SM植物胶工程技术

２００８年第３期　探矿工程（岩土钻掘工程）　１３　ＳＭ植物胶和ＳＤ系列金刚石钻进工艺　在深厚砂卵石层的应用　宋宏图　（四川省煤田地质局一三七地质队，四川达州６３５００６）　摘要：结构复杂松散的深厚砂卵石层的钻探施工技术和工艺是十分复杂的。以雅（安）泸（沽）高速公路Ｃ１１合　同段青杠嘴特大桥钻探工程的应用为例，介绍了ＳＭ植物胶和ＳＤ系列金刚石钻具在深厚砂卵石层钻探施工的钻　孔结构、ＳＭ植物胶的配制、金刚石钻头的选择、钻进参数、ＳＤ系列钻具及套管选择等方面的经验。　关键词：ＳＭ植物胶；ＳＤ系列钻具；金刚石钻头；钻进参数　中图分类号：Ｐ６３４．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—７４２８（２００８）０３—００１３—０３　８５％。　１　工程概况　雅（安）泸（沽）高速公路Ｃ１１合同段位于四川　省汉源县境内。该工程钻探工作的特点是：勘探区　内几座大桥，先后几次跨过大渡河，而勘探区内河床　砂卵石层厚度大，最厚处约１００　ｍ，且结构复杂，给　３设备的选择　根据地层情况及钻孔深度和地质要求结合现场　踏勘情况，钻探设备选择情况为：ＸＹ一２型岩心钻　机；３Ｄ一５／４０型高压泵；ＢＷ一１６０Ｈ型单缸泥浆泵、　钻探施工带来很大困难。因此，认真研究深厚砂卵　石层钻探技术和工艺，是保证钻探质量和提高钻效　的关键。　ＢＷ１６０／１０型卧式三缸活塞泥浆泵；ＳＭ一１型钻井　液搅拌机；７　ｍ钢管三角塔（０８９　ｍｍ）；以及相应的　附属设备。　２勘探区段内地质条件与地质要求　２．１　地质条件　４钻探施工技术与工艺　勘探区位于川西南高原与四川盆地的过渡带，　地形地貌主要受地质构造和岩性控制，勘探段出露　４．１　钻进方法与钻孔结构　在对该段进行可行性研究阶段的工程地质勘探　地层主要有第四系全新统冲、洪积层（Ｑ　邮　）是卵　石（夹、质）土，卵石成分以花岗石、安山岩、流纹岩、　石英砂岩、石英岩为主，白云岩、灰岩，辉绿岩次之，　中，采用清水跟管钻进方法。其钻探效率极低，且材　料消耗大，机械损耗严重而取心质量达不到技术要　求。根据地层情况及前期钻探施工的经验，本区上　部砂卵石层先采取ＳＭ植物胶和ＳＤ金刚石单动双　磨圆较好，呈次圆～圆状，分选性较好，中细砂及少　量岩屑充填，结构不均，局部夹圆砾土，中细砂土；湿　管半合管取样钻具钻进取心，后跟进厚壁管套管护　壁，以护住上部较为松散的砂卵石层，下部采用植物　饱和，稍密～密实；在卵石（夹、质）土中常夹漂石　（夹、质）土，该层多呈透镜体分布。　２．２地质对钻孔的质量要求及技术要求　技术要求：终孔孔径不小于９１　ｍｍ；全孔取心钻　胶金刚石钻进，辅以投黄泥球（掺锯末）挤压护壁及　下人多级套管的方法，钻穿砂卵石层。基岩采用ＳＭ　植物胶金刚石钻进，经过实践应用，大大提高了钻进　效率和岩心采取率，降低了生产成本。　４．２钻孔结构　进，岩心依次序摆放、保管，并作好各回次样品孔深　标记，并对所取岩心及时作好素描、鉴定等，填写好　钻探班报记录。　根据地层情况及钻孔深度选择钻孔结构如下：　采取率要求：砂卵石层、块石土采取率≥７５％，　强风化基岩采取率≥８０％，弱风化基岩采取率≥　收稿日期：２００７—１１—０７　般选用０１５０　ｍｍ金刚石单管钻进至５～１Ｏ　ｍ，跟进０１７８　ｍｍ　Ｘ　１２　ｍｍ厚壁套管，再用０１３０、　作者简介：宋宏图（１９６６一），男（汉族），蘑庆綦江人，四川省煤田地质局一三七地质队副队长，探矿工程专业，从事钻探生产及技术管理工　作，四Ｊｉ　Ｊ省达州市华蜀南路１９８号，ｓｂ￣８８８＠１６３．ｃｏｍ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

１４　探矿工程（岩土钻掘工程）　５．３浆液的维护管理　２００８年第３期　１１０　ｍｍ植物胶金刚石钻具钻进，并下人０１２７　ｍｍ　套管，每级钻进深度控制在１５～２５　ｍ，直至钻到基　岩后，用０９４　ｍｍ　ＳＤ金刚石钻进到设计孔深。　（１）现场应设专人管理泥浆，保证泥浆性能指　标始终符合要求：密度１．０～１．５　ｇ／ｃｍ　，粘度６０　ｓ　以上。　在跟管时常遇大漂石、孤石，套管打不下去，这　时不能硬打吊锤，因为这样会导致套管管靴损坏，同　时会损坏套管的连接扣，严重时会断裂，使下一级配　钻具或套管不能通过。此时必须起拔套管（在施工　（２）定期测定泥浆性能，浆液变稀时，只要没变　质，可加入泥浆调整或加入ＳＭ粉和膨润土粉搅拌　均匀。　杠子上、青杠嘴大桥时有深刻教训）。此时可采用　爆破跟管法，以穿透大孤石跟人套管。　４．３金刚石钻头的选择　根据地层情况及前期钻探施工的经验，我们在　金刚石钻头的选择上较为慎重。金刚石钻头对岩层　的适应性是影响取心质量和钻进速度的重要因素。　而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，则取心质量越好；其次是考虑金刚石钻　头的使用寿命，以尽可能地降低成本，在本段勘探中　采用了平底热压金刚石钻头，其钻头技术参数为：　砂卵石层：金刚石目数为６０～８０混合目；金刚　石硬度１００％；金刚石品级为ＳＭＤ优质级；胎体硬　度３５～４６。　基岩：金刚石目数为６０～８０混合目；金刚石浓　度１００％；金刚石品级为ＳＭＤ优质级；胎体硬度３０　３５　５泥浆技术　根据地层情况，选用ＳＭ植物胶配制低固相泥　浆，因为ＳＭ植物胶配制的泥浆，可以提高粘度，减　少振动，降低失水量，提高泥浆稳定性、润滑性和改　善泥浆流变性。　５．１　配方　ＳＭ植物胶的浓度一般为０．５％～０．８％，膨润　土的浓度一般为３％～５％，纯碱（工业用碱）为土粉　和ＳＭ粉总质量的５％～６％，另外，加入２０００　ｍｇ／Ｌ　（０．２％）的羧甲基纤维素（ＣＭＣ），进一步增粘降失　水，提高防塌效果。　５．２配制流程　先将纯碱（工业用碱）加入１／３搅拌桶的清水　中进行溶解，然后将ＳＭ粉和土粉同时均匀地加入　水中，边搅拌边撒人，应注意不可快速倒人，防止结　团。在搅拌均匀（约１５～２０　ｍｉｎ）后，再加入羧甲基　纤维素（ＣＭＣ）和水至所需数量，高速搅拌均匀（约　１５—２０　ｍｉｎ）。搅拌后，放人泥浆池中浸泡约６　ｈ，待　胶粉充分溶解，浆液稠化后就可使用。现场应布置　３个泥浆池：进浆池、回浆池、制浆池。　６钻进参数和操作中的注意事项　根据近年来在砂卵石层中施工钻进经验，为确　保取心质量，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的目的。采　用技术参数为：转速３００～５００　ｒ／ｍｉｎ，钻压５～７　ｋＮ，　流量３０－４０　Ｌ／ｍｉｎ。　在钻进操作过程中应注意以下几个问题。　（１）控制合理的起下钻速度，操作升降机要平　稳，尽量减小惯性作用，以避免在孔内产生较大的压　力脉冲，导致孔壁的垮塌，回灌浆液时避免冲刷孔　壁。　（２）下钻后，应用大泵量冲孔，然后降低泵量钻　进，当地层结构松散、取心困难时，尽可能降低泵量，　以确保岩心采取质量。　（３）在钻进过程中，如果进尺正常，不得随意改　变钻进参数，也不要随意提动钻具，以防岩心堵塞。　当由于岩心堵塞而无法进尺时，可以上下往复提动　５～１０　ｃｍ后再钻进。　（４）应经常对ＳＤ钻具进行维护保养，检查钻具　的单动性能是否良好，要保证水眼畅通。卡簧座与　钻头内台阶间隙的配合调整一般为３～４　ｍＩｎ，松散　层为２～３　ｍｍ，完整层５　ｍｍ。　（５）黄泥球的投入量和投人次数要适当控制，　特别是锯末的添加要适量，并经筛滤。要根据地层　和孔壁稳定情况适时地进行，一般钻进５～１０　ｍ可　投入挤压，确保孔壁的稳定，使每一级裸孔达到１５　３０　ｍ深度。　跟厚壁管时的超前钻进控制，在砂卵石及松散　层、破碎层的钻进过程中，应采用植物胶金刚石钻进　取心，出管脚的长度应控制在１．０～１．２　ｍ以内。厚　壁套管每次跟进长度视进度而定，一般控制在１．０　１．２　ｍ以内。　（６）孔内爆破：在厚壁套管跟管遇阻时，可采用　孔内爆破方法。爆破前应将孔内的沉渣打捞干净，　并准确丈量管脚前空出的安全距离，一般距管脚的　安全距离不得低于０．５～０．８　ｍ，药包一定要检查　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年第３期　探矿工程（岩土钻掘工程）　１５　好、放到位，并及时引爆。如未爆破，扫孔时应大泵　量、慢转速扫，防止发生意外。　含角砾低液限粘土、块石夹土、卵石土、卵石（夹）　土、流纹斑岩为主与流纹岩、流纹质火山集块岩等的　分布位置。　表１钻探成果｝Ｅ较表　（７）下打厚壁套管时，须用安全扶正器套入吊　锤扶正杆，严禁用手去套住吊锤套正杆，以防伤手。　（８）起拔套管时，应仔细检查塔上吊绳及吊滑　轮、钢丝绳卷扬机等，以确保起拔顺利安全。　７技术指标及经济效益　孑　深　／ｍ　／％　天数　嚣　／ｍ　／　备注　根据此次施工情况，我们对青杠嘴特大桥初勘　的ＺＫ５、ＺＫ７号孔和详勘的ＺＫ９、ＺＫ１２、ＺＫ１４、ＺＫ１７、　ＺＫ１８、ＺＫ１９号孔做了对比试验（表１）。从对比试　验效果看，使用ＳＭ植物胶、ＳＤ系列钻具和金刚石　钻头（ＺＫ９、ＺＫ１２、ＺＫ１４、ＺＫ１７、ＺＫ１８、ＺＫ１９号孔）的　钻探效果比使用清水或普通泥浆（ＺＫ５、ＺＫ７号）明　显提高，而且使用ＳＭ植物胶、ＳＤ系列钻具和金刚　初勘的ＺＫ７孔和详勘的ＺＫ９孔钻至同样深度　（６３．１０　ｍ）的成本做一比较（未计算设备折旧、运　输、管理、税收等费用），具体对比见表２。　石钻头的６个孔的岩心采取率均较好地满足了工程　地质的要求。　查明了覆盖层的详细分层及密实情况，了解了　表２钻孔经济指标｝Ｅ较表　甚至在３０～６０　ｍ以内可裸眼钻进（青杠嘴特大挢　８使用ＳＭ植物胶和ＳＤ系列钻具的优点　ＺＫ１８号孔裸孔井段达５８．４８　ｍ），待钻入完整基岩　（１）明显提高钻进效率。ＳＭ植物胶具有粘弹　性、粘度高、失水量小等特点，有良好的护壁作用。　护壁排粉效果十分理想，且能保持孔内清洁，减少了　后再下套管，且容易起拔，这样就减少了起下套管时　间，降低了工人的劳动强度。　（４）节约成本。ＳＭ植物胶润滑性能好，使孔内　卡埋钻事故。在松散破碎带无需反复捞取沉淀物，　大大减少了钻进辅助时间，显著提高了钻进效率，一　般可提高３０％～５５％。与初勘钻探相比，效率明显　提高。　（２）取心质量好。ＳＭ植物胶具有良好的护壁　作用，在岩样表面形成一层保护膜，辅以ＳＤ系列钻　具，由于该钻具单动性能好，同心度好，稳定性强，使　阻力减小，功率消耗降低，可减轻机械与钻具的磨　损，特别是钻具的磨损，有利于延长金刚石钻头和钻　具寿命。同时，也可节约膨润土粉、处理剂的用量。　９结语　ＳＭ植物胶和ＳＤ系列金刚石钻具结合对深厚　砂卵石覆盖层钻进是一种较好的办法。钻进效率一　岩样保持原状结构，大大提高了岩心采取率。　（３）降低了劳动强度。使用常规方法钻进松散　般可提高３０％～５０％以上，覆盖层岩心采取率可达　９０％以上。　地层，必须下多层护壁套管，起拔套管时，钻机与材　料消耗大，工人劳动强度高，且易发生套管折断或脱　节事故，造成人力、物力和时效的浪费。采用ＳＭ植　物胶和ＳＤ系列钻具钻进，不需要完全跟套管钻进，　在此次勘探中，我们创造了砂卵石层钻进深度　９３．２０　ｍ、裸孔钻进５８．４８　ｍ的单位最好记录。　（下转第１７页）　２００８年第３期　探矿工程（岩土钻掘工程）　ｌ７　段封闭。所用的材料及配比为：水泥：砂子：氯化　钙＝１：１：０．０３＝６１０　ｋｇ：６１０　ｋｇ：２０　ｋｇ，经搅拌　２个钻程，进尺１．５１　ｍ，取上煤层顶板岩样，再下钻　换用长１　ｍ、钻头外径７５　ｍｍ的单动双管采煤器，开　始钻进取煤，钻进技术参数控制为：压力５０００　Ｎ，转　速１５０　ｒ／ｒａｉｎ，泵量１００～１５０　Ｌ／ｍｉｎ。为保证采煤质　量，每次钻程进尺不得超过０．５　ｍ，钻进煤层共用６　个钻程，进尺３　ｍ，其中煤厚２．６８　ｍ，采长２．４５　ｍ，　采取率９１．４％，随后用２个钻程，取上煤层底板。　至此，历时１０日、导斜总进尺ｌ８．７６　ｍ的补打　斜孔采取煤样及煤层顶、底板样顺利地施工完毕，达　到了预期的目的。　５施工体会　中深孔终孔后补打斜孔采取煤样及煤层顶、底　板样，工序繁多且耗时费力，施工时，应根据钻孔情　况，因地制宜的采取有效技术措施，分步骤进行施　工。其中，关键之处在于以下几点：　机强力搅拌均匀后用泵入法灌注，为确保其硬固要　静止２～３日。　４．２下入导斜器并进行第二次固定封闭　下入导斜器时，为保持钻具刚性，钻具下部需接　１个立根钻铤（长度为１３　ｍ），钻铤下端再接一根长　度为１　ｍ的短钻杆，下部拍扁，钻２个直径为６　ｍｍ　的圆孔，以此与导斜器用销钉固定。下入时要慢速、　小心，不得碰到孔壁，以防将固定的销钉切断。当下　入到７７０　ｍ处时，将钻具提起一定高度后墩下，靠钻　具自重将连接固定销钉切断，然后提升钻具。再用　水泥进行固定导斜器的封闭，使用水泥和砂子各　１００　ｋｇ，氯化钙３　ｋｇ，泵注后停２～３日。　４．３扫孔及导斜钻进　导斜器固定牢靠后，先用小一级口径的无心锥　形钻头（０７５　ｍｍ）扫孔，当扫至７６４　ｍ（导斜器以上　１　ｍ）处时换用直径７３　ｍｍ、长０．６　ｍ的短岩心管接　直径７５　ｍｍ的取心钻头钻进。钻头内出刃１　ｍｍ，　底出刃１．５　ｍｍ，无外出刃。为保证钻具的稳定，在　短岩心管上端仍然接一根长１３　ｍ（１个立根）直径　（１）导斜器的结构要利于导斜钻进；　（２）导斜器的下入深度要合适（须下入到煤层　顶板１０　ｍ左右）；　（３）导斜器下入到预定位置后应保证牢固、不　转向；　（４）导斜钻进时应采用小一级口径的钻头，并　严格控制钻程。　只要把握住以上几点，补打斜孔取煤就有了技　６８　ｍｍ的钻铤。开始钻进时，要轻压慢转，压力为　２５００～３５００　Ｎ，转速７５～１００　ｒ／ｍｉｎ，钻进０．５　ｍ后，　提钻换用长１．５　ｍ的岩心管和底出刃２　ｍｍ、外出刃　１　ｍｍ的钻头继续钻进。当钻至孔深７６５．５０　ｍ时取　上半圆状岩心，到孔深７６７．２０　ｍ取出了完整岩心，　证明导斜钻进成功，此后，适当增大压力到４５００～　６０００　Ｎ继续钻进，但每次钻程进尺需控制在１．５　ｍ　以内。　术保证，成功率就会显著提高。　参考文献：　［１］韩广德．中国煤炭工业钻探工程学［Ｍ］．北京：煤炭工业出版　社，２０００．５１４—５ｌ８．　［２］赵运兴．煤田钻探技术手册［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，　１９８９．７４６—７５１．　４．４补采煤样及煤层顶、底板样　当导斜钻进至７７８．２５　ｍ时已进入含煤层段，用　＋“＋“＋一＋－－＋一＋一＋“＋··＋··＋··＋　＋　＋“＋”＋一＋“＋“＋”＋”＋－一十一—·　··＋一＋“＋”＋一＋一＋”＋“＋一＋“＋　（上接第ｌ５页）　不太理想。在本阶段的勘探过程中，由于跟进深度　过深，一般为３５—４０　ｍ（最深时达５８．１７　ｍ），在拔　工程钻探是一门实践性很强的学科，对于我们　在此段勘探中所取的经验不能一成不变地套用，还　管时因拔断而损失长度达５０　ｍ之多，给钻进带来新　的难度，如能找到材质好、成色新的套管使用则效果　会更佳。　参考文献：　［１］　编写组．钻探技术手册［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９７．　［２］　刘铮．地质勘探技术手册［Ｍ］．北京：中国工程技术出版社，　２００６．　须根据不同地层情况加以取舍，并在实践中总结、完　善，才能达到最佳效果。如上部遇松散的砂卵层和　块（漂）石时，采用跟进厚壁管护壁的方法非常有　效，特别是在植物胶护壁较差、孔内漏失严重时，可　采用跟进厚壁管法。由于目前市场上无专门用于地　质勘探的厚壁套管，我们通过市场调查比较，最终选　择了上部用０１７８　ｍｍ　Ｘ　１２　ｍｍ厚壁管，下部用０１２７　ｍｍ　Ｘ９　ｍｍ石油钻杆改制的护壁套管，因为是报废　的石油钻杆，管壁厚薄不均，且材质各异，使用效果　［３］　王坚．植物胶在松散破碎层施工中的应用［Ｍ］．北京：地质出　版社，２００５．