深厚覆盖层勘探技术探讨（曾鹏九,缪绪樟）

［关键词］深厚覆盖层 取样 护壁 SM 胶金刚石钻进 潜孔锤取心跟管钻进

1 前言

20 世纪以来，国内外已成功的将水坝修建在覆盖层上，不挖或少挖覆盖层，具投资省，工期短的优势。因此，对覆盖层的勘探质量也相应有所提高。水利水电枢纽的坝（闸）在可行性研究阶段的工程地质勘察，要求初步查明第四纪沉积物的厚度、成因类型、组成物质及分布情况。如果是土基坝址的话，勘察工作要初步查明各类土层的性质、成因、厚度、分布、层理特征、颗粒组成及主要物理力学性质，重点是工程地质性质不良的特殊土层、夹层或透镜体的分布和特点。要查明透水层及相对隔水层的埋藏条件、渗透及渗透稳定性、含水层类型、各透水层间的水力联系，地下水与地表水径流的水力联系、补排关系等等。

设计人员关心的是覆盖层深度、分层、结构、架空情况、各分层的岩土级配、密度、物理力学特性及渗透特性、可能液化砂层的分布及埋深，有无连续分布且较厚的渗透系数较小的岩土层等。这些将影响到坝型及坝基渗流控制方案，地基加固处理措施的选择。

多年来，不少单位在进行深厚覆盖层勘探技术的探索、研究。但要求分层准确、能得到颗粉级配、含水层的水文地质特性等。就使深厚覆盖层的勘探增加了很大的难度。

2 深厚覆盖层的勘探难度分析

2.1 取样质量的难度

覆盖层是一种松散岩体，颗粒间无相联关系，并存在相当的空隙率，甚至架空层。受外力作用容易发生搬运，又多为含水层，在合金、钢砂等普通钻探工艺过程中，小颗粒容易流失，大颗粒容易颠倒。岩样分选，样品严重失真，采取率很低，地质难以进行清晰的监定。

2.2 钻探深度与护壁的难度

砂卵石层的松散性，软硬不均性，使其颗粒随同钻具的回转而滚动。因此，钻进起来振动强烈，时效低下。繁重的起下套管，孔内故障和机械故障等，均使钻探效率更是雪上加霜。

在松散的覆盖层岩石中钻出一个裸孔后，破坏了原岩体的静态平衡。所以，一旦钻杆钻具提出钻孔，孔壁即会坍塌，不采取措施的话，只是重复着打捞、坍塌、再打捞、再坍塌的做虚功。要完成一个深厚覆盖层钻孔不得不下多层套管，完成一个百米以上的覆盖层深孔往往要几个月，甚至半年的时间，最终还有可能满足不了地质要求，拔不出套管而不了了之。

护壁的方法很多，最常见的为泥浆护壁，简单快捷，为地矿、冶金、石油、煤炭、化工、核工业、建筑及广泛的地基处理施工等所采用。但在水利水电工程地质勘探中，有关部门提出了不同意见，理由是会影响岩土的颗粒级配、影响水文地质测试与试验。但影响就竟有多大？未做过对比试验。拿颗粒级配成果来说，如果采用无固相（或者低固相）泥浆钻进，泥浆中的微粒是影响不到颗粒级配的，相比只会减少原地层细颗粒的流失。再则，颗粒级配的了解深度是否有一个合理范围。深厚覆盖层勘探如果能用泥浆护壁，或者是SM 植物胶护壁，那将节省很多起下套管的时间，即可提高钻探质量，又可提高钻探效率。探讨这个问题是有价值的。

2.3 水文地质试验的难度

在覆盖层中做得最多是抽水试验，由于勘探孔孔径小，过滤管径也不大，一般为Φ127mm×4.5mm 与Φ108mm×4.5mm。而多数情况下覆盖层的渗透系数较大，小直径的滤管只能选用小直径的多级深井泵进行抽水。多数情况下难以做出三个降升，只能得到降升很小的全孔抽水资料。如果地下水位很浅，可事先入大口径孔口管，待套管全部起出，做好孔口管与过滤管的止水后，可用大直径离心泵进行全孔抽水试验(图1)，离心泵水量大，能增加一些降升，但也很难得到三个降升。建议有关部门设计专门的抽水孔，尽量避免在小径勘探孔中进行抽水试验。

3 深厚覆盖层的常规勘探手段

3.1 合金钻进

合金直接镶焊在钻头上，钻进砂卵石层时，磨料总能接触到岩石，但是合金的抗冲击强度低，寿命很短，取上来的只是些大颗粒，5 mm 以下的颗粒根本无法取到，同时大颗粒也分选严重。

技术的发展提供了一些新型的专用覆盖层钻头，如金刚石硬质合金复合齿钻头，由金刚石和硬质合金支撑体组成（如图2），由于复合柱齿的超硬部分具有高硬度和高耐磨性，球冠形齿顶结构使复合齿能耐受较强的冲击。硬质合金支撑体有利于在钻头体上镶焊，这种形式的钻头钻进砂卵石层比较有效，钻进效率可提高15 倍以上。

中国地大研制的复合片卵砾钻头（图3），使钻头寿命有所提高。但用清水钻的话，取样质量仍不能满足要求。

3.2 钢砂钻进

砂卵石层软硬不均，孔隙率大，有架空层，易引起钢砂的流失。流失之余的少量钢砂，才能在钢砂钻头唇面来克取岩石，但随着回转的搅动，钢砂就可能荡然无存，时效下降，伴随而来的是强烈的振动，对钻机造成很大的破坏性。

钢砂钻进的取心方法只是在回次终了时，进行一段短时间的无泵钻进，或者是投卡料，以取出岩样，结果只能取上部份大颗粒岩样，对工程地质性质不良的特殊土层、夹层或透镜体，根本无法采集到，除查清覆盖层的厚度外，其它任何地质信息都难以取得。

3.3 管钻钻进

管钻钻进即抽筒钻进，但管钻与抽筒又有区别。管钻结构严谨，要求有最大的通孔直径，相应的活门有最大的开启角度，又能在提升时灵活的关闭，并具有较高的强度，能长时间的对原生砂卵石层进行冲击钻进。抽筒则是一种打捞岩屑的工具，对它的制作要求远比管钻要低。

管钻用冲击的方法钻进砂卵石层，不用冲洗液，小颗粒不会被冲跑，是比较合理的，冲击时可在管钻上部连接加重钻杆，以提高冲击力。直径过大进不到活门内的卵石，可换成冲击钻头连接加重钻杆将其击碎，再继续用管钻钻进。这种钻进方法可采用钢丝绳冲击钻进，以减少起下钻的辅助时间（图4）。

管钻钻进的取样质量比合金钻进、钢砂钻进好，只要措施合理，如：不采用过高的冲击行程（一般采用20~25cm 左右）， 回次进尺不超过0.3 m，颗粒分选就不会那么严重。可以区分出不同的层次、层位；
活门处安装少量纤维物质，如线麻之类，就能取出大部小颗粒。但工艺不是钻进深厚覆盖层的理想方法。建筑材料勘探是可取的。

3.4 跟管钻进

小浪底在深厚覆盖层勘探中使用过跟管钻，采用Φ73mm×10mm 的厚壁钻杆，用卡簧合金钻头，不回转，用吊锤将其击入地层，也没有冲洗液，这样取出的岩样真实程度较高，采取率也较高，质量能得到地质认可。击打法薄壁套管强度不够，只能采用8~10mm 以上的厚壁套管，套管自身的质量很大，吊锤的质量也很大。小浪底深厚覆盖层钻进用到300kg 的吊锤，打到过孔深80m。一层套管下入深度不得超过25m，只能多层套管才能终孔。然而起拔套管又是一个很大的难题。抛弃不可避免。

4 目前深厚覆盖层的勘探新技术

4.1 SM植物胶金刚石钻进工艺

成勘院在上个世纪末研究成功SM 植物胶钻进工艺，采用双层单动金刚石钻具，内管里层镀铬，效果非常好。小浪底也曾多次采用，成本虽高些，但质量要比上述钻进方法好很多，而且效率也提高60%~100%以上。

SM 植物胶冲洗液能在所有被浸泡的物体表面形成一种有一定强度的薄膜，可将松散的砂卵石包裹起来，使之不散开，能保护地层的原始状态，准确的分辨出不同岩性的层次、层位，就是细砂层也保持柱状的取出（如图5），甚至细小的夹层，以至夹空层都可以分辨出来，使覆盖层勘探质量上了一个台阶，是勘探深厚覆盖层的最好方法。取样质量最优的方法。

SM 植物胶冲洗液在孔壁上也形成一层胶膜，可保护孔壁而不坍塌，但阻止了地下水的流动，无法得到准确的水文地质资料，不过这种薄膜的强度并不是很高，有0.5Mp 的水流完全可将其击破。国内外所有的水井施工，均采用泥浆护壁，不管是泥浆还是SM 植物胶，下滤管后，通过洗井，是可以收集到水文地质资料。

如果说有影响的话，这种影响对设计有多大？应该舍取哪一种？用SM 植物胶与套管配合使用是完全可以达到勘探深厚覆盖层的目的。但地层含有承压水时，工艺还需进行部分改进。

4.2 潜孔锤取心跟管钻进工艺

成都院与探矿工艺研究所不久前研制成功一种“潜孔锤取心跟管钻”工艺，用Φ73mm×9mm 的钻杆带动潜孔锤，传递扭矩，潜孔锤下有双层双动岩心管与中心取样钻头。中心取样钻头通过一套机构带动套管钻头同步回转（套管本身不回转），并将潜孔锤的冲击功与钻压传到套管靴上，带动套管同步跟进（如图6）。为保证岩心采取率采用了一种KL 植物胶，代替了SM 植物胶，整个工艺设计很先进，效率高，质量好，最大孔深打到106.78m，4个孔的试验取心率达到95.12%，满足了地质要求，是覆盖层勘探的突破。但此工艺钻头内孔仅Φ76mm，取出的样品做颗粉试验根本不够。

5 新旧技术的分析对比

深厚覆盖层勘探的老工艺应该淘汰，老工艺只能得到一个覆盖层的深度，浪费资源、浪费时间。

新技术SM 植物胶金刚石钻进虽然没在小浪底打深厚覆盖层深孔（由于时期的错位），但打过一些浅孔，质量都非常好。最近，四川乐山金砂江上的沙湾水电站四川水利水电勘测设计院研究院用SM 植物胶金刚石钻进工艺打出了深为74.56m 的覆盖层钻孔（总计孔深77m），同样取出了近似原状的砂卵石岩心，地质完全认可。

“潜孔锤取心跟管钻进”工艺比较先进，能完成深厚覆盖层的钻孔。但除常规金刚石所需设备外，还需以下设备，如：大型空压机、风压≥1.2Mp、风量≥14m3(如阿特拉斯KRHS396Md、英格索兰S150-2S/18-AC 等)；
大功率冲击器、DHD-350R （宣化英格索兰）；
厚壁钻杆、Φ73mm×9mm 或Φ60mm×6mm 钻杆等。SM 植物胶双管金刚石钻进不用空压机、冲击器与厚壁钻杆，投入要省60%，节约能源70%。空压机需能184kW，而XY—2 钻机仅需20kW。SM 植物胶金刚石钻进的施工成本要低很多。

在效率与质量上可以进行以下对比。①SM 植物胶金刚石钻进采用双层单动岩心管，岩心在相对静止的内管里，得到了条件优越的保护，容易得到自然状态的岩样；
②冲洗液冲不到岩样，颗粒不会分选；
③同样的孔径，SM 植物胶金刚石钻进的岩样直径要大很多，岩样的保护条件好于“潜孔锤取心跟管钻”；
④“潜孔锤取心跟管钻”由于潜孔锤安装在岩心管的上部，强烈的振动使KL 植物胶在岩心上形不成薄膜，岩样的天然状态受到一定程度的破坏（可对比两种不同工艺所取出的岩心照片）；
⑤“潜孔锤取心跟管钻”套管是跟钻头同步跟进的，套管不回转，而且是大质量的厚壁套管，耗能很大。SM 植物胶小口径金刚石钻进不跟进套管，钻进一定深度后，再下入薄壁套管。所以说， SM 植物胶金刚石钻探在深厚覆盖层中使用，具有优越性。

6 开发砂卵石勘探技术的几点意见

6.1 开发新的冲洗液种类

植物胶类冲洗液适用于覆盖层，但遇承压水或地下水丰富、流速快的含水层时，优势减弱。可研究一些比重大、不易被稀释，流动性好，薄膜有一定强度的新型钻井液。

6.2 完善现有覆盖层金刚石钻具系列

增加金刚石口径系列，如Φ110mm 金刚石双管钻具、内管镀铬金刚石钻具、三层半合管金刚石钻具、双层半合管金刚石钻具等。对不同岩性的深厚覆盖层，有更多的金刚石系列的钻具供选择。

6.3 加强对深厚覆盖层钻孔结构的研究

深厚覆盖层勘探如何优质、高效的施工，要进行合理的钻孔结构设计，科学的钻进工艺，改变水利水电钻探没有钻孔结构设计的随意施工状况。

6.4 研究双介质覆盖层钻进

以贯通式潜孔锤勘探深厚覆盖层，用空气潜孔锤实现高效，以贯通式的中心孔取芯，用泥浆实现护壁。两种钻进介质同时使用，是一种理想中的优质高效钻进深厚覆盖层的方法。值得探索与研究的。

SM 植物胶金刚石钻探口径不可能太大，否则钻进困难，设计与地质需要的话，可采用大口径金刚石钻探（600mm 以上）、试坑、浅井、沉井等方法，来弥补深厚覆盖层的勘探不足。

7 结语

深厚覆盖层钻进难度是很大的，无论是SM 植物胶金刚石钻探还是潜孔锤取心跟管钻探，虽能进行深厚覆盖层的勘探，对深厚覆盖层勘探有一个质的提高，但随着在深厚覆盖上建坝的工程越来越多，对深厚覆盖层的勘探质量要求也会随着提高，加强这方面的研究是完全有必要的。