砂卵石层金刚石钻进与取样技术浅谈

砂卵石层金刚石钻进与取样技术浅谈

周宝惠

（安徽省水利水电勘测设计院233000）

[摘要] 砂卵石层钻进一直是水利钻探中的的难题之一，传统钻探一般采用以清水作冲洗液，跟管护壁，金钢石钻进。这种钻探方法效率低、勘探周期长、取样质量较差，难以查明砂卵石层的级配和物理力学性质等。本文介绍用木质纤维素制作的胶体加入粘土粉制备的泥浆作冲洗液，结合SD双管单动钻具对厚层砂卵石层进行钻探和取样，该方法较传统钻探方法有较大的改进，技术经济效果显著。

[关键词]砂卵石木质纤维素单动双管钻具

1 前言

我省长江以南地区以丘陵和山地为主，河流、湖泊众多，山区水力资料丰富，这一地区河流均分布有厚度不同的沉积岩、火成岩组成的砂卵石覆盖层，常见在厚度多在10～30m，局部厚度超过40m。砂卵石层常夹有10～50cm的漂、卵石，偶夹有5m以上的大孤石；砂卵石层胶结与级配状况变化很大，夹有细砂透镜体，局部有架空层，透水性很强，是一种勘探取样难度很大的地层。

过去在对这类河床砂卵石覆盖层勘探中，一直采用跟管护壁，以清水作冲洗液，金钢石钻具钻进；遇砂卵石层松散时先行采用重型动力触探冲击、挤密，再用金钢石钻具钻进。这种钻探方法效率低、勘探周期长，取样质量差，不能探明地基的承载力、沙性土层液化等问题。

本文作者在对江南石台县城市防洪墙勘探中，采用将木质纤维素胶体加入粘土粉泥浆中作冲洗液，结合SD钻具对厚层砂卵石层进行钻探和取样，取得了成功，现将该方法介绍如下。

2 冲洗液的配制与使用

近年来在覆盖层钻探中常常以SM植物胶作冲洗液，利用SD钻具对砂卵石层进行钻进和取样。SM植物胶冲洗液具有良好的护壁、冷却和润滑减阻作用，但SM植物胶在夏季发酵快，易变质，重复利用困难，浪费严重等问题。我省江南地区粘土丰富，利用粘土粉制备的浆液粘度不够，疏水性差，钻进时达不到很好的护壁效果，因此作者想到利用木质纤维素胶体对土粘土粉制备的浆液进行改良。

2.1冲洗液的配制

石台县附近砂卵石层结构较松散，多夹细砂透镜体，根据以往经验，该类地层钻探需冲洗液的漏斗粘度在5min左右。考虑这一要求，冲洗液的配制方法为：首先按每10kg的清水中加入0.5~1.0kg 的木质纤维素，再加入0.1kg的烧碱（主要用于控制发酵时间），发酵约2~4个小时，形成粘稠的胶体以备用；钻探时按每100kg清水大约加入粘土粉15~20kg和制备好的胶体20kg左右，用搅拌机搅拌约20min后，待粘土粉与胶体稠化后即可使用。

2.2冲洗液的使用

冲洗液制备完成后应及时使用，设专人对冲洗液进行管理，随时检查冲洗液的稠度，当冲洗液变稀时应及时补充。钻进时应根据地层的变化情况适时调整冲洗液的稠度，砂卵石层松散时应加入制备好的胶体，当卵石为泥质胶结时可适当降低稠度。当冲洗液稠度高，砂颗沉淀分离慢时，应及向沉淀池中加入少量聚丙烯酰胺水溶液，加快除砂。

3 钻进工艺

3.1主要钻探工具

①钻头：砂卵石层中卵石强度普遍较高，适合使用抗冲击性能较好的硬质胎体钻头。钻探中采用胎体硬度HRC40—45，金刚石粒度为60—100目的孕镶式或电镀式钻头。为增强钻头的抗冲击性能，采用厚胎体，并减少了水口数量，加大水口的深度，可防止崩刃，减少抽吸现象。

②钻具：为了取得质量较高的芯样，钻探时采用直径Φ91mm 的SD金刚石双管单动钻具。为了达到较好的单动效果，钻具单动接头采用两盘园锥滚柱轴承，以保持较大的盘距；另外采用内径相同的卡簧与钻头，以减少岩心的堵塞，钻具内管长度和间隙可能够根据地层变化情况自由调节。3.2 钻进方法

3.2.1钻孔设计

首先应将机械安装在平坦、牢固场地上，使钻机天车、立轴、钻孔的中心在一条直线上，不能马虎开钻。河床覆盖层表层结构松散，需要采用常规工艺跟管法开孔，打入Φ127mm孔口管，其打入深度根据上部松散层厚度来确定，以穿过松散层厚度为限。根据钻探经验，一般一次裸孔钻进的安全深度约30m左右，如果要求钻探深度大于30m或孔内出现不稳定的现象时，则需要再下直径为Φ108mm保护套管，方可继续钻进。

3.2.2钻进参数

①立轴转速：砂卵石层结构松散，相当于在破碎和非均质岩石中钻进，用SD钻具进行钻进时应根据冲洗液返回情况、钻机负荷能力和孔壁稳固情况来确定立轴转速。一般每回次开始钻进时，起始转速以200～300r/min为宜，经过几分钟磨合后，若孔内返浆较好，钻机平稳，可采用500~700r/min 的转速，反之应使用低速钻进。

②钻压：加压要适当、均匀，不能忽大忽小，更不能过大。钻压过大，金刚石切入岩石过多，就会堵塞水路，造成金刚石冷却不良，导致烧钻。砂卵石层属松散地层，应采用较低钻压，一般较正常压力值小一倍，采用2～4MPa压力。当钻进速度均匀、钻机平稳时，可适当增加压力。

③泵量：冲冼液具有冷却钻头、排除岩粉、调节钻头胎体磨损等作用，钻进时泵量必须均匀、连续，不能过大过小。冲冼液泵量的大小直接影响覆盖层的采样率、钻速和钻头的使用寿命等。考虑到砂卵石层取芯的效果，一般泵量应控制在40～50L/min之间，并根据岩层变化情况适时调整泵量大小。

3.2.3操作事项

砂卵石层本身结构松散，可钻性差，为取出好的岩样应加强现场操作的管理。

①必须保持冲洗液良好的性能，设专人管理，经常除砂，根据钻进情况及时调整冲洗液的性能，使之能够满足护壁、排砂等要求。

②下钻前应认真检查钻具，确保卡簧、卡座和钻头内径尺寸符合要求，保证卡簧在卡簧座中能够自由移动。钻具下至离孔底约0.5m时，应开泵冲洗，待孔口返水后方可轻压慢转扫孔到底，以防下钻过快，孔底沉淀堵塞水口。

③正常钻进时，转速和钻压不要忽高忽低，不要活动钻具。若发现岩心堵塞，处理无效时，应立即提钻，检查原因。

④提钻时应慢速、均匀上提，以防芯样滑落和钻头抽吸作用，破坏孔壁的稳定。

4 取样

在正常钻进情况下，SD钻具就能够在砂卵石层中取得原状样（基本达到二级土样标准）。为了提高取样的质量，提钻时要慢速平稳提升，防止芯样脱落。退出岩心时，不要吊起钻具敲打，应平放钻具卸掉钻头，抽出卡簧座和短节管，再卸掉钻头，倒出岩芯或采用水压退芯。当遇到细砂透镜体时，建议采用TD108X30原状取砂器取样。该取砂器内管超前外管，取土时外管回转，内管不转，直接切入砂层，内管装有内环刀取砂筒，避免开土时的二次扰动。

5 结语

采用常规钻进，砂卵石层岩芯采取率一般在10~20％，很少能够达到30%，而且芯样中的细颗成分多被清水冲走，不能够反应出砂卵石层的级配和胶结情况。采用新工艺钻进，加快了钻进的速度，岩芯采取率平均达75％左右，所取芯样质量较高，能够进行有关物理力学试验，同时节约了成本，经济效益明显。

作者：周宝慧，男，高级钻探技术工，一直从事外业地质钻探工作，先后参加过长江中下游重要堤防勘探、淮河综合治理19项工程中的4项勘探、以及多座中小型水库治理工程勘探工作，撑握了在各类复杂地层中的钻探取芯技术，多次被评为单位“先进工作者”。