卵砾石不稳定地层的钻探技术实践

2010-11-29王福

铁道勘察 2010年5期

王福

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 工程概况

石家庄至郑州客运专线鹤壁特大桥位于河南省鹤壁市境内,桥长6995.98 m,桥址区地貌为冲洪积平原,地势由西向东倾,地形平坦开阔,地面高程83.343～84.385 m,大部分为耕地。本桥址段线路沿京珠高速公路西侧行进,与既有京珠高速公路近似平行。该桥DK540+950～DK541+450.00跨越京珠高速鹤壁互通匝道。

桥址区主要为第四系冲洪积成因的漂石、卵石夹砂砾、粉砂地层,砾石直径大,最大达1～2 m,一般为0.2～0.5 m;砾石大小不一,杂乱堆积,地层胶结性差,孔壁极不稳定,卵砾石成分主要为石英砂岩、混合花岗岩及灰岩。

该地层钻进过程中岩粉出屑多,颗粒较大,石质坚硬,钻孔漏失,常发生卡钻、埋钻、憋断钻杆等孔内事故,钻孔孔斜严重;加之卵砾石石质坚硬,钻探效率低。

我单位组织2台钻机历时2个月,完成600 m勘探量,取得较好的效果,本文对该项目钻进工艺及护壁堵漏工艺做简要介绍。

2 钻探施工技术及工艺

2.1 钻探设备的选择

根据地层情况及钻孔深度和地质要求,钻探设备选择情况如下。

钻机:GJ-150A;

浆泵:BW-150型;

钻塔:6 m四角塔。

2.2 钻机方法及钻孔结构

根据地层情况及钻探施工经验,本区上部卵砾石层先采用植物胶金刚石钻进取芯,后跟进套管护壁,以护住上部较为松散的卵砾石层;下部卵砾石较为松散,地层稳定性差,同时出于对起拔套管的安全,采用水泥浆护壁。

根据地层情况及钻孔深度,选择钻孔结构如下:覆盖层首先采用 φ130植物胶金刚石钻进取芯,逐步跟进 φ147套管护壁,跟进深度大约为20 m左右,之后,采用 φ110金刚石钻进取芯,钻进一段封堵一段,直到终孔。

2.3 金刚石钻头的选择

金刚石钻头对岩层的适应性是影响取芯质量的重要因素。选择的原则首先是确保钻头的钻进速度。因为钻进速度越快,则取芯质量越好;其次是考虑金刚石钻头的寿命,以尽可能的降低成本。

根据地层情况及钻探施工的经验,本工点采用电镀金刚石钻头,其技术参数为:

金刚石目数60～80混合目;金刚石浓度100%;金刚石品级JR4;胎体硬度40。

2.4 钻进参数及操作注意事项

根据多年来砂卵石层钻进的经验,为确保砂卵石层的取芯质量,钻进参数应遵循“低压力、中转速、小泵量”的原则,以达到平稳的钻进速度为宗旨。因为压力过大容易产生岩芯堵塞现象,转速过高容易造成孔壁垮塌,泵量过大则会冲毁岩芯,最终导致钻进困难,取芯质量降低。

在钻进过程中应注意以下事项:

(1)下钻后,应用较大泵量冲孔,然后降低泵量钻进。当卵砾石粒径较小、地层结构松散、取芯困难时,可尽量降低泵量,以确保取芯质量。

(2)回次进尺控制在0.8～1.2 m,发现堵芯,立即起钻。

(3)起下钻速度应缓慢,以避免在孔内产生较大的抽吸,引起浆液强烈的激荡,导致孔壁的垮塌。

(4)在钻进过程中,正常进尺时,不得随意改变钻进参数,也不要随意提动钻具,以防止岩芯堵塞。

(5)在砂卵石层中钻进时,当进尺速度突然加快,可能是进入砂层或砂砾石层,此时应控制进尺,可适当降低泵量,以保证取芯。

2.5 钻孔护壁堵漏方法

卵砾石地层钻进绝大部分孔内事故的发生都与孔壁有关,孔壁保护是提高卵砾石层钻进效率的关键。桥址区地下水位在20 m左右。由于地层松散堆积粒径较大,塌孔漏失严重。针对以上特点,采用的主要方法为:20 m以上采用植物胶泥浆护壁,然后下入套管;20 m以下采用水泥浆护壁。

(1)植物胶泥浆护壁

植物胶泥浆护壁是卵砾石层钻进保护孔壁的主要措施。钻孔施工中(0～20 m),采用边钻进边下入套管的方法,没有发生坍塌现象,主要原因是成功地使用了植物胶泥浆护壁。其配方为:

水∶黏土∶Na2CO3∶PW=1000 mL∶40 g∶2 g∶1.3 g

配置方法:

①先把纯碱与PW植物胶干粉按比例混合均匀,然后加水搅拌至均匀。

②按照黏土加入量(4%),将黏土加入水中搅拌造浆,再加入纯碱,使pH值至9左右。

③将PW植物胶碱液按比例加入到已搅拌好的泥浆中,充分搅拌均匀。

实践证明,采用植物胶泥浆在该桥址区卵砾石层钻进取得了很好的护壁效果,施工很顺利。

(2)水泥浆护壁堵漏

桥址区地下水位大约在20 m左右,因卵砾石层极为松散,砾径较大,漏失严重。采用植物胶的方法会因地下水降低黏度。同时,冲洗液也在不断的冲刷孔壁,随着钻进的继续,上部刚堵住漏失的裂隙层,由于钻具的震动,泥浆压力的变化,亦发生重新漏失,迫使停钻进行二次堵漏。因此,此处采用水泥浆护壁堵漏。水泥浆的流动度实验如表1所示。