松散地层钻进孔壁稳定性分析

(整期优先)网络出版时间:2010-05-15
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松散地层钻进孔壁稳定性分析

杨月堂

杨月堂湖北省地质勘察基础工程公司湖北武汉430200

摘要:在松散地层进行地质勘探取芯钻探时,易产生坍塌事故而导致取芯失败。本文并通过受力分析来进一步探讨影响孔壁稳定性的原因,最后提出了钻进中提高松散地层孔壁稳定性的一些措施。这些研究对松散的钻探工作具有一定的指导意义。

关键词:松散地层,取芯钻探,孔壁稳定性,受力分析

0引言

钻探取芯可以采取不扰动试样及扰动试样,进行直观的鉴别,因此一直是最重要的勘察手段,但由于地层具有隐蔽性的特征,地层的详细信息在施工前难以察觉。松散地层主要包括松散岩层与砂类,如图1为裸露在地表的松散地层,因为构造影响剧烈的断层破碎带,强风化带,松散带,主要结构形状为碎屑状、颗粒状,断层破碎带交叉,构造及风化裂隙密集,结构面及组合错综复杂,并多充填粘性土,形成许多大小不一的分离岩块。完整性遭到极大破坏,稳定性极差,岩体属性接近松散体介质,可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳,地下水加剧岩体失稳。

情况下稳定性极差,在这类地层钻探取芯时,易发生塌孔埋钻事故,导致取芯失败,钻具无法取出,造成严重的经济损失,延误时间。众多的现场施工证明,如何在松散地层中钻进时保证孔壁稳定性及较高的取芯率是一个难题。

有较多的学者专家对了孔洞中岩土体的稳定性进行了研究,得出了有意义的结论。屠厚泽[1]在岩石破碎学中指出,若围岩是散体,则可用平衡拱公式或挡土墙理论公式来计算地压;胡晓敏、李之达、王进、李小青等人[2],[3],[4]等对采用回转转进的钻孔灌注桩成孔的孔壁稳定性进行了分析。这些研究对进一步研究松散地层的稳定性很有帮助。

1松散地层孔壁受力分析

水对松散地层性质影响很大,因此分析孔壁稳定性是考虑了两种情况,即被钻井液浸泡以后的孔壁与受少量水侵扰的孔壁。

1.1受水浸泡后的孔壁稳定性分析

松散层类型的孔壁主要矿物成分为粘结力差的石英、长石、云母和高岭石为主的黏土矿物,具亲水性,呈弱透水性或微透水性,在孔壁被钻井液浸泡后,大部分粘结物质如Na+、K+能大量溶解,此时松散层呈散体状。

呈散体状的孔壁受力考虑主动土压力Pa、孔内水压力u、孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力J1、孔外水向孔内的的渗透力J2及钻井液的抽吸力PC。考虑到松散花岗岩层呈弱透水性或微透水性,以及文中假设的岩层在地下水位线以上,故取J1=J2=0。要使孔壁稳定,在径向必须满足:

(1)

参照计算模型1,根据土力学公式[5]可得:

(2)

(3)

式中:—孔内钻井液高(m);

—钻井液重度(kN/m3);

—上覆岩土层平均重度(kN/m3);

—松散岩层平均有效重度(kN/m3);

—松散岩层摩擦角(0)。

将(2)、(3)代入(1),得孔壁稳定性的条件为:

(4)

由(4)知孔壁被水浸泡后,主要由钻井液对孔壁产生压力以提供支撑力来维持孔壁的稳定性。想要维持稳定性,不同厚度的覆土层和全风层对钻井液的密度要求都不一样,钻井液密度越大则孔壁越稳定,但钻井液密度太大不利于钻进。被水浸泡后松散颗粒之间粘聚力为0,在钻井液的轻微的抽吸作用下,颗粒将不断脱离孔壁,随钻井液返回地面,使钻孔孔径不断扩大,孔内发生坍塌事故,这导致钻钻取芯失败。

1.2受少量水侵扰的孔壁稳定性分析

对于埋深较大的水平孔,可以认为应力重新分布的弹性变形区,发生在6倍钻孔半径以内的区域。此时,σ3=λH和σ1=λγH可以看做岩体中的初始应力。运用弹性理论,可按圆孔应力集中的公式来计算围岩内任一点(微分体)的径向应力σr,切向应力σθ以及剪应力τrθ:

用极限平衡状态理论判断孔壁稳定性:

(8)

讨论r0=r的情况,代入上式,可知该点的三个正应力为:,,。

根据现场试验数据,松散地层参数取平均值c=25.7kN/m3,φ=270,=19.2kN/m3。为了便于比较,取h1=0,即覆盖地层厚度为0,钻进地层全部为松散层的情况。经计算整理,求得:

经判断,,取代入(8)计算,得。

比较,得:

(9)

根据(9)式判断孔壁的稳定,式中“31.4”根据岩层的粘聚力计算得来,“”为钻井液提供的支撑力,“”是随地层厚度变化的竖直向的原岩应力。当≥时,孔壁保持稳定,此时要求钻井液达到一定的深度,钻井液密度也达到一定的深度,但由于钻井液的密度始终小于松散岩层,因此岩层的厚度达到一定数值后,使用钻井液无法保持孔壁稳定,需要下套管;<时,孔壁失稳,这种情况下孔内钻井液高度不够,或者是孔内松散岩层太厚。

2提高松散花岗岩孔壁稳定性的一些措施

根据以上的受力计算结果,本文从钻井液,钻具和现场施工操作等几方面对提高孔壁稳定性提出了一些措施。

2.1钻井液

钻井液是钻井工程中的血液,地质条件不一样,对钻井液的要求也不一样,对于松散花岗岩层,主要考虑以下几点。

2.1.1钻井液的抑制与防滤失作用

要减少钻井液中的水溶解松散岩层中的Na+,K+等离子,可以提高钻井液的碱性,使用钠基或钾基膨润土;要降低水分对孔壁的渗透,可以加入水解聚丙烯腈铵盐NH4HPAN控制滤失量。

2.1.2平衡压力与粘结护壁

对于受水扰动少的孔壁,钻井液的支撑力非常重要。适当的提高钻井液的密度,一方面支撑力增加,另一方面有利于钻井液中的泥浆在井壁表面形成泥皮护壁,减少水分对孔壁的渗透。

2.2钻具

钻具在工作过程中,会对孔壁造成较大的扰动。钻具的高速旋转会带动钻井液运动,产生的力会井壁产生不良影响,这就要求钻杆表面光洁度高,垂直度好。

2.3施工操作

在施工操作上,要及时的掌握地层的变化情况,发现松散地层这类特殊岩土后,要更换钻井液,控制钻井液流速与流量。若松散厚度大到其自稳能力及钻井液的支撑力不足以维持孔壁稳定性时,必须下套管以对孔壁提供支撑力。在起下钻的过程中要注意扫孔,对一个孔最好是一次性钻完,应减少施工间隔时间,防止时间长了塌孔严重。

3结论

(1)松散地层类孔壁被水浸泡后,极不稳定,采取高密度钻井液,也只能在一定范围内维持稳定。

(2)松散地层类孔壁未被浸泡时,性质良好,厚度不大时,直接使用具有一定特性的钻井液就能保持孔壁稳定性,厚度过大时必须下套管。

(3)在施工上,要使用具备抑制性和抗滤失的钻井液,使用光洁度高的钻具,同时要根据岩层情况及时采取措施,要尽快成孔。

(4)文中的计算忽略了地面荷载,钻井液的扰动等因素,因此本研究具有一定的局限性。

参考文献:

[1]屠厚泽,岩石破碎学,地质出版社,1990.11.

[2]胡晓敏,李之达,厚冲积覆盖层地区桥梁钻孔灌注桩成孔的力学分析,武汉理工大学学报,2007.8.

[3]王进,钻孔灌注桩护壁技术浅析,中国矿业,2006.12.

[4]李小青,郝行舟,朱宏平,赵文光,大口径钻孔灌注桩的孔壁稳定研究分析,华中科技大学学报,2007.6.

[5]陈仲颐,周景星,王洪瑾,土力学,清华大学出版社,2003.4.

作者简介:杨月堂(1971-),男,工程师,水文地质与工程地质专业,长期从事地质灾害防治,岩土工程勘察,设计,施工等工作。