水域钻探

（一）水域钻探概述
在工程地质、水文地质、工程施工钻探以及某些矿产勘探工作中,有时要在江、河或湖面上施工。由于水深及水流速的影响,就必须采取特殊的手段进行作业。一般水深在1m以内,流速不大,不受山洪影响的浅水或间歇性河流中,可用枕木垛、草袋围堰、筑岛等方法修筑机台。水深在1～2m者,可用“木马”木桩承台。水深在2～8m,水流平稳的河流或湖泊,不能使用拼船时,可采用木排、竹筏、油桶筏等；在河身较宽,水深流速较大的江河中,则根据具体情况选用木船或铁船。
特别是近些年来,某些工程和矿种亟待施工,这就要求水上钻探的技术能跟上形势的发展。目前,海洋石油勘探方面已取得很大进展,但在江、河以及湖面上进行勘探的技术远远落后于实际的要求。
水上钻探存在的主要问题是：钻船的安装、定位,保护管的下法、定位,安全设施等。
水上钻探受水位、流速、风浪、潮汐的影响,钻船可能移位,套管将随之弯曲,如不及时采取措施,不但影响钻进,而且将发生事故。因此,在新的工地进行水上钻探之前,应对现场实际情况作充分了解,收集有关水文、气象、地形,特别是河床地形等资料。
1.水文资料
（1）钻探地段的水位过程线
应根据水位流量过程曲线、流量与时间过程曲线来编制水位过程曲线。编制时应考虑最大洪水位及枯水年份曲线。
（2）水位与流速关系曲线
（3）凌汛
1）凌汛开始时间。
2）凌汛期间冰凌一般厚度、最大厚度及冰块最大面积与体积。
3）凌汛持续最长、一般及最短时间。
4）其他有关凌汛资料。如冰凌的集结、冻结情况以及凌汛结束时间等。
（4）结冰
1）结冰开始时间。
2）结冰最大与最小厚度及其最大负荷量。
3）开始融冰时间。
（5）漂浮物
流草最大、最小长度及一般长度,流草的数量和种类。
2.气象资料
（1）风
1）风的强度。最大及最小风速。
2）风的方向。大风的方向。
（2）气温及气温的变化
3.地形条件
通过对孔位的水深、河床地形情况来确定选择适合的水上钻探方法。
（二）钻探船与浅水基台的修建
1.木船钻场
木船常用于流速在3m/s以内的河流上。优点是船可就地租用,设置简单。用单船吨位约为15t的船两条（每条船长约20m、宽约3.5m）。首先将单船加固（图1-9）,在舱内加底枕及支撑,上面用木梁连接各舱之支撑,接头处以扒钉钉牢。两船平行间距0.3～0.5m,如打斜孔可稍宽些。在舱面上横放4～6根梢径为20～25cm圆木、方木或小钢轨、钢管,并用钢丝绳围箍船身成为整体（图1-10）,上铺严密牢固的平台板,板厚不小于5cm,用钉钉牢。钻架腿应放在枕木上,安装绞车作为紧锚绳之用。钻机、水泵、内燃机、绞车均须放在横梁上。船边设围栏,船头上宜包铁皮,以防漂流物冲击。


图1-9 单船加固示意图
1―船面；2―底枕；3―支撑；4―木梁；5―船舱隔板；6―船底


图1-10 双船结构示意图
1―圆木；2―木船；3―钢丝绳；4―蹩棍
2.铁驳船钻场
在水深流急、浪大漩涡多的大江河中,进行水上钻探时,必须使用铁驳船,其吨位约150～500t,长38～50m,宽约8～10m。单船宽度不足时可将横木悬臂伸出船外,铺满台板,以便存放器材之用。为了减少风浪影响,保持钻船的稳定,在舱内装入适量吨位的块石。
钻场一般皆设在船尾,甲板上焊有钢构架,伸出船尾2～3m,在其下部常设一小工作台,为保证安全与操作方便,钻场面积一般为7×10m2。其结构布置如图1-11、图1-12、图1-13、图1-14所示。


图1-11 150～300t铁驳船钻场布置示意图
1―角钢及工字钢支架焊接结构；2―钢架结构小工作台；3―工字钢底梁


图1-12 150～300t铁驳船钻场俯视图
1―角钢及工字钢支架焊接结构；2―钻孔孔位；3―钻机；4―工字钢底梁；5―水泵；6―铁驳船


图1-13 300～500t铁驳船钻场侧视图
1―四脚钻塔；2―钻场；3―厨房；4―宿舍；5―船员值班室


图1-14 300～500t铁驳船钻场俯视图
1―钻孔孔位；2―钻场；3―厨房；4―宿舍；5―船员值班室
3.油桶筏钻场
在小河流、水位浅、航运少和租不到合适的船时,可使用厚壁大汽油桶并联成筏,在筏上设钻场（图1-15）。油桶筏钻场需用多少油桶,必须做浮力计算；大油桶直径0.56m,高0.86m,容积约0.21m3,油桶自重约27kg,木料的浮力可不计,其需要总浮力按钻探机具材料,工作人员等总重的3倍计算以确保施工安全。油桶筏的拼装用杉木或方木以8号铅丝绑扎成两片,像双船一样,中间留出钻孔位置,上铺木板,周围要安上栏杆。


图1-15 油桶筏钻场布置示意图
1―挡板；2―U型围箍螺栓；3―厚壁油桶；4―8号铅丝；5―横杆；6―油桶；7―纵杆
采用油桶筏钻场应注意的事项：
1）漏水油桶要焊好,螺盖应加胶垫密闭。
2）杉木梢径不小于15cm,料要直,节疤要修平。
3）绑扎油桶筏要在河滩上靠水边处进行,以便下水。
4）锚绳宜固定在岸上并提离水面。
5）其他有关事项与木船钻场内容相同。
4.木笼基脚钻场
孔位在河漫滩上,平时无水,涨水时被淹,如用船常搁浅,甚至将船底顶坏。遇到这种情况可用木笼基脚上搭木梁构成钻场（图1-16）。
木笼基脚是用6根长4m左右、梢径大于12cm的圆木,做木桩埋入地层内1m以上,用毛竹片或柳条编织成笼,上面直径约0.6～1.0m,下面直径约1.5m。内装卵石或块石,外围大块石构成,每个基台需木笼基脚8～10个,上放方木、木板构成基台。


图1-16 木笼基脚示意图
1―基台；2―木笼；3―砂砾石层
（三）抛锚定位
凡采用水上漂浮钻场――木船、铁船、油桶筏等,均采用停船抛锚的方法进行稳定,以便使钻探工作顺利进行。
1.锚的选择
选择锚的类型主要是根据漂浮钻场大小、河床地质情况及其他自然条件确定,一般在峡谷河流上,河床为卵石或岩层时适用四齿锚。河床为泥沙沉积时,可用燕尾锚,尤其是大江峡谷内,使用兔耳锚、将军锚,便于插入覆盖层或基岩裂隙中,也较易起锚。有时也用石锚或混凝土锚等。
2.锚的质量
锚的质量一般可根据船的吨位、自然条件、抛锚的位置确定。当用铁锚时,其质量可参考表1-6所示。


表1-6 钻船铁锚质量参考表 （单位：kg）
3.锚绳、锚链与浮筒
（1）锚绳的直径
锚绳多采用钢丝绳,其直径以其所受拉力大小而定,可参考表1-7所示。


表1-7 钢丝绳锚绳直径参考表
（2）锚链
为了增加铁锚在河床的稳定性,锚与锚绳之间可使用一段锚链。链环直径要大于钢丝绳的直径,并注意在容易埋锚的情况下不要使用锚链。
（3）锚头绳及浮筒
凡河床为孤石、高低不平的岩层或砂性土,为防止锚卡在岩石或孤石里,或者埋入砂层中,宜采用锚头绳及水底浮筒、水面浮筒。当发现铁锚被卡埋,可绞拉锚头绳,以松动铁锚。锚头绳及浮筒拴法如图1-17所示。


图1-17 锚头绳及浮筒拴法示意图
4.抛锚
根据钻孔附近地形和水流情况,将钻船拖至适当地点。放船前,先测出河中孔位。一般用小船把主锚和前锚抛定,再用船上绞车收紧锚绳移动钻船,逐步靠近孔位,而后再抛后锚及边锚,根据岸上测量人员指挥定位。
利用地形,也可把部分锚定在岸（图1-18）,如河床比较狭窄,可把4个锚全部都固定在岸（图1-19）。
抛锚可采用机动船或人力船抛锚。某局勘测队,为适应机动船进行抛锚、起锚作业,改制成自动（偏心）脱锚钩。钩的构造如图1-20所示。这种钩用主、副两根钢丝绳连接,副绳系在钩中部的一个小孔上,两根钢丝绳均拴在机动船上。抛锚时,机动船靠近钻船,将此钩移挂在机动船头水面以上,这时主绳受力,副绳不紧。机动船开到抛锚地点,只要把主绳松开,副绳自动带紧,挂钩即转动,锚即脱钩落水。这样自动脱钩抛锚,既安全又迅速,避免过去松锚绳时操作费力、锚绳随意蹦动的缺点。


图1-18 部分锚定在岸上示意图
1―锚；2―绞车；3―钻船；4―锚头绳


图1-19 4个锚都固定在岸上示意图
1―锚；2―绞车；3―钻船；4―锚绳
另外尚有拉过河绳索代替抛锚,分高空及水下拉过河绳两种（图1-21）。


图1-20 自动脱锚钩


图1-21 过河绳索代替抛锚示意图
5.锚的种类、质量及使用条件（表1-8）


表1-8 锚的种类质量及使用条件参考表


续表
6.定位
钻船抛锚后不会恰好就在要求的位置上,要将它固定到指定的位置,须进行定位工作。一般定位方法有以下几种：
（1）丈量定位法
在钻孔距岸边不远（100m以内）的条件下,可以使用绳尺、钢尺或皮尺等直接丈量。这样准确性高,且可节省时间。
（2）视距定位法
在距离较远（100～200m）、准确性要求不高的情况下可采用视距定位法。在进行工作时,钻船（或筏）上必须竖立塔尺或花杆,以便在岸上用中线处架设好的经纬仪观测。钻船上指挥人员必须与岸上观测人员取得密切联系,以便根据观测人员指示的偏上、偏下、往远、往近的信号指挥松紧锚绳直到钻船固定到指定的位置为止。
（3）交点定位法
在要求精确度高的情况下,使用交点定位法。定位时,在岸上中线之一点和三角网基线终点各设置经纬仪一架。中线上的一架观测钻船上下游位置；基线上的一架根据预先计算好的角度,观测钻船在中线上的孔位（两架经纬仪观测目标即交点）,在钻船孔位竖立花杆或塔尺,也可以用钻塔顶为目标。


图1-22 交点定位示意图
船上指挥人员必须根据两处观测人员指示的信号来松紧锚绳校正钻船位置。如指示信号要钻船往左移动3m、往下游移动1m时,钻船上就立收绞左后边锚和后主锚,这时若感到吃力时,应适当放松右前边锚和前主锚,达到要求为止（图1-22）。在条件允许的情况下,可采用两部绞车同时进行收绞锚绳,以节省定位时间。
（4）六分仪辅助定位法
在钻船距离预定钻孔位置尚远时,为使钻船尽可能接近预定位置,便于进一步精确定位,可在钻船上使用六分仪确定钻船位置,直接指挥钻船移动,这样可以简化岸上和钻船上的联系。
使用这种方法时,在钻探断面上下游的两岸,应竖立明显的不同标志,其位置是经过测量的,可确定与断面控制点的相互关系,以及根据计算得出钻船上六分仪应采用的角度。
要求精度较高的定位,还需经过岸上仪器观测,用交点法定位,用六分仪辅助定位法只能使用在抛锚前确定钻船大概位置,便于抛锚,能在钻船上直接指挥钻船航行方向。
（5）定位应注意事项
1）锚未绞正前,应事先注意水流方向,钻船必须与水流方向平行,船头朝上游,否则下套管时不易校正。
2）钻船上指挥人员和岸上观测人员应充分熟悉已定的旗语或灯光信号,能正确地发出指示信号,指挥人员能正确地指挥。
3）使用旗语必须将旗展开,不得折卷,指示方向时必须将旗按规定举起,易使对方