提高隧道深孔复杂地层岩芯采取率
编写：张 昊 指导：高勤云
甘肃铁道综合工程勘察院有限公司
深孔钻探技术QC小组 二〇一〇年四月 兰州
目 录
一、课题背景 .............................................................. 1 二、小组概况 .............................................................. 1 三、选题理由 .............................................................. 2 四、现状调查 .............................................................. 2 五、设定目标 .............................................................. 3 六、原因分析 .............................................................. 3 七、确认主因 .............................................................. 5 八、制定对策 .............................................................. 6 九、对策实施 .............................................................. 6 十、效果检查 .............................................................. 9 十一、巩固措施 ........................................................... 11 十二、体会与今后的打算 ................................................... 12
提高隧道深孔复杂地层岩芯采取率
一、课题背景
新建兰新铁路客运专线，可提升西北地区铁路综合运输能力，并满足新疆、甘肃、青海三省区工农业生产的需要，缩短西北地区与中东部和西南地区的距离。达坂山隧道CDSZ-23深孔位于兰新客运专线祁连山麓南支脉，海拔高度为3382米。钻探现场地点偏僻，高寒缺氧，交通极为不便，
现场离水源地较远。
钻孔穿过地层由新至老依次为第四系、下第三系、奥陶系。施工地层复杂，局部严重破碎,破碎带中夹杂大量“断层泥”“, 断层泥”为粘土夹杂断层角砾。岩石可钻性从3～5级到8～10级。粘土层泥质角砾层厚度为15～50 m,遇水极易膨胀缩径。另有力学不稳定岩层厚度10～50 m，在局部地层，地层绿泥石化严重，岩层软硬极不均匀，稳定性很差,层间的破碎片麻岩又大量以粘土质胶结。从在同一区域进行钻探施工的其他配合单位的情况来看，普遍存在孔壁不稳定，岩芯采不上来的情况。我单位CDSZ-23孔在刚进入断层带5m就发生了掉块、塌孔现象，并引起卡钻一次，造成钻进效率低，岩芯采取率也达不到地质要求。
二、小组概况
2.1小组的组建
在本单位此前的复杂地层钻探中，普遍存在孔壁不稳定引起的钻进事故和取芯率偏低的情况。并且近年来，随着铁路隧道勘探孔的深度不断加大，所遇复杂地层的机会也日渐增多，同时勘探部门的工作量非常饱和，要求勘探队能快速、安全、高质量的通过此类复杂地层。为此，我们成立了QC小组，通过开展技术攻关，来指导本次任务。
三、选题理由
四、现状调查
（一）课题确定后，小组成员查阅大量复杂地层钻探技术、提高取芯率方面的技术资料，并借鉴地矿、煤炭部门在相关地层大口径金刚石取芯钻探的经验。对影响钻进安全和取芯率的因素进行整理、分析。
（二）小组对本单位此前施工的6个复杂地层钻孔进行了分类整理，统计分析了复杂地层的地质特征、钻进难点、复杂地层取芯率和事故种类及原因。
不稳定和取芯困难是产生复杂地层钻探取芯率低的主要问题。
五、设定目标
课题目标
目标一：稳定孔壁，保证钻进安全
目标二：减轻对岩芯的破坏，提高岩芯采取率
目标的可行性分析：
六、原因分析
针对主要问题“孔壁不稳定”和“取芯困难”，小组成员运用头脑风暴法进行原因分析，并做出关联图如下：
七、确认主因
小组成员通过关联图分析，将关联图末端因素逐一论证，结合达坂山隧道CDSZ-23深孔的实际情况，更深一步开展分析工作，予以确认造成孔壁不稳及取芯困难的主要原因。
1、钻头不适应所钻地层 2、钻具使用不合理 3、泥浆使用管理不善
4、泥浆体系与所钻地层不匹配
八、制定对策
通过小组成员的共同分析，分工合作，在11条末端因素中经现场调查、查阅资料、总结分析等共确认了4条主要因素。小组全部成员在武承玺同志支持下，由张昊同志负责召开了小组全员会议，针对4条要因制定了对策、目标及措施。
九、对策实施
实施一、根据复杂地层的情况，选择使用阶梯型底喷钻头
以前常用钻头： 阶梯底喷型钻头： 1、钻探唇面接触面积大，断面为平1、使用阶梯型的钻头唇面，具有良 面，在软硬不均的破碎地层，产生好的导向性能，能减轻横向振动,的振动大 防止振动破坏岩芯柱, 可形成柱状2、钻头为常规矩形水口，导致很大岩芯,并使其平稳地进入岩芯内管 一部分的泥浆直接冲向岩芯，在破2、底喷型钻头有特殊的隔水装置，碎地层及胶结性差的地层造成岩芯冲洗液只能沿底喷水眼进入孔底,被冲蚀 而不直接冲刷岩芯
实施二、根据复杂地层的特殊性，应用单动性能好的双级单动双管钻具，并加强日常的
维护工作
此前本单位常用的金刚石双管取芯钻具为地矿部门专用的双管钻具，由于地矿部门大部分时候使用的是无固相或低固相的冲洗液，对钻具的单动轴承磨损较小，其单动性
能能够得到满足。而铁路工程地质勘探的口径较大，需用粘度相对较高的泥浆护壁，其对单动轴承磨损较大。此次选用具有双级单动机构的QS取芯钻具，保证单动性能，避免了内管旋转对岩芯的扰动。并且泥浆循环时，是通过钻具的外管与内管之间的部分流动，加上QS钻具具有逆止阀，可有效的减轻泥浆对岩芯的冲刷。
双管取芯钻具的日常维护和合理使用也是提高取芯率的有效保证，其正常的维护和使用过程图如下
对于在复杂地层使用的金刚石钻进，要求泥浆的固相含量一般低于8%。过高的固相含量可能导致泵压过高、岩芯被冲蚀、形成的泥皮过厚而粘附卡钻，钻头过早磨损等。改进后，现场配备的泥浆净化系统示意图如下：
5
6
1-井眼 2-振动筛 3-
5-循环沉淀槽 6-沉淀池 7泥浆池
在“ 管好泥浆” 上建立三级岗位责任制。即专职技术员岗、机长岗、班泥浆管理岗。职责分明, 明确规定技术员掌握全孔泥浆性能, 调试确定配方、指标,经常深入现场检查泥浆质量。机长要了解和掌握地层变化情况, 参与调试检查泥浆质量, 协调班泥浆岗的工作关系。班泥浆员更换泥浆、清除岩粉, 及时反映使用情况, 保管好现场处理剂及工具。
实施四、根据地层特性，配制适应复杂地层的泥浆体系
在复杂地层钻进，泥浆对于孔壁稳定和顺利钻取岩芯有着尤为重要的作用。复杂地层岩石由于通常较为破碎，裂隙发育，胶结性差，钻进时容易发生坍塌、漏失、缩径等事故。经统计分析本单位此前施工的复杂地层钻孔情况来看，引起钻探事故的原因多为泥浆性能不能达到正常钻进的要求。为配制适应复杂地层的泥浆，我们以钻遇的地层实际情况为出发点，分析了常用的普通细分散泥浆的缺点及造成的危害，然后具体针对地层的特征选配了低固相不分散絮凝型泥浆。两种泥浆的优缺点对比见下图。
而韧。在用岩样浸泡方法观察泥浆是否适合该复杂地层钻进要求时，CDSZ-23孔内的岩屑制成的岩样在普通细分散泥浆中1小时即垮塌，而岩样在低固相不分散絮凝型泥浆中
能保持5天不垮。这说明新配制的泥浆是能够满足复杂地层的钻进要求的。在实钻中新型泥浆也表现出极好的抑制粘土层水化分散和护壁能力。
十、效果检查
检查一、钻进情况检查
运用新型泥浆低固相不分散泥浆和QS钻具及与之配套的阶梯型钻头后，孔内事故明显减少。新型泥浆的护壁、携带岩屑、润滑钻具和减少孔内阻力的能力得到充分的体现，保证了钻进的安全。活动后CDSZ-23孔比之此前的钻孔来看，孔内阻力小泵压低、钻效高、事故少，保证了钻进安全，为钻取高质量的岩芯创造了条件。
具体数据分析见以下图表。
1-CDSZ-23
检查二、取芯率检查
综合使用与复杂地层相适应的钻具和新型泥浆，以及完善钻具及泥浆的管理措施以来，CDSZ-23孔在取芯率上得到了很大的提高。特别是在100m~188m、204m~288m的断层泥孔段取出的岩芯较为完整、取芯率高，达到90%，较之在同一工区的其他配合单位取芯困难、取芯率达不到地质要求的情况，我单位机台受到地质人员的高度评价。
★ 完成课题预定目标：通过严格执行制定的对策措施、不断改进优化，最终达到预定目
标
即：在首先确保钻进安全的前提下，提高了复杂地层钻孔的取芯率
活动效益：
1、经济效益
（1）本次活动解决了深孔钻探中的几个关键问题，为单位节约了成本。该孔交通状况极差，水源较远，钻进中所使用的新型泥浆具有随钻堵漏的特性，减轻了钻孔的漏失，此项节约水费计60车，共6000元。在复杂地层中使用的两级单动钻具和阶梯型钻头适应性强，寿命高，相对于本单位此前同类型孔节约钻具管材费用共计25000元。
（2）在钻遇的复杂地层中，由于采用了优质泥浆和新型钻具改善了孔内情况、减少事故的发生，相比本单位此前同类型孔节省工期20天。
2、成员能力提高
通过活动的开展，小组成员各个方面的能力均有不同程度的提高，其自我评价及雷达图如下所示：
十一、巩固措施
通过本次QC小组活动、方案实施，我们总结了一套铁路工程地质复杂地层钻探质量控制的经验，通过整理，已编制成论文《铁路隧道复杂地层钻探综合治理》，并投稿至《铁道勘察》杂志。在充分总结QC活动中取得成功经验的同时，我们将对复杂地层综合治理的过程进行了整理，将该治理过程纳入本单位施工范本集以供以后钻孔施工参考。本次QC活动治理流程图如下。
十二、体会与今后的打算
体会：
在该项目实施过程中，由于我们QC小组能按PDCA循环开展活动，及时发现分析了影响质量的各方面因素，不断总结经验，为有效地控制施工质量做了许多有益的工作。通过此次活动，强化了质量管理意识，使小组每个成员个人技能得到进一步的提高，增强了QC小组的团队精神，更加激发了小组成员开展此活动的热情。
下一步打算：
当前正值铁路建设的高峰期，铁路勘察单位任务重、工期紧，而钻探工作的效率在很大方面影响着勘察设计的进程，所以迫切要求提高铁路钻探效率，特别是隧道深孔钻探。随着钻探技术的不断进步，涉及的内容越来越多、面也很广，我们将以此次QC活动为契机，继续运用“PDCA”的原理改进本单位的施工技术。接下来，我们小组将以“提高深孔钻进效率”为课题，运用QC方法，攻克难关、改进工艺、提高质量。