老石山隧道工程勘察钻孔施工冲洗液配置应用

2015-02-23周小纯

地球 2015年10期

关键词：孔内石山断层

■周小纯

（广东核力工程勘察院广东花都 510800）

老石山隧道工程勘察钻孔施工冲洗液配置应用

■周小纯

（广东核力工程勘察院广东花都 510800）

老石山隧道出口段岩体受区域性活动断裂影响极为严重，岩体疏松、完整性极差。在钻遇老石山向斜核部时，漏涌间断、掉块挤钻，并夹有断层泥等不稳定地层，导致孔故频发，致使钻进困难重重，尤以GDZ-老石山-10号孔最为严重。本文针对该地区孔故预防和处理在冲洗液配置方面进行了多次有益尝试，经现场试验应用，成效显著。

隧道勘察复杂地层岩心采取率冲洗液配置

1 概述

老石山隧道横跨云南省宜良县草甸、玉溪县阳宗两镇，隧道全长8120m，最大埋深约600m。测区属云桂高原低中山剥蚀地貌，上覆第四系覆盖层及上第三系粘土（膨胀土）、褐煤、细圆砾土，下伏基岩为灰岩、白云岩、玄武岩、泥岩、砂岩、页岩、泥灰岩及断层破碎带之断层角砾等。

工作区域发育有性质不明断层、白石岩1#逆断层、白石岩2#逆断层、梁家庄向斜、陡马箐背斜等构造，岩溶普遍发育。本次勘察的目的是要查明施工范围内工程地质、水文地质、环境地质资料，为隧道开挖、支护提供超前预报，做到安全顺利施工。

2 钻探施工主要技术要求

（1）钻孔深度按设计书确定，若钻至设计深度时，孔内依然出现软弱夹层、破碎带等不良地质现象时，应继续钻至稳定岩层，具体深度需甲方确定。

（2）为保证孔内水文地质试验、物探测井和采样要求，开孔孔径≮Φ130mm；抽水试验段孔径≮Φ110mm；终孔孔径≮Φ91mm。

（3）全孔取芯，断裂破碎带岩心采取率≮50%，其余地段≮70%，极破碎地段应采取措施尽可能提高岩心采取率。

（4）钻孔（直孔）偏斜控制标准：每100m顶角≯1.5°。

3 现场施工

受甲方委托，我院承接了老石山隧道深孔勘察15个钻孔的施工任务。首孔于2009年7月15日开钻，前期施工的GDZ-老石山-03、GDZ-老石山-04、GDZ-老石山-07和GDZ-老石山-09号孔，岩心十分破碎，采取率低，机械磨损严重；构造带位置常遇泥包石、断层泥等软弱、软硬夹层，上下盘经常掉块卡钻，孔壁稳定性很差，钻效极低，延误了较多工期。

对上述地层整理分析可发现，该不稳定地层即有力学不稳定地层，也有水敏性地层。因此在进行冲洗液性能设计时：对力学不稳定地层，冲洗液的粘度和切力是设计的重点；在坚硬打滑地层，要加强冲洗液的冷却和润滑能力；在水敏性和水溶性地层，低失水量和强抑制性是冲洗液设计的核心指标；依据以上原则并结合前述钻孔事故处理经验，针对GDZ-老石山-10号孔，在常规施工措施的基础上，重点改进冲洗液配方，经现场应用，成效明显。

3.1 常规施工措施

依据甲方提供的地质资料和钻孔技术要求，常规钻孔结构为：①Φ150mm开孔至稳定基岩，下Φ146mm井口管，若覆盖层较厚，则分级下入Φ127mm套管；②Φ75mm绳索取芯钻至终孔，先进行物探测井，后导向扩孔进行水文地质试验，这样可加快施工进度。

施工地层溶洞普遍发育，溶洞地区堵漏是施工难点，施工时应根据其孔深位置和规模采用惰性材料、水泥封堵、套管隔离、飞管、造壁等办法确保冲洗液循环；施工中还会遇到水敏性地层，常规冲洗液采用：水+0.5%野生植物胶+5%人工钠土+（0.03%-0.06%）烧碱+0.3%CMC（简称配方1，泥浆性能指标见编号1），除大裂隙、溶洞漏失外，冲洗液中可酌情加入高粘Na-CMC或801随钻堵漏剂堵漏。

3.2 施工难点

老石山隧道出口段岩体极为破碎，岩体呈砂状、碎石土状，部分风化呈黏土夹角砾状，遇水膨胀，附近区域施工的所有钻孔均出现多层岩溶化灰岩，此部位冲洗液一般全漏失，孔壁粗糙，岩石质硬，研磨性和造斜作用强烈是该类孔最突出的问题，另外在构造带软硬夹层、断层泥处易掉块卡钻、塌孔，甚至发生过一次断层泥埋钻事故。综合施工过程，孔内故障主要体现在以下几点：

（1）开孔口径大，钻孔结构复杂。为加快进度，下完技术套管后，直接用Φ75mm钻至终孔，有水文试验要求时再扩孔，而不稳定地层扩孔易出事故。

（2）岩溶化灰岩破碎、硬脆、厚度大，研磨性强，管材消耗大，钻进时效低。

（3）漏水频繁，在“打滑层”和“断层泥”中钻进时风险很高，易烧钻、埋钻。常规堵漏花费时间长，成本高。

（4）部分孔段地层造斜作用强，钻孔偏斜控制难。

3.3 事故处理方案

（1）大裂隙、大孔洞堵漏：岩溶化灰岩裂隙、溶蚀发育，一旦裂隙贯通漏水，用配方1冲洗液堵漏成功率低。现场处理原则是：浅层部位扩孔下套管隔离；较深部位采用凝胶堵漏剂直接灌入法外加冲洗液共同处理，少数复杂深孔部位在冲洗液底部循环有保证的前提下顶漏钻进，或者考虑下飞管灌浆隔离。

（2）强研磨性和水敏性地层钻进：除漏水孔段外，正常钻进主要面对可钻性7-8级的灰岩、岩溶化灰岩，岩心破碎、质硬，机械磨损严重，钻具磨损强烈；水敏性地层遇水膨胀、垮孔甚至埋钻，因此要求冲洗液有良好的润滑、抑制护壁功能，在进行冲洗液性能设计时，还应考虑对小裂隙地层的堵漏功能，因此要求冲洗液具有低黏度、低比重、低滤失、低固相等功能。

3.4 冲洗液指标设计

在总结前期冲洗液（配方1）施工经验的基础上，认真分析地层钻进需要，对冲洗液配方1进行了优化配比（简称配方2，泥浆性能指标见编号2），即：清水+4%人工钠土+1%野生植物胶+0.5%KP共聚物+0.03%PHP+0.3%NA-CMC(中粘）+0.4%润滑剂。相比配方1，加入了KP共聚物、中粘NA-CMC、30%水解度PHP，它们的作用功效是：KP共聚物可有效抑制水敏性地层水化膨胀，护壁、固壁作用强，并有良好的降失水作用；中粘NA-CMC主要起降失水作用，亦有增粘效果；PHP以选择性絮凝为主，兼有降失水作用。

实验室冲洗液指标测试仪器见表1。

表1 现场用冲洗液指标测试仪器型号

3.5 冲洗液性能指标分析

对塑性流体层流形态，表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和。塑性粘度指冲洗液体系中固相之间、固相与液相之间以及液相之间的内摩擦阻力，是冲洗液粘度中的有害部分，应尽量减少。

动切力反应冲洗液体系中粘土颗粒之间、粘土颗粒和高分子化合物之间、以及高分子化合物之间的相互作用力，它是衡量冲洗液携渣与悬浮能力的基本指标，动切力过低，冲洗液不能有效携带岩粉，孔内沉渣过多，造成孔底重复破碎，影响钻速和钻具寿命，同时孔内净化不好，易引发孔内事故；动切力过高，则循环泵压大，这对钻杆柱的工作性状和孔壁都会产生不利影响，在不稳定地层，升降钻具产生的压力激动会导致孔壁坍塌、垮孔等复杂现象，亦须避免。

动塑比是衡量冲洗液剪切稀释性的重要指标，在钻头部位，冲洗液流速大，表观粘度低，有利于孔底碎岩；而在环空中由于冲洗液流速降低，表观粘度提高，有利于携渣、返渣。

编号3是施工现场对配方2冲洗液返浆后的密度、马氏漏斗粘度进行了多回次测试结果，其余指标为试验室测定结果（单次）。