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1、深厚砂卵礫石層金剛石鉆探施工技術和工藝付兵邱太寶摘要：結構復雜的深厚砂卵礫石層的鉆探施工技術和工藝是十分復雜的。作者以樂山沙灣水電站壩址區鉆探工程的實踐，詳細地總結了深厚砂卵礫石層金剛石鉆探施工的鉆孔結構設計、金剛石鉆頭的選擇、鉆進參數、系列鉆具及套管選擇等方面的經驗。同時指出，工程鉆探是一門實踐性很強的學科，因此，切不可死搬硬套別人的經驗，須根據地層情況加以取舍、總結、完善，才能達到最佳效果。關鍵詞：樂山市沙灣水電站；鉆探施工技術和工藝；鉆進參數；厚壁套管；沖洗液；質量；沙灣水電站樞紐工程位于四川省樂山市沙灣區大渡河干流葫蘆鎮河段，為大渡河干流下游梯級開發中的第一級，距樂山市城區44.5Km2、。該工程以發電為主，兼顧灌溉和航運功能。電站裝機容量480MW，河床式廠房，廠房后接長約9Km的尾水渠，屬大型水電項目。 該工程鉆探工作的特點是，樞紐區河床砂卵石層厚度大，最深達約77m，且結構復雜，給鉆探施工帶來很大的困難。因此，認真研究深厚砂卵石層金剛石鉆探的施工技術和工藝，是保證鉆探質量和圓滿完成鉆探任務的關鍵。1壩址區地質條件及地質要求1.1壩址區地質條件上壩址區河床段地質條件 壩址位于沙灣區葫蘆鎮上游約2.2Km的祝村壩，河谷呈寬緩的“U”形狀，河床段寬度約570m，左側為大渡河現主河道，右側為河流漫灘。地表覆蓋層上部為第四系全新統現代河流沖積堆積（Q42al）之層，其物質組成為漂卵3、石夾砂，厚度為18.0020.10m，中、下部為第四系上更新統沖洪積堆積層（Q3alpl）之漂卵石夾粉土，厚度為17.0053.50m，底部為粘土透鏡體，厚度為1.002.90m。覆蓋層左右兩側厚度差異較大，左側為一深切河槽，覆蓋層最大厚度達76.54m；右側為一基巖臺地，覆蓋層最大厚度達36.30m。 下壩址區河床段地質條件 下壩址位于沙灣區葫蘆鎮上游約1.0Km的桅桿坪，河谷開闊，呈寬緩的“U”型，河床段寬度約630m，右側為大渡河現主河道，中部為一河心島，左側為河流漫灘。地表覆蓋層中部和上部為第四系全新統現代河流沖積堆積（Q42al）層，按其物質組成可分為兩層，第一層為漂卵石夾砂，厚度為4、6.6033.20m，第二層為卵礫石夾砂，厚度為0.0026.10m，層中夾粉細砂透鏡體；下部為第四系上更新統沖洪積堆積（Q3alpl）層，其物質組成為卵礫石夾砂，厚度為0.0044.50m，層中局部夾砂層及粘土夾礫石透鏡體，砂層透鏡體最大厚度達18.60m。河床內分布左右兩個深切河槽，左側深切河槽寬約100130m，覆蓋層最大厚度達53.26m；右側深切河槽寬約330360m，覆蓋層最大厚度達66.76m。 下伏基巖為三疊系中統雷口坡組（T213）之泥質白云巖、巖溶角礫巖及灰巖。1.2地質對鉆孔的質量要求及技術要求質量要求：巖芯采取率85%，巖芯獲得率80%技術要求：終孔直徑不小于91mm。5、2設備的選擇根據地層情況、鉆孔深度和地質要求，鉆探設備選擇如下：鉆機：XY2型水泵：3D5/40型定量泵：BW150型、BW160型攪拌機NJ300型上壩址區鉆進方法及鉆孔結構 根據地層情況及上階段鉆探施工的經驗，上部砂卵石層，先采取植物膠金剛石鉆進取芯，后跟進厚壁套管護壁，以護住上部較為松散的砂卵石層；下部砂卵石夾粉土層，因其穩定性相對較好，采用植物膠金剛石鉆進，輔以投黃泥球擠壓護壁及下入多級套管護壁的方法，鉆穿砂卵石層，基巖：采用清水金剛石鉆進。 根據地層情況及鉆孔深度選擇鉆孔結構如下：015m，跟進19414厚壁套管，之后采用150、130、110植物膠金剛石鉆進，并逐級下入146、126、7、108套管，每級鉆進深度控制在1525m，鉆穿砂卵石層。 基巖：采用91清水金剛石鉆進工藝，一徑終孔。 上壩址鉆探完成覆蓋層最大厚度達76.54m，孔深94.67m。3.1.2下壩址區鉆進工藝及鉆孔結構 根據地層情況及上階段鉆探施工的經驗，因砂卵石層較為松散，地層穩定性較差，先采用植物膠金剛石鉆進取芯，后跟進厚壁套管護壁的鉆進工藝，以兩層厚壁套管鉆穿砂卵石層。基巖：采用清水金剛石鉆探工藝。 根據地層情況及鉆孔深度選擇鉆孔結構如下：覆蓋層采用130植物膠金剛石鉆進取芯，逐步跟進17812（7英寸）厚壁套管護壁，17812厚壁套管總跟進深度，應視砂卵石層預測厚度，控制在2530m范圍內。之后，7、采用94植物膠金剛石鉆進取芯，跟進1279（5英寸）厚壁套管，跟進深度一般為3540m，鉆穿砂卵石層。基巖：采用91清水金剛石鉆進工藝，一徑終孔。下壩址鉆探完成覆蓋層最大厚度達66.76m，孔深85.23m。3.2金剛石鉆頭的選擇 根據地層情況及上階段鉆探施工的經驗，本工區全部采用成都探礦工藝研究所生產的電鍍金剛石鉆頭，其技術參數如下：砂卵石層金剛石目數：6080混合目金剛石濃度：100金剛石品級：JR4胎體硬度：40基巖金剛石目數：6080混合目金剛石濃度：100金剛石品級：JR4胎體硬度：3540 金剛石鉆頭對巖層的適應性是影響取芯質量的重要因素。選擇的原則是，首先確保鉆頭的鉆進速度，因為8、鉆進速度越快，則取芯質量越好，其次是考慮金剛石鉆頭的壽命，以盡可能的降低成本。3.3鉆進參數及操作注意事項 根據多年來砂卵石層鉆進的經驗，為確保砂卵石層取芯質量，鉆進參數應遵循“低壓力、中轉速、小泵量”的原則，以達到平穩的鉆進速度為宗旨。因為，壓力過大，容易產生巖芯堵塞現象；轉速過高，容易造成孔壁垮塌；泵量過大，會沖毀巖芯；最終導致鉆進困難，取芯質量降低。 鉆進過程中，操作注意事項：下鉆后，應用較大泵量沖孔，而后降低泵量鉆進。當砂卵石粒徑較小、地層結構松散、取芯困難時，可盡量降低泵量，以確保巖芯的采取。應經常對SD鉆具進行維護保養，以使其能保持良好的性能，確保取芯質量。回次進尺控制在0.81.9、2m，發現堵芯，立即起鉆。起下鉆速度應緩慢，以避免在孔內產生較大的抽吸，引起漿液強烈的激蕩，導致孔壁的垮塌。在鉆進過程中，正常進尺時，不得隨意改變鉆進參數，也不要隨意提動鉆具，以防止巖芯堵塞。在砂卵石層中鉆進時，當進尺速度突然加快，可能是進入砂層或砂礫石層，控制進尺，可適當降低泵量，以保證取芯。黃泥球的投入量和投入次數的控制：在砂卵石層的鉆進過程中，應根據地層和孔壁穩定情況適時的進行，一般在鉆進1.55m后可進行投入和擠壓，以確保孔壁的穩定，使每一級裸孔鉆進的深度達到1525m。超前鉆進量及跟進厚壁套管量的控制：在砂卵石層的鉆進過程中，采用植物膠金剛石鉆進取芯，出管腳的長度應控制在1.2m以內10、。厚壁套管每次跟進長度視進度快慢，控制在1m以內。配方 SM植物膠干粉：水23：100 純堿（NaCO3）按SM植物膠干粉重的56%3.4.2性能參數：比重：1.01.08漏斗粘度：90120秒失水量：10cc/30minPH值：810含砂量：2%膠體率：95%以上3.5厚壁套管的起拔 因本工區覆蓋層深厚，在鉆孔終孔后，對厚壁套管的起拔十分困難，特別是下壩址的鉆探，一般需下入兩層（17812、1279）厚壁套管，下入深度分別為2530m、3540m，用XY2鉆機起拔，一般需45天孔，如需做抽水試驗，則要耽誤67天。且在起拔套管時，鉆機卷揚機長時間超負荷的使用，也對鉆機卷揚機造成極大損壞，一般在11、起拔兩個孔的套管后，就需對卷揚機進行維修。 為了縮短鉆機孔與孔之間的周轉時間，我們采取了在鉆孔鉆進工作結束后，即移至下孔，然后組織專人，采用卷揚機性能優良的SH30-2A鉆機進行厚壁套管的起拔工作，使厚壁套管起拔效率提高了一倍多，同時也減少了因拔套管對XY2鉆機的損壞，大大提高了鉆探施工的效率。4質量保證措施4.1做好取芯及原位測試工作 砂卵石層取芯：采用植物膠金剛石鉆進工藝，鉆具采用SD植物膠專用鉆具，以取出近似原狀的砂卵石芯。 砂層標準貫入試驗：孔深20m內，當鉆進至砂層頂面后，應及時停鉆，跟進套管護壁，用鋼絲合金鉆頭將砂層頂面沉渣撈盡，然后下入標準貫入器做原位試驗。 砂層取樣：鉆進至取樣12、位置后，用鋼絲合金鉆頭將砂層頂面沉渣撈盡，然后下入108雙動雙管內管超前原狀取土器取樣。 基巖取芯：全部采用金剛石單動雙管鉆具，以確保基巖的巖芯采取率。 嚴格控制回次進尺：視地層情況，回次進尺控制在0.81.2m以內。 對易沖蝕、風化、崩解的巖芯，應選取有代表性的巖芯及時封存。4.2做好水文試驗工作 在鉆進過程中，堅持做好簡易水文地質觀測工作。 組織鉆工認真學習水利水電工程鉆孔壓水試驗規程SL312003，嚴格按規程執行。 做好抽試驗，現場配備了6T/h、12.5T/h、25T/h、50T/h共4種排量的抽水試驗設備及其它附屬器材，以確保抽水試驗的成功。 開鉆前，由水文值班人員組織機組人員學習13、鉆孔任務書，讓鉆工了解鉆孔的重點、難點及所需完成的其它工作。4.3做好鉆探原始記錄 組織鉆工學習勘察分院各部門貫標工作主要內容及獎懲辦法，使鉆工自覺地做好原始記錄工作，真正做及時、準確、真實、齊全。4.4做好封孔工作 請地質人員為鉆工講解封孔的重要性、可能造成危害性，機長應做好督促、檢查工作，確保封孔的質量，并做好封孔記錄。5結束語5.1在鉆進較為松散的砂卵石層時，采用跟進厚壁套管護壁的方法雖然原始，但卻是非常有效的方法，特別是在松散的砂卵石層深厚、植物膠護壁效果較差時。但現在市面上無專用的用于地質勘探的厚壁套管，經過比較選擇了兩種規格的套管。一種是材質為N80（日本生產）直徑為17812（714、英寸）石油固壁套管，別一種是直徑為1279（5英寸）石油鉆桿改制的護壁套管。17812（7英寸）石油固壁套管，材質特別好，使用效果奇佳，整個工地未損壞一個管腳，一根套管。而由1279（5英寸）石油鉆桿改制的護壁套管，因為是報廢的石油鉆桿，管壁厚薄不均，且材質各異，使用效果較差。在本階段的勘探過程中，由于跟進深度過深，一般為3540m（總深度約3778m），在拔管時拔斷而損失長度達60m，且管腳亦有損壞，給鉆進帶來新的難度，如能找到材質好，陳設新的套管代替效果更佳。5.2SD系列鉆具，性能優良，配合合適的金剛石鉆頭，能在砂卵石層中取出近似原狀的巖芯。采用SD系列鉆具，使我們在砂卵石層中鉆進的取芯率大幅度提高，特別是在ZK101孔，將砂礫石層與基巖（灰巖）一同取出，使地質人員親眼目睹了覆蓋層與基巖的接觸情況，受到了地質人員和咨詢專家的高度評價。5.3工程鉆探是一門實踐性很強的學科，對本文所述的經驗切不可一成不變套用，須根據地層情況加以取舍，并在實踐中總結、完善，才能達到最佳效果。