貴州巖溶區(qū)地埋管鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置

陳 浩，賈玉川，趙華宣，曾遠(yuǎn)明，湯自華，王 虎

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽550008）

1 概述

貴州省淺層地?zé)崮苜Y源豐富，僅主要城市地表以下100m 深度內(nèi)淺層地?zé)崮芸偀崛萘窟_(dá)35.2×1013kJ/℃[1]，但淺層地?zé)豳Y源勘查及開發(fā)起步較晚[2]，地埋管鉆探施工沿用復(fù)合片鉆頭正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和空氣潛孔錘鉆進(jìn)[3-4]，在復(fù)雜巖溶地區(qū)地埋管鉆探常遇巖溶破碎、漏失至失返等復(fù)雜情況，因鉆探工藝不適宜及設(shè)備配置不合理而鉆孔周期長、效率和效益低，一定程度制約了地埋管鉆探業(yè)的發(fā)展和淺層地?zé)崮艿拈_發(fā)利用。為加快淺層地?zé)崮荛_發(fā)進(jìn)程，促進(jìn)貴州全國生態(tài)文明區(qū)建設(shè)和節(jié)能減排，亟需復(fù)雜巖溶區(qū)地埋管鉆探工藝和設(shè)備機(jī)具配置適宜性研究，以提高地埋管鉆探能力和鉆進(jìn)效率。

貴州屬典型喀斯特巖溶山區(qū)，碳酸鹽巖大面積出露、淺表溶蝕裂隙發(fā)育（軟弱破碎夾層多）、第四系覆蓋層薄。地埋管埋置深度內(nèi)均為不同程度開挖回填和軟弱破碎帶的淺表層和下部巖溶裂隙發(fā)育（局部溶洞、巖溶強(qiáng)烈破碎）碳酸鹽巖地層，松散回填、軟弱破碎層和巖溶強(qiáng)烈破碎帶鉆進(jìn)施工中多見孔壁垮塌、掉塊、漏失至失返等不良現(xiàn)象。不同地層、深度對鉆探工藝和設(shè)備機(jī)具配置要求不一，為探索復(fù)雜巖溶區(qū)適宜鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置合理性，在2個(gè)典型地埋管項(xiàng)目進(jìn)行了淺表松散及軟弱破碎、巖溶強(qiáng)烈破碎及疏干（失返）三類巖溶地層進(jìn)行鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置研究。

2 淺表松散及軟弱破碎層

2.1 鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置情況

貴州仁懷某地溫空調(diào)項(xiàng)目，地埋管系統(tǒng)為孔內(nèi)雙U 管連接、間距4m×4m、孔深120m（有效孔深＞100m）、鉆孔直徑＞130mm、設(shè)計(jì)鉆孔690 個(gè)（總延米82000m），沿建筑物分區(qū)6個(gè)區(qū)（A-F）。由于地形地貌及巖溶發(fā)育因素，地埋管場地淺表為松散、膠結(jié)差厚度各異開挖回填和軟弱破碎地層，易孔斜、全漏失、孔壁垮塌嚴(yán)重、成孔困難至不能成孔致后續(xù)施工難以開展，根據(jù)地層特性、厚度等因素采取鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具配置組合及鉆進(jìn)情況，見表1。

表1 貴州仁懷某項(xiàng)目淺表地層特性和鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具配置及鉆進(jìn)情況表

2.2 鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具組合及效果

根據(jù)地層松散、無膠結(jié)、全漏失特性及厚度和孔徑等要求，采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)+清水強(qiáng)鉆以及偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)，設(shè)備機(jī)具配置組合如下：

（1）正循環(huán)回轉(zhuǎn)+清水強(qiáng)鉆。松散軟弱破碎厚厚度2.0～2.5m、護(hù)壁管深度3.5m 以淺，下管長度在鉆機(jī)動(dòng)力頭行程+機(jī)高內(nèi)，采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)+清水頂漏強(qiáng)鉆造孔、動(dòng)力頭送下套管能一次性到位護(hù)壁，有效減少和避免環(huán)境污染及降低鉆進(jìn)成本[5]。

①鉆探設(shè)備配置：SL400/600 鉆機(jī)+ WQ30/120泵。

②鉆具組合：?180mm復(fù)合片（三葉）鉆頭+?168mm套管+?89mm外平鉆桿。

（2）偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)。松散軟弱破碎厚度大于2.5m、護(hù)壁管深度3.5m 以深，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)壁垮塌嚴(yán)重、液體介質(zhì)失返、無快省護(hù)壁堵漏措施，護(hù)壁套管一次性到位困難至不能到位，采用鉆進(jìn)與下管護(hù)壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)[6-7]，進(jìn)入穩(wěn)定巖層1.0～2.0m，反轉(zhuǎn)起出偏心潛孔錘具、套管留孔內(nèi)護(hù)壁。

①鉆探設(shè)備配置：SL400/600 鉆機(jī)+1070XH（或XHP1170）空壓機(jī)，空壓機(jī)與鉆機(jī)組合1拖2。

②鉆具組合：?140mm 偏心潛孔錘頭（滑出最大直徑190mm）+ SPM350/140/68 高風(fēng)壓沖擊器（帶?168mm 套管）+?89mm 外平鉆桿，隨孔深同步加鉆桿和套管。

（3）效果分析：SL400/600 多功能頂驅(qū)履帶鉆機(jī)以滿足地埋管快速移孔要求，正循環(huán)回轉(zhuǎn)+清水強(qiáng)鉆鉆具用?168mm 套管起導(dǎo)正扶正減少孔斜率，厚度大于2.5m 松散軟弱破碎層采用偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)、實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)與護(hù)壁管同步、減少孔壁垮塌護(hù)壁管不能到位風(fēng)險(xiǎn)和提高鉆進(jìn)效率。

3 巖溶強(qiáng)烈破碎地層鉆探工藝與設(shè)備機(jī)具

3.1 鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置情況

貴州遵義某地溫空調(diào)項(xiàng)目，地埋管系統(tǒng)為孔內(nèi)雙U 管連接、間距4m×4m、孔深120m（有效孔深＞100m）、鉆孔直徑＞130mm、設(shè)計(jì)鉆孔1000 個(gè)（總延米120000m），沿建筑物分區(qū)8個(gè)區(qū)（A1-A4、B1-B4）。表層碎塊石和粘土回填、膠結(jié)較好、漏失小，淺表層以下為巖溶裂隙發(fā)育婁山關(guān)白云巖、含硅質(zhì)、泥質(zhì)白云巖地層，80～90m段巖溶強(qiáng)烈破碎層、富水、巖體破碎、孔壁掉塊較嚴(yán)重、漏失小。A1、B4、B3區(qū)因試驗(yàn)孔采用清水+空氣潛孔錘鉆進(jìn)疏通巖溶裂隙、地埋管鉆探中竄漿，建設(shè)單位明確地埋管施工中不得使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)。鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具配置、鉆井液及鉆進(jìn)情況見表2、表3。

表2 遵義某項(xiàng)目巖溶破碎地層設(shè)備機(jī)具配置及鉆進(jìn)情況表

表3 遵義某項(xiàng)目巖溶破碎地層鉆井液及鉆進(jìn)效率表

3.2 鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具組合及效果

根據(jù)建設(shè)單位要求、鉆進(jìn)區(qū)域地層特性、孔徑等要求，使用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，設(shè)備機(jī)具配置組合、鉆井液使用情況如下：

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)：淺表回填層孔徑?180mm，進(jìn)入穩(wěn)定巖層1.0～2.0m 下?168mm 套管護(hù)壁；下部孔段?140mm終孔。

（2）鉆探工藝及設(shè)備。

①正循環(huán)回轉(zhuǎn)+清水鉆進(jìn)：B3區(qū)部分鉆探設(shè)備SL400 鉆機(jī)+YZ40/60 泵，泥漿泵揚(yáng)程較低，清水?dāng)y屑鉆進(jìn)，淺孔段流量大、排屑正常、鉆速達(dá)10.0m/h，60m排屑能力降低、鉆速嚴(yán)重，巖溶破碎段無護(hù)壁能力、掉塊多、鉆進(jìn)困難、鉆速下降嚴(yán)重，鉆進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)高、鉆深能力不足，成本較高。

②正循環(huán)回轉(zhuǎn)+低固相泥漿鉆進(jìn)：A1、B4、B3區(qū)部分鉆探設(shè)備SL400/600 鉆機(jī)+WQ20/120 或BW250 泵（柴油機(jī)動(dòng)力），泵揚(yáng)程滿足孔深要求，采用無固相泥漿（聚丙稀銨+清水）護(hù)壁鉆進(jìn)，護(hù)壁效果好、鉆速較高、成本低。因施工初期在泥漿中加高粘堵漏劑+鋸末堵漏防竄漿和BW250泵柴油機(jī)用油使成本上升。

③正循環(huán)回轉(zhuǎn)+低密度泥漿鉆進(jìn)：A3、B1、B4區(qū)鉆探設(shè)備SL400 鉆機(jī)+YZ40/60 泵，因泥漿泵揚(yáng)程較低，低固相泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，護(hù)壁效果較好，60m后鉆速隨孔深下降，成本低。

④正循環(huán)回轉(zhuǎn)+濃泥漿鉆進(jìn)：A2、A4、B2區(qū)鉆探設(shè)備SL400鉆機(jī)+YZ20/50泵因鉆機(jī)、泵能力弱及濃泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，排屑效果較差、鉆速低、鉆速隨孔深下降、成本高，鉆深能力不足。

（3）鉆具組合。

①淺表護(hù)壁管段：?180mm 復(fù)合片（三葉）鉆頭+?168mm套管（導(dǎo)正扶正）+?89mm外平鉆桿。

②下部裸孔段：?140mm復(fù)合片（三葉）鉆頭+?135mm扶正器（鉆桿加工）+?89mm外平鉆桿。

（4）效果分析。

①鉆探設(shè)備能力對鉆進(jìn)效率影響較大，SL400/600鉆探滿足地埋管鉆深要求，排量和揚(yáng)程均滿足要求泵鉆進(jìn)效率高，扶正器防斜效果較好。

②巖溶強(qiáng)烈破碎地層，泥漿類型對鉆進(jìn)效率和鉆深影響均較大，護(hù)壁效果較好的無固相或低固相泥漿鉆進(jìn)效率高。

③BW250泵（柴油動(dòng)力）減輕對電力設(shè)施要求，也提高單位設(shè)備使用率。

④SL200 鉆機(jī)不宜用于復(fù)雜巖溶山區(qū)地埋管施工。

4 巖溶疏干地層鉆探工藝與設(shè)備機(jī)具

4.1 鉆探工藝及設(shè)備機(jī)具配置情況

貴州仁懷某地溫空調(diào)項(xiàng)目，淺表層以下為巖溶發(fā)育強(qiáng)烈的婁山關(guān)白云巖，北面30m 見溶洞，受溶蝕、袍桐坪斷層及鹽津河深切割作用，巖溶裂隙發(fā)育、溶洞至鹽津河走向的A區(qū)、C區(qū)部分鉆孔下部局部溶洞發(fā)育，地下水沿鹽津河排泄、水位埋深大[8]（120～160m）為巖溶疏干區(qū)，地埋管鉆孔設(shè)計(jì)深度內(nèi)無水。

鉆進(jìn)地層為巖溶疏干型，液體介質(zhì)隨鉆遇巖溶裂隙流失全漏、鉆屑不上返，從鉆進(jìn)成本、返屑利用（回填）、鉆孔安全等，在淺表層護(hù)壁管下好后，采用空氣潛孔錘正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆探設(shè)備配置組合及鉆進(jìn)情況見表4。

表4 貴州仁懷某項(xiàng)目疏干巖溶地層空氣潛孔錘鉆進(jìn)設(shè)備配置及鉆進(jìn)情況表

4.2 鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具組合及效果

根據(jù)地層疏干、全漏失特性及孔徑等要求，采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，設(shè)備機(jī)具配置組合如下：

（1）鉆探設(shè)備配置。A、B、F 區(qū)：SL400/600 鉆機(jī)4臺(tái)，1070XH/XHP1070空壓機(jī)2臺(tái)，空壓機(jī)與鉆機(jī)配置1拖2；C、E區(qū)：SL400鉆機(jī)4臺(tái)，阿特拉斯V90空壓機(jī)2臺(tái)，空壓機(jī)與鉆機(jī)配置1拖2；D區(qū)：SL400鉆機(jī)1臺(tái)，壽力660空壓機(jī)各1臺(tái)，空壓機(jī)與鉆機(jī)配置1拖1。

（2）機(jī)具及組合：

①簡便防塵裝置：空氣潛孔錘鉆進(jìn)，鉆進(jìn)中巖粉塵嚴(yán)重污染環(huán)境和影響人員健康，在淺表層?168mm護(hù)壁套管下好后，將現(xiàn)場加工好的簡便防塵裝置（圖1）罩在?168mm護(hù)壁管，除塵時(shí)連接抽水泵注水除塵，注水量根據(jù)鉆進(jìn)速度將鉆進(jìn)產(chǎn)生的粉塵完全除去，一般5～7m3/h。

圖1 簡便防塵裝置示意

②鉆具組合：?168mm 護(hù)壁管+簡便防塵裝置+?140mm 錘頭+SPML50 高風(fēng)壓沖擊器+?135mm 扶正器（鉆桿加工）++?89mm外平鉆桿。

（3）效果分析：

①空氣潛孔錘鉆進(jìn)滿足疏干巖溶地層鉆進(jìn)要求，簡便防塵裝置加工方便、不用拆卸且滿足除防塵要求。

②1070XH/XHP1070 空壓機(jī)供風(fēng)量大、滿足溶洞地層要求，鉆進(jìn)中風(fēng)壓高（油耗大）、排屑干凈、鉆速高但成本較高，

③壽力660 空壓機(jī)供風(fēng)量偏小遇溶洞鉆進(jìn)困難、成本高。

5 結(jié)論與建設(shè)

通過復(fù)雜巖溶區(qū)巖溶類型的地埋管鉆探工藝、設(shè)備機(jī)具配置組合及鉆進(jìn)效果分析總結(jié)，結(jié)論與建設(shè)如下：

（1）適宜鉆探工藝是提高地埋管鉆進(jìn)效率的重要途徑，施工中應(yīng)根據(jù)地層特性選擇適宜鉆探工藝。厚度較大的松散、軟弱破碎、全漏地層采用偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)，巖溶強(qiáng)烈破碎地層采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)+無/低固相泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，巖溶疏干地層采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)。

（2）地埋管施工孔鉆孔數(shù)量多、搬遷頻繁，適宜用多功能頂驅(qū)履帶鉆機(jī)以快速移孔，巖溶區(qū)地層復(fù)雜對鉆機(jī)能力要求較高。

（3）巖溶區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，軟弱夾層、巖溶破碎多，應(yīng)采用防斜組合鉆具。

（4）巖溶疏干地層采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)，空壓機(jī)供氣量選擇應(yīng)考慮地層超徑、漏風(fēng)等孔況要求，防塵裝置應(yīng)安全、有效和便于安拆。