繩索取心鉆進在水利水電的作用

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解決方案

想要利用和發揮繩索取心技術的優勢，就必須將壓水試驗和繩索取心鉆進兩個工序進行整合。我院對此做了大量的研究，提出了不提大鉆壓水試驗方案［4］?；舅悸肥?充分利用繩索取心鉆桿內徑大的特點，將栓塞通過鉆桿內徑下入到試驗段，采用氣或水使栓塞膨脹從而封閉試驗段。操作方法是:鉆完一個試驗段(一般為5m)，取出巖心，然后將鉆桿提離孔底6m，將栓塞通過纜繩下入到試驗段上部，然后使栓塞膨脹，封閉鉆桿和孔壁，利用鉆桿作為過水通道進行壓水試驗。該方法的主要問題:一是沒有現成的栓塞可用，必須重新設計加工;二是提放、膨脹栓塞的纜線較多，操作方法上需要重點研究。栓塞是進行壓水試驗的關鍵設備，為此，研究設計加工了專用壓水試驗栓塞及附件。在研究專用栓塞之初，考慮的是利用水對栓塞進行膨脹，即液壓栓塞［5］(見圖1)，其優點是膨脹介質容易獲得，栓塞密封性能要求不是很高，膨脹過程中基本沒有壓縮，試段封閉比較穩定可靠。但是在試制中發現:在地下水位較深的鉆孔進行壓水試驗時，由于膨脹管路的水柱較高，而又沒有地下水位的抵消，栓塞很難卸壓恢復原狀，根據統計，當地下水位達到60m，栓塞很難恢復原狀了。當地下水位達到100m左右時，水壓式栓塞基本不能使用。因此放棄了液體而改用氣體作為栓塞的膨脹介質，即氣壓栓塞［6，7］，見圖1。氣壓栓塞與液壓栓塞其結構是相同的，它們的主要區別在于:一是膨脹膠囊的介質不同，液壓栓塞是用液體作為膠囊的膨脹介質，而氣壓栓塞則是用氣體作為膠囊的膨脹介質;二是充填介質的設備不同，液壓栓塞是用泵將液體壓入膠囊進行膨脹，氣壓栓塞的充氣設備則是氣瓶。氣壓栓塞的特點是充氣過程簡單，只需要打開氣瓶閥門，控制好壓力即可。卸壓過程基本不受地下水位的影響，栓塞可以快速復原。而且氣壓栓塞的適應范圍比水壓栓塞要寬，栓塞卸壓時間遠少于水壓栓塞。圖1液(氣)壓栓塞研制成功的專用壓水試驗栓塞結構為:栓塞膠囊分為兩段，上膠囊位于鉆頭內臺階上部，膨脹后封閉鉆桿，下膠囊穿過鉆頭進入鉆孔壓水試段的封堵部位，膨脹后封閉壓水試段。該栓塞的結構和材質安全、耐用，密封性好，膨脹與復原性好，不變形。試驗操作接近常規的試驗方法，地質和操作人員均容易接受。研究了壓水測試儀壓力傳輸電纜和高強度充氣管組合的提升方法。這種方法可以將鉆孔壓水綜合測試儀壓力傳輸電纜，作為主要承重繩，高強度充氣管作為輔助承重繩，很好地解決了試驗時纜線纏繞問題。經實踐檢驗，繩索取心鉆進技術結合專用栓塞和鉆孔壓水試驗綜合測試儀，進行水利水電工程鉆探、壓水試驗，取得了十分理想的效果。針對目前繩索取心鉆具不適應水利水電勘探需要的問題，可考慮從以下2個方面解決:(1)在現有鉆具的基礎上，研制一種適合水利水電勘探需求的鉆具，這可以從根本上解決鉆具規格不能滿足水利水電工程需求的問題;(2)在選用現有鉆具的基礎上，對鉆進規程進行深入研究，通過對鉆孔結構、鉆進方式、鉆壓、泵量等的選擇、調整，尋找最優鉆進參數［8］。第一種方案涉及到管材規格的改變，投入成本非常高，沒有太大的現實意義。從應用角度一般應選擇第二種方案，通過對鉆進參數的優化，在可接受范圍內，提高機械鉆速，當然其機械鉆速和常規鉆探方法相比仍然會偏低。對繩索取心鉆進中沖洗液的問題，可從3個方面進行考慮:一是可以通過增大鉆頭外徑的方法予以解決，將96mm的外出刃增加到98mm;二是研究配制一種既滿足水利水電勘探水文地質試驗要求，又具有良好的潤滑作用的沖洗液，可以解決該問題，但缺點是從沖洗液材料的選擇、配方以及地層的千變萬化等需要做大量的試驗，需花費大量的時間、人力和物力，實施起來難度大;第三種方案是從操作入手，如注意觀察鉆進時的回水、聲音、鉆機震動等情況，對不同情況和問題分別采取措施。如處理沉淀采用特制的沉淀打撈器，鉆至強漏失地層時，將小流量的鉆進回水從鉆桿邊緣注入孔內，這種綜合的處理方法，通常能獲得較好的效果。

應用實例

某水利樞紐工程壩段區位于華北地層區，陜甘寧蒙盆地地層分區。出露基巖為中生界三疊系二馬營組上段和銅川組下段，為一套陸相碎屑巖系，分布于整個壩址區的河谷及岸坡上，出露厚度約180～220m，最大揭露厚400m左右，巖相變化較大。壩址區基巖巖性可概括為鈣質(長石)砂巖類、泥質、鈣泥質粉砂巖及少量(砂質)粘土巖3大類。壩區內軟弱夾層(泥化夾層)普遍存在，現已發現13層，其厚度及性狀不穩定，連續性較差，厚度一般為0.5～2.0cm，夾泥成分一般為粘土巖，少數為礫巖，但其礦物成分仍為粘土礦物，結構類型分泥夾碎屑型、碎屑夾泥型、全泥型3種，是主要工程地質問題之一。由于軟弱夾層的存在對工程建設的造價和工程的安全性有重大影響，為查明其分布特征，地質人員對鉆孔的要求為:終孔孔徑≮75mm;清水鉆進;按規定進行壓水試驗;要求強～弱風化巖石巖心采取率≮95%，微～新巖石巖心采取率≮8%;為了保證不漏失泥化夾層，鉆進回次應控制在0.5～1m。對上述要求，如果采用傳統的取心鉆進方法必須頻繁的提鉆，再加上每5m做一次壓水試驗也要提鉆，其勞動強度之大、鉆進效率之低、鉆探成本之高是不言而喻的。為滿足地質要求，降低勞動強度和成本，從2010年6月～2011年7月，在該工程區內，應用繩索取心鉆進技術結合不提大鉆壓水試驗方法和先進的壓水試驗綜合測試儀、應用特制的沉淀打撈器和自行摸索的操作方法，共完成了800多米鉆孔及相應的壓水試驗。在同工區相同地質條件鉆孔中，對4個繩索取心鉆孔(S96的鉆具，金剛石鉆頭)和5個普通鉆孔(75mm雙管鉆具，金剛石鉆頭)的鉆進效率進行了統計對比，其結果見表1.由表1可知，繩索取心鉆進的平均效率為11.27m/d，普通鉆進的鉆進效率為9.83m/d，繩索取心的鉆進效率比普通鉆進高約14.6%。隨著孔深的增加其效率增加更明顯。繩索取心可以隨時提取巖心，能夠嚴格按照0.5m回次提鉆，并且一旦鉆進出現異常，可迅速撈取巖心，減少巖心的對磨，提高巖心的采取率。通過現場統計分析，繩索取心的巖心采取率比普通雙管鉆進要高1%～2%，泥化夾層采取率相比更高。圖2為繩索取心鉆進取出的巖心。圖2繩索取心鉆進取出的巖心在采取繩索取心鉆進加不提大鉆壓水試驗方法后，很好地解決了壓水試驗問題，避免了頻繁地起下鉆，極大地減輕了勞動強度。實踐表明，繩索取心鉆進取心質量好，成本較低，鉆進效率高，勞動強度低;壓水試驗栓塞密封性能好，不提大鉆壓水試驗技術完全能夠滿足試驗要求，操作方便;針對沖洗液問題采取的措施能夠發揮良好的效果。

結論及建議

水利水電勘探有自己獨有的特點，國土資源、冶金、煤炭等鉆探行業的技術、設備相對先進很多，但由于工作環境不同，勘探要達到的目的不同，并不能直接移植到水利水電勘探中來，需要認真思索解決。繩索取心鉆進技術在水利水電勘探中的研究，經實踐檢驗取得了良好的鉆進效果。特別是自行研制設計完成的不提大鉆壓水試驗方法，將壓水試驗和繩索取心鉆進技術很好地結合起來，很好地解決了繩索取心鉆進難以適應水利水電勘探的主要技術難題，為繩索取心鉆進技術在水利水電勘探中的推廣應用掃除了障礙。

本文作者：周曉易學文李守圣郭明工作單位：黃河勘測規劃設計有限公司地質勘探院