許啟云，周光輝，王振紅

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州310030;2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310014)

1 問題的提出

2008年開始，我們陸續(xù)開始承接海洋風(fēng)電勘察項(xiàng)目，在當(dāng)年4月初先在浙江杭州灣(慈溪海域)布置取土鉆孔5個，標(biāo)貫及動探孔4個;孔深預(yù)估8個鉆孔為80 m、1個鉆孔為100 m;要求進(jìn)入穩(wěn)定的持力層不應(yīng)小于20 m。結(jié)果由于缺乏海上勘察經(jīng)驗(yàn)，采取邊下護(hù)孔套管邊取樣鉆進(jìn)的辦法進(jìn)行施工，某鉆孔深度超過60 m之后(另加水深18 m)，海上遇到突變天氣，在6級大風(fēng)隨同涌浪、海潮等共同影響下，由于來不及起鉆，孔內(nèi)146 mm套管43 m、127 mm套管67 m、50 mm鉆桿80余米，全部丟在海里。

同樣在4月份，江蘇如東洋口港近海風(fēng)電場鉆孔6個，要求單孔孔深≮50 m，且進(jìn)入穩(wěn)定的樁基持力層不應(yīng)小于15 m;原計(jì)劃4月16日開始，至5月15日完工，結(jié)果受潮汐、海浪影響的同時(shí)，所配制的沖洗液無法達(dá)到護(hù)孔要求，膨潤土與海水?dāng)嚢杌旌现螅挥枚嗑镁蜁霈F(xiàn)膨潤土與水分離，導(dǎo)致孔內(nèi)坍塌不斷，致使工期整整拖延1個多月才勉強(qiáng)完成任務(wù)。

為克服海洋勘察鉆孔施工進(jìn)度慢的狀況，組織由技術(shù)人員牽頭，著重探索如何克服海洋潮汐以及裸孔鉆進(jìn)護(hù)孔技術(shù)問題(除隔水套管以外)，以滿足海洋巖土勘察施工的需要。

2 護(hù)孔失敗原因分析

對海上巖土勘察項(xiàng)目來說，首先需要考慮的是人機(jī)船的安全，扣除避潮、避風(fēng)、避浪、避涌等等不良天氣以外，每個月真正具備鉆孔作業(yè)天氣，往往只有一個星期左右，如何使用好有限時(shí)間，爭取多完成鉆孔任務(wù)就顯得尤為重要，因?yàn)槿藛T在船上無論是否工作，其所租賃的船費(fèi)、人工費(fèi)均同樣需要支付。經(jīng)分析，如果想減少鉆孔施工輔助時(shí)間來提高鉆進(jìn)以及取樣的純鉆時(shí)間，最有效的辦法就是依靠沖洗液來護(hù)孔。

(1)由于海上作業(yè)環(huán)境的特殊性，鉆探施工需要依靠水上平臺，而海洋風(fēng)電勘察具有取樣要求高、鉆孔淺、單孔作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，為節(jié)省開支一般租用民用船來搭建勘探平臺，致使平臺場地面積和儲備水均受到限制。為了在一個施工期內(nèi)多完成鉆孔，鉆進(jìn)施工用水只能依靠海水。

(2)目前市場上的膨潤土主要分為鈣基膨潤土、鈉基膨潤土、活性白土3種，最多見的是鈣基膨潤土。膨潤土礦開采時(shí)pH值在6.5以下，呈酸性;而所謂的鈉基膨潤土，它是由鈣基膨潤土通過加堿改性所得，出廠pH值一般大于9，呈堿性。

(3)由于前期對所用膨潤土缺乏認(rèn)識，使用了未經(jīng)改性的鈣基膨潤土，結(jié)果與海水?dāng)嚢杌旌现?，出現(xiàn)膨潤土與水分離，所配制漿液無法起到護(hù)孔目的。其原因是:海水中的鹽主要成分是NaCl，其NaCl本身和鹽中的雜質(zhì)鈣鎂離子均對漿液的性能造成破壞，對一些固相泥漿性能起到破壞作用的主要是Ga2+、Mg2+、CI－、SO2－。這些離子侵入泥漿后，泥漿性能明顯的變化使粘度和切力猛增，失水量變大，產(chǎn)生這種變化的主要原因是Ga2+、Mg2+等與粘土表面吸附的陽離子進(jìn)行交換吸附后而改變了粘土表面的性質(zhì)，使粘土表面的水化膜變薄，顆粒間的引力增大，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或絮凝沉淀，放出大量的自由水。而如果改用鈉基膨潤土，膨潤土中的Na+更易被置換，對海水中重金屬離子和有機(jī)物的吸附性能均可以得到不同程度的改善作用。

3 護(hù)孔材料選擇

綜上分析，護(hù)孔材料選擇應(yīng)遵守:(1)選擇與海水相適應(yīng)的膨潤土，即鈉基膨潤土做為沖洗液，其護(hù)孔效果可以得到一定程度的改觀，其具體效果需要通過試驗(yàn)取得;(2)由于不同海域土層各不相同，加上水深以及作業(yè)邊界條件不同，作業(yè)船抗風(fēng)浪能力不同，因此不能依靠一種沖洗液;(3)結(jié)合江蘇、浙江等海域海底土層不同，以及我們多年在水電工程深厚覆蓋層中取原狀樣的經(jīng)驗(yàn)，把植物膠引用海上鉆孔中，以配制不同的沖洗液進(jìn)行鉆進(jìn)護(hù)孔。

為能夠結(jié)合地層配制不同的沖洗液，應(yīng)考慮事項(xiàng)有:

護(hù)壁材料通常是由粘土(如膨潤土)或植物粉末和水以及必要的處理劑組成的分散體系，它除了能完成沖洗鉆孔的任務(wù)外，它還具有攜帶巖粉和懸浮巖粉的能力，能在孔壁上形成泥皮具有護(hù)壁堵漏的作用，而海上鉆孔護(hù)壁，由于存在一定的水深致使孔內(nèi)的泥漿在壓力差的作用下，漿液中的自由水會透過土層孔隙而丟失，導(dǎo)致護(hù)孔漿液失水，并在失水的同時(shí)，粘土顆粒被阻滯在孔壁上形成一層泥皮，以起到保護(hù)孔壁的目的，所以配制沖洗液其密度應(yīng)合適孔深以及所取土層的需要。

另外，在鉆進(jìn)過程中，漿液性能會因孔內(nèi)情況的變化而不斷變化，如鉆進(jìn)砂層時(shí)大量細(xì)砂侵入漿液中，使含砂量增大，泥皮松散，失水量增大，不但會加速水泵易損零件的磨損，嚴(yán)重時(shí)還會發(fā)生泥皮塌落及埋鉆事故。特別是在海洋工程鉆探會因大量的海水中Ca2+、Mg2+侵入使?jié){液性能很快變壞，當(dāng)漿液性能不能適應(yīng)鉆進(jìn)土層的需要時(shí)，如果不能及時(shí)對漿液性能加以調(diào)整，則往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的孔內(nèi)事故發(fā)生。

4 近海海域土層劃分

以江蘇如東洋口近海海域、浙江杭州灣海域、上海金山附近海域?yàn)槔?，對其勘探深度范圍?nèi)地層劃分如下。

4.1 江蘇如東洋口近海地層劃分

①2層粉砂、粉土，層厚4～10 m，局部厚度達(dá)到13 m左右;

③層粉砂，層厚10～20 m，局部厚達(dá)30 m，埋深4～10 m，局部埋深＞10 m;

④層粉質(zhì)粘土，該層上部分為可塑～硬塑，局部夾薄層粉砂，性質(zhì)較好，層厚1～5 m，埋深25～40 m;

⑤層粉土夾粉質(zhì)粘土，松散～稍密，層厚1～8 m，埋深20～45 m;

⑥層粉砂、粉細(xì)砂，中密～密實(shí)，上部以粉砂為主，下部粉砂、細(xì)砂均有揭露，厚度幾米到幾十米不等，埋深30～50 m;

⑥層以下以粉質(zhì)粘土為主，埋深在60 m以下。

4.2 杭州灣海域土層劃分

①層淤泥，新近沉積，流塑，性質(zhì)很差，層厚3～5 m;

②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土，流塑，8～20 m，埋深3～5 m，局部夾薄層狀粉砂;

③層粉質(zhì)粘土，軟塑，層厚10～25 m，局部海域?yàn)橛倌噘|(zhì)粘性土，該層埋深15～25 m;

④層粉質(zhì)粘土，上部以可塑～硬塑為主，下部以軟塑為主，含大量粉砂，局部含較多礫砂、卵礫石，杭州灣海域、舟山海域下部為中密狀粉砂;

⑤層粘性土，軟塑～硬塑。埋深一般為30～50 m，層厚10～30 m不等，層厚10～25 m不等;

⑥層以下由于埋深較大，層位主要表現(xiàn)為粘性土與砂性土交互出現(xiàn)，層厚一般較穩(wěn)定。

4.3 上海金山附近海域土層

上海金山附近海域地層與整個浙江海域有明顯不同，上部10 m以淤泥質(zhì)土為主，下部主要為砂性土，厚度變化較大，部分鉆孔揭露均為砂土、粉土，厚度最大達(dá)80 m以上。

5 沖洗液配制及試用效果

5.1 沖洗液配制

植物膠沖洗液具有較好的懸浮巖屑和攜帶巖屑的能力，能在井壁上形成薄而韌的聚合物膜，有較好的護(hù)心護(hù)壁防塌和潤滑減阻作用，與含有粘土的泥漿相比，具有密度低、粘度可調(diào)、流動性好等優(yōu)點(diǎn);并且在鉆進(jìn)過程中由于高聚物絮凝劑對固相顆粒的自動絮凝清除，不會產(chǎn)生鉆屑積累，能大幅度提高孔底鉆頭的碎屑效率。為探索是否適合海洋工程勘察，改用鈉基膨潤土(鈉土)和植物膠做為配制漿液分散相，試驗(yàn)?zāi)酀{配比如下。

配比一:配制純粘土泥漿，水∶鈉土=100∶(5～6)(質(zhì)量比)，先把水與鈉土攪拌均勻，用pH試紙測定pH值，用燒堿(氫氧化鈉)使?jié){液pH值達(dá)到9以上，用漏斗粘度計(jì)測得粘度在25 s以上。

配比二:配制無固相泥漿，植物膠∶水=2∶100(質(zhì)量比)，加入燒堿(氫氧化鈉)，加量為植物膠干粉質(zhì)量的8%～10%。其制漿順序?yàn)?把計(jì)量好的水放入攪拌桶內(nèi)，投入燒堿的量與水?dāng)嚢杈鶆?，再把植物膠的量放入攪拌桶內(nèi)攪拌均勻，在條件允許時(shí)浸泡4～8 h再使用，通過浸泡以后的漿液粘度可達(dá)100 s以上，pH值在9～11之間。

配比三:配制低固相泥漿，植物膠∶水∶鈉土=1∶100∶(5～6)(質(zhì)量比)，加入燒堿(氫氧化鈉)，加量為植物膠干粉質(zhì)量的8%～10%。其制漿順序?yàn)?先按配比二的方法把植物膠攪拌均勻，再把鈉土的量均勻加入后攪拌均勻，最后加入燒堿(氫氧化鈉)，使泥漿的pH值在9以上，在條件允許時(shí)，若能浸泡4～8 h再使用，其漿液粘度也可達(dá)100 s以上。

5.2 試用效果

由于泥漿性能測定內(nèi)容較多，而野外工地不可能像實(shí)驗(yàn)室一樣，把所有的漿液性能均進(jìn)行測定，在鉆進(jìn)過程中，通過孔內(nèi)返回漿液進(jìn)行檢測，一般測定密度、粘度、含砂量和pH值即可。如純粘土泥漿(配比一)，孔內(nèi)回漿粘度不應(yīng)低于20 s，或含砂量≯5%，或pH值≮8，均可以繼續(xù)使用;對于無固相和低固相泥漿，其孔內(nèi)回漿粘度不應(yīng)低于30 s，而含砂量和pH值與配比一相同。上述3種漿液配比，一旦某個指標(biāo)沒有達(dá)到要求，均需要對漿液進(jìn)行濃度調(diào)整。至于漿液密度，應(yīng)根據(jù)所用制漿材料不同進(jìn)行控制，其原則為:采用鈉土泥漿(配比一)或者配制低固相泥漿(配比三)，漿液密度一般在1.05～1.08 g/cm3之間;配制無固相泥漿(配比二)，由于植物粉末密度較輕，漿液密度一般在1.02～1.03 g/cm3之間。

通過將上述3種漿液配比分別在江蘇、浙江近海勘察鉆孔中使用并進(jìn)行分析，其使用效果可歸結(jié)如下。

配比一:在江蘇如東洋口近海海域，由于土層以粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土為主，土層相對較單一，護(hù)孔套管一般下入土層在5 m左右，水深在5～15 m之間，使用鈉土泥漿，結(jié)果是泥漿很快變稀，需要定人不斷補(bǔ)充新鮮的漿液，也只能護(hù)孔至50 m孔深以內(nèi)，孔深＞50 m之后，孔內(nèi)就會出現(xiàn)不間斷孔壁坍塌;如果使用在浙江杭州灣近海海域，由于浙江主要以淤泥質(zhì)土為主，在沒有遇到砂層情況下，可以護(hù)孔至50 m以深，但使用該配比泥漿的缺點(diǎn)是投入人工多，鈉土用量大。

配比二:通過近幾年在江蘇如東潮間帶至近海海域多期風(fēng)電勘察鉆孔中使用，該配比能夠滿足在80 m以內(nèi)的鉆孔取樣，而在浙江杭州灣海域，由于大部分屬于淤泥質(zhì)粘土，鉆進(jìn)過程中具有自然造漿能力，該配比在水深20 m以淺，能夠滿足孔深在100 m以淺的鉆孔取樣，但是，鉆孔有輕微縮徑現(xiàn)象。

配比三:不但適用上述江蘇、浙江海域，而且能夠適用在上海金山海域，該海域含砂層較厚，地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆孔容易塌孔。因?yàn)樵撆浔饶酀{吸收了上述2種護(hù)孔材料的優(yōu)點(diǎn)，泥漿密度相對較大，有抑制孔內(nèi)坍塌的作用。其缺點(diǎn)是制漿工序多而且繁瑣。

隨著海上護(hù)孔材料不斷使用和探索，像近海風(fēng)電類勘探深度在100 m以淺鉆孔，結(jié)合施工海域以及取樣土層不同，有針對性的選擇護(hù)壁材料，就可以達(dá)到預(yù)期效果。其經(jīng)驗(yàn)可歸納為:浙江杭州灣(慈溪)近海海域，建議使用無固相泥漿(配比二);江蘇如東洋口近海海域和上海金山以粉砂為主海域，從攜帶泥砂和水深對孔壁側(cè)壓影響等考慮，建議使用低固相泥漿(配比三)。

6 注意事項(xiàng)

(1)海上鉆探不同于陸地，受到施工場地以及泥漿排放環(huán)境要求等限制，為了使沖洗漿液能夠循環(huán)使用，在護(hù)孔套管孔口管上設(shè)置三通，從孔內(nèi)返回的漿液應(yīng)先經(jīng)過篩網(wǎng)凈化過濾，然后再把它放到儲漿槽內(nèi)，在鉆進(jìn)過程中派專人監(jiān)測漿液變化，一旦出現(xiàn)漿液指標(biāo)不能滿足繼續(xù)使用要求，在儲漿槽內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充新的護(hù)孔漿液。

(2)由于海上鉆探時(shí)間寶貴，應(yīng)設(shè)置配制漿液的專職人員，以確保鉆進(jìn)過程中的正常使用。一般至少配備2只漿桶，儲漿量在1 m3左右，一只做為正常鉆進(jìn)循環(huán)用桶，另一只做為儲備漿液用桶。

(3)在鉆進(jìn)過程中，配漿人員應(yīng)按照鉆孔土層變化和深度，及時(shí)調(diào)整漿液粘度，當(dāng)鉆孔深度80～100 m時(shí)，或者當(dāng)遇到砂層厚度達(dá)到5 m以厚時(shí)，應(yīng)及時(shí)提高漿液密度，以平衡孔壁側(cè)壓力保持孔壁穩(wěn)定，對順利通過松散、容易坍塌的地層是十分必要的。

(4)為防止護(hù)孔套管底部漏漿，在江蘇含砂粉質(zhì)粘土地層，套管深入土層的深度應(yīng)超過5 m，而在浙江近海，由于淤泥質(zhì)土深厚且含水量高，一般護(hù)孔套管深入土層在10～13 m，以防止護(hù)孔套管底部漏漿。

7 結(jié)語

通過以上試驗(yàn)分析，可以看出，用海水配置泥漿，選擇材料是關(guān)鍵。通過對3種泥漿配比的現(xiàn)場試驗(yàn)、分析，可以得到適合海洋鉆探所需的泥漿，從而降低了海上鉆探的成本和提高了鉆探效率。使用以上所述的泥漿配置，按照目前的護(hù)孔技術(shù)，從鉆探船拋錨定位至鉆孔結(jié)束，一般可在24 h內(nèi)完成。這是多年海洋鉆探施工中所積累的經(jīng)驗(yàn)，僅供同行單位參考借鑒。

［1］王桂萍，等.膨潤土的改性方法及其在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29，(4).

［2］DL/T 5013－2005，水電水利工程鉆探規(guī)程［S］.

［3］左可勝，等.不同pH值下膨潤土懸浮液沉降性分析［J］.礦冶工程，2011，31(3).

［4］張統(tǒng)得，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－3孔泥漿技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9).

［5］陶士先，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－2孔鉆井液工藝研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(9).