涌水鉆孔施工工藝探討
——以新疆葦子溝礦區(qū)水文孔施工為例

張春林

(中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039)

0 引言

在施工涌水鉆孔時(shí)，鉆孔中循環(huán)的沖洗液會(huì)被地層中的涌水稀釋，并逐漸為清水所替換[1]。如果鉆孔有松散水敏性地層，由于失去了沖洗液的護(hù)壁作用，將會(huì)發(fā)生潰砂塌孔現(xiàn)象，致使鉆孔極易發(fā)生孔內(nèi)事故[2-5]。2010年，某地質(zhì)勘探隊(duì)在新疆葦子溝礦區(qū)進(jìn)行煤田地質(zhì)勘探時(shí)，就曾因?yàn)槿齻€(gè)鉆孔涌水潰砂而發(fā)生鉆孔坍塌而報(bào)廢的事故。

目前，對(duì)涌水的處理方法主要是在沖洗液中加入重晶石粉，以提高沖洗液的密度，當(dāng)沖洗液對(duì)含水層的壓力超過涌水的壓力時(shí)，涌水將會(huì)受到抑制，不再發(fā)生涌水情況[6-8]。但是，隨著沖洗液的循環(huán)流動(dòng)，沖洗液會(huì)逐漸被涌水稀釋，壓力降低后，鉆孔會(huì)重新出現(xiàn)涌水，為了堵漏涌水，只有不斷往沖洗液中加入重晶石粉，這樣勢必造成鉆進(jìn)施工成本大幅增加[9-10]。同時(shí)，由于水文孔大部分采用取心鉆進(jìn)，巖心管直徑和鉆孔直徑相差很小，鉆具受到涌水浮力較大，導(dǎo)致鉆壓減小，降低鉆進(jìn)效率[11-13]。本文提出一種封閉式注水泥漿封堵涌水層的工藝方法，在新疆葦子溝礦區(qū)施工時(shí)，得到了很好的應(yīng)用。

1 工作區(qū)地質(zhì)條件

工作區(qū)位于天山北麓的中低山區(qū)，海拔在1 200～2 060m，總體地勢南高北低，南北向嶺谷相間，山嶺挺拔，坡陡路險(xiǎn)，溝谷狹小，地形切割強(qiáng)烈。

鉆孔揭露地層由老至新描述如下。

1)侏羅系三工河組(J2s)。主要為深灰色泥巖，揭露厚度13.50 m。

2)侏羅系西山窯組(J2x)。主要由灰色、厚層粗砂巖、砂礫巖、中砂巖，灰綠色、紫紅色泥巖，粉砂巖組成。該組也是主要的含煤地層。工作區(qū)內(nèi)控制全區(qū)可采、大部可采、局部可采煤層6層，自上而下依次編號(hào)為B5、B6、B6下、B7、B8上、B8。全區(qū)穩(wěn)定的主要可采煤層為B6、B7、B8。揭露厚度305.53m。

3)侏羅系頭屯河組(J2t)。主要由灰綠色、紫紅色泥巖和灰白色砂礫巖組成，揭露厚度53.41 m。

4)第四系(Q)。主要由沖洪積礫石、砂、含礫亞砂土組成，揭露厚度18.27 m。

依據(jù)巖性組合特征、地層富水性及導(dǎo)水裂隙帶將井田共劃分了八個(gè)含(隔)水層。其主要含水層如下：

1)新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫層。分布于沖溝和現(xiàn)代河床之中，主要由沖洪積礫石、卵石、砂礫組成，分選性差。地下水以孔隙潛水的形式賦存于沖洪積層中，主要接受河溝水的滲漏補(bǔ)給，為孔隙潛水含水層。該段地層在開孔時(shí)，由于卵礫石的影響鉆進(jìn)非常困難，易出現(xiàn)塌孔和埋鉆事故。

2)中侏羅統(tǒng)西山窯組含水層。出露于工作區(qū)的南部，將其細(xì)分為兩個(gè)含水段：①中侏羅統(tǒng)西山窯組上段含水段。主要由礫巖、粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖組成，厚度113.69～300.25m。該段上部主要以泥巖、粉砂巖為主，夾砂巖、礫巖透鏡體，為相對(duì)隔水層。含水層主要由其底板粗砂巖、砂礫巖組成，為孔隙式膠結(jié)，透水性較好，為間接充水含水層。②中侏羅統(tǒng)西山窯組下段含(隔)水段。巖性主要由粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及煤組成，厚度69.90～202.79m。含水層與隔水層以互層的形式組成。其中隔水層巖性主要以泥巖、粉砂巖為主，而含水層巖性主要以粗砂巖、砂礫巖為主，孔隙式膠結(jié)，少量泥質(zhì)填隙，透水性較好。此含水段主要接受河溝水、大氣降水(雪融水)順層補(bǔ)給。富水性好，透水性強(qiáng)。

2 鉆孔設(shè)計(jì)及施工

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Schematic diagram of borehole configuration

2.2 施工情況

根據(jù)新疆呼圖壁縣葦子溝煤礦勘探情況，該礦區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組含水層富水性較強(qiáng)，對(duì)煤炭開采危害很大。在煤田勘探階段施工的3個(gè)水文孔因?yàn)橛克┕るy度較大，采用的是注水試驗(yàn)方法，根據(jù)注水試驗(yàn)成果劃分井田含水層富水性強(qiáng)弱，可信度較低，無法滿足礦井初步設(shè)計(jì)對(duì)水文地質(zhì)勘探的要求。鑒于此種情況，我們受業(yè)主方委托，對(duì)該礦區(qū)開展了水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作，共施工了三個(gè)水文孔：水補(bǔ)1、水補(bǔ)2、水觀孔，總工程量約1 530m，以查明西山窯組可采煤層含水層的富水性、流場特征及含水層間的水力聯(lián)系。水補(bǔ)1、水補(bǔ)2二個(gè)鉆孔在施工過程中都不同程度出現(xiàn)了涌水情況，其中，水補(bǔ)1孔涌水量最大。水補(bǔ)1、水補(bǔ)2二個(gè)鉆孔的抽水層位均為西山窯組B5煤層上下各一次。

2.2.1 鉆進(jìn)方法

全孔全部采用回轉(zhuǎn)式鉆進(jìn)，中侏羅統(tǒng)頭屯河組以上采用沖洗液鉆進(jìn)，其余地層用清水鉆進(jìn)。鉆孔自中侏羅統(tǒng)頭屯河組以上無巖心鉆進(jìn)，以下取心鉆進(jìn)。采用牙輪鉆頭或PDC無心鉆頭鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)時(shí)采用單管取心器取心鉆進(jìn)。

沖洗液配制：清水+膨潤土(6%)+高黏纖維素H-CMC(1%)+聚丙烯酰胺PHP(0.3%)+廣譜護(hù)壁劑GSP(2%)+燒堿NaOH(0.5%)+純堿Na2CO3(1%)。沖洗液性能：漏斗黏度20～25s(第四系松散層提高至50s)，失水量10～20mL/30min，膠體率>96%，pH值8.5～10，密度1.03～1.15g/cm3，泥皮厚度<1mm，含砂量小于4%。

2.2.2 鉆進(jìn)過程中遇到的難題

在水補(bǔ)1孔鉆進(jìn)到中侏羅統(tǒng)西山窯組,孔深104m時(shí)開始出現(xiàn)涌水，涌水量約為18m3/h，隨著鉆孔深度的增加，涌水量也逐漸增加。當(dāng)鉆進(jìn)至孔深265m的粗砂巖時(shí)，涌水量增大至最高53m3/h。經(jīng)測量，涌水水頭高度高出地表12.47m。在提鉆時(shí)，地下水從孔口噴出達(dá)到鉆塔天車高度，曾有一次直接將鉆具頂出來，撞到提升大鉤上，將鉆具頂彎。

由于鉆孔涌水，沖洗液循環(huán)體系被完全破壞，在侏羅系頭屯河組有一層砂礫巖由于失去沖洗液的護(hù)壁作用，出現(xiàn)潰砂和塌孔現(xiàn)象，導(dǎo)致孔內(nèi)復(fù)雜情況時(shí)有發(fā)生，曾兩次出現(xiàn)卡鉆事故。后來，在沖洗液中加入重晶石粉，提高沖洗液密度至1.2g/cm3，但是，隨著沖洗液的不斷循環(huán)，沖洗液重新被地層的涌水稀釋，由于沖洗液壓力降低，再次發(fā)生涌水情況，通過不斷往鉆井液中加入重晶石粉，只能維持很少一段時(shí)間，問題不能得到很好解決。

在進(jìn)井場施工時(shí)，使用的是TXB-1000A型老式立軸鉆機(jī)。該型鉆機(jī)依靠鉆具自身質(zhì)量進(jìn)行加壓鉆進(jìn)。由于鉆孔涌水量較大，涌水在水頭壓力的作用下，對(duì)鉆具的浮力甚至超過了鉆具的質(zhì)量，導(dǎo)致鉆頭加不上壓，極大降低了鉆進(jìn)速度。

2.3 復(fù)雜情況處理措施

2.3.1 解決思路

由于該鉆孔為水文孔，需要對(duì)涌水層段進(jìn)行抽水試驗(yàn)。為了保證獲得真實(shí)、可靠的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)該保持涌水層段的原始狀態(tài)，采取的技術(shù)處理措施不能對(duì)涌水層造成傷害，只能在現(xiàn)有的情況下進(jìn)行頂水鉆進(jìn)，等涌水層段鉆穿，做完抽水試驗(yàn)后，再注入水泥漿對(duì)含水層進(jìn)行封堵，這樣可以充分避免抽水試驗(yàn)含水層與下部含水層在進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)發(fā)生混合，影響抽水試驗(yàn)結(jié)果。由于含水層處于涌水狀態(tài)，注水泥漿時(shí)，如果用直接泵注的方式，水泥漿會(huì)被水流沖出孔口，導(dǎo)致注漿無法進(jìn)行。解決措施可以使用封閉孔口，用注漿泵高壓注入的方式，水泥漿的注入量應(yīng)保證水泥凝固后形成的水泥環(huán)強(qiáng)度大于涌水地層的水壓[14-15]。

2.3.2 處理過程

為了解決涌水導(dǎo)致鉆頭加不上壓的問題，將原來的TXB-1000A鉆機(jī)替換為XY-44型液壓鉆機(jī)。這種鉆機(jī)可以使用液壓動(dòng)力頭對(duì)鉆具加壓，保證了鉆進(jìn)效率。

在地層不穩(wěn)定的砂礫層孔段，用Ф190mm牙輪鉆頭對(duì)Ф133mm孔徑進(jìn)行擴(kuò)孔，下入Ф159mm套管對(duì)該復(fù)雜地層進(jìn)行隔離，這樣就保證了孔內(nèi)安全。

為了減少在起下鉆過程中鉆具浮力過大的問題，將原來的繩索取心S95mm鉆具，更換為Ф50mm鉆桿+Ф68mm鉆鋌+Ф89mm鉆鋌+Ф89mm巖心管+Ф133mm取心鉆頭的普通取心鉆具組合。這樣不僅增加了鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙，減小了鉆具浮力，而且也增加了鉆具自身的質(zhì)量，解決了在起下鉆時(shí)涌水直接將鉆具頂起來的問題。同時(shí)，在孔口安裝了一個(gè)“三通”分水器，使涌水直接在孔口流出，避免了孔口噴水對(duì)作業(yè)人員的影響。

鉆穿上部西山窯組含水地層第一層段后，由于涌水地層沒有受到?jīng)_洗液侵染的特點(diǎn)，省去了洗井這一環(huán)節(jié)，可以直接進(jìn)行抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)使用200QJ80/120型潛水電泵，用最大泵量試抽時(shí)，水位下降只有3.75m，不能很好滿足三次降深抽水試驗(yàn)要求，只好改為放水試驗(yàn)。

在完成西山窯組含水層第一層段放水試驗(yàn)后，還要對(duì)西山窯組第二層段做抽水試驗(yàn)，因此需要對(duì)西山窯組第一層段進(jìn)行堵水，以防止兩個(gè)含水地層在抽水試驗(yàn)時(shí)發(fā)生混合。

堵水材料使用水泥砂漿。配制方法：水泥∶砂子∶水=1∶1∶0.7。注漿方法：將Ф73mm注漿管下入到涌水地層頂部位置，深度約為103m，然后用法蘭盤將Ф73mm注漿管與Ф219mm表層套管進(jìn)行連接密封。注漿管路在孔口位置安裝閥門。水泥砂漿配制時(shí)安裝兩級(jí)攪拌箱，使用注漿泵將水泥砂漿注入孔內(nèi)。鉆孔注漿示意圖見圖2所示。

為了加快水泥凝固時(shí)間，在水泥砂漿攪拌過程中，按照質(zhì)量比例，分別加入0.5%的食鹽和0.05%的三乙醇胺。注水泥砂漿完畢后，注入清水將注漿管路內(nèi)的水泥砂漿全部替換完畢。然后，迅速關(guān)閉孔口閥門，憋壓候凝。候凝時(shí)間達(dá)到24h后，打開孔口閥門，開泵注入清水進(jìn)行試壓檢驗(yàn)堵涌效果，試壓壓力為7MPa并保持30min，壓力下降不超過0.5MPa，說明涌水被完全止住(圖2)。

圖2 鉆孔注漿示意Figure 2 Schematic diagram of borehole grouting

2.4 施工效果

對(duì)西山窯組B5底板以上涌水地層做完抽水試驗(yàn)，用封閉注漿工藝進(jìn)行堵涌后，下入Ф127mm止水套管并固井后，水泥漿候凝時(shí)間72h，下入鉆具進(jìn)行探孔，孔內(nèi)水泥塞高度為27m，掃開孔內(nèi)水泥塞，提出掃孔鉆具后在管內(nèi)注滿清水，連續(xù)觀測4h，發(fā)現(xiàn)液面下降0.6cm/h，證明止水質(zhì)量合格，完全達(dá)到質(zhì)量技術(shù)要求。說明該工藝應(yīng)用效果顯著，很好解決了鉆孔涌水的問題。

3 結(jié)語

1)由于含水地層涌水會(huì)破壞原來的沖洗液循環(huán)體系，如果上部有水敏性不穩(wěn)定地層，容易造成坍塌掉塊等孔內(nèi)復(fù)雜情況發(fā)生，因此，在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，宜在該段下入套管。

2)在對(duì)涌水地層進(jìn)行注漿封堵時(shí)，應(yīng)首先確定封堵層段，精確計(jì)算注漿量，注漿時(shí)先做配比試驗(yàn)，以保證水泥砂漿凝固后的強(qiáng)度。注漿時(shí)采用封閉孔口注漿，以防止水泥砂漿被涌水沖釋。注漿過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，禁止中途中斷，以防止水泥在注漿管路中凝結(jié)。在水泥完全凝固打開孔口密封法蘭盤時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)孔口仍有少量水流出，可以重新安裝注漿管路進(jìn)行補(bǔ)注，以滿足涌水完全被堵住為止。

3)在含有卵礫石層的地層的鉆孔施工時(shí)，可以使用此工藝技術(shù)進(jìn)行高壓注漿加固，以防止卵礫石層坍塌掉塊的情況發(fā)生。