返出而造成人为卡钻事故，影响钻孔工效。
        钻进过程中若遇较大粒径的块石体时，且不可强行跟进，应采用捣、打相结合的方法，
        防止套管卡死在孔内，造成废孔。在实际施工时，钻进参数可参考如下：
        ①钻速：控制在 15 ～ 25r/min之间，一般情况下不宜用高转速，转速太高会导致偏心钻头
        加速磨损及钻杆脱扣。
        ②钻压：一般钻压控制在 15 ～ 20kN，进尺太快，应降压钻进，施于冲击器的钻压最低以
        冲击器工作时不产生反跳为宜。
        ③风压：一般不应超过 1.0MPa，以满足冲击器工作压力为准。
        ④风量：一般有 8m3 /min即可，在特殊情况下，如处理事故，强力吹孔时，应能达到10m3 /min。
        3.2 深孔（孔深 >15m）钻进时，新旧套管不宜混用在施工中，为了减少管材消耗，节约工程成本，护壁套管往往都是多批次、无定期的疲劳使用，部分旧套管的外壁及丝扣在使用过程中已受到不同程度的磨损，在进行深孔钻进时，随着钻孔深度的增加，套管外壁所承受的摩阻力及管体底部受到的冲击拉力也随之增大，若新旧套管混用，在孔内发生脱丝及断管的机率也会增大，将极大影响成孔效率。
        3.3 严格控制钻孔偏斜
        施工时可采用如下措施以防止钻孔发生偏斜：
        ①钻机就位后，应垫稳及调整钻机，使开孔钻具始终保持在铅垂状态。
        ②开孔钻具应采用大一级钻具，在钻至漂卵石层后要反复上下活动，避免回填土层中的砾石造成钻孔偏斜。
        ③下入跟进套管并用水平尺反复校对垂直度，如明显有偏斜，则拔出后填入砂砾石料而
        后重新在原处开孔。
        ④钻进中发现套管有偏斜现象，应全部拔出重新开孔。
        结束语
        采用风动潜孔偏心跟管钻进可以很好地解决漂卵石地层中钻探难题，它具有工作效率高（比传统方法工作效率高 5 ～ 8倍），钻探事故少，现场操作简单，在钻探过程中可以做到及时跟管，有效地防止塌孔现象地发生。潜孔锤的柱齿或球齿硬质合金钻头，在坚硬破碎岩石中使用，既有利于破岩，又有比金刚石钻头寿命高的适应性，大大降低了钻头成本。但由于该方法采用风动动力，无法在其他地层中使用，其使用范围具有局限性。
        参考文献：
        [1]边鹏，王成功.漂卵石地层岩土工程勘察工作中钻探工艺选取[J]. 大众标准化.2020（04）.
        [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（02）
        [3]郑书增，方德火，黄文勇.在碎块石、漂卵石地层中钻探施工经验[J].电力勘测设计.2007（10）