巖土工程地質(zhì)勘查中水文工程地質(zhì)問(wèn)題研究

李成林,羅其海,敖書(shū)賽

(湖北省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì),湖北 恩施 445000)

0 引言

隨著巖土工程數(shù)量與規(guī)模的不斷提升,對(duì)巖土工程地質(zhì)勘查環(huán)節(jié)也提出了更高的要求。水文工程作為地質(zhì)勘查中的關(guān)鍵組成部分,與整體勘查之間有著緊密的關(guān)聯(lián)性,故在巖土工程施工前必須做好水文工程的地質(zhì)勘查,對(duì)工程所在地區(qū)的水文環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)高效的分析,明確工程地區(qū)環(huán)境基礎(chǔ),為后續(xù)施工建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的保障。針對(duì)不同的水文工程地質(zhì)問(wèn)題,應(yīng)制定不同的解決方案,明確施工技術(shù)及流程。巖土工程地質(zhì)勘查是針對(duì)工程項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)展的位置進(jìn)行地質(zhì)條件的調(diào)查勘測(cè),分析其中存在的地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)可能給工程項(xiàng)目造成的負(fù)面影響進(jìn)行分析,為工程施工建設(shè)提供基礎(chǔ)保障[1],工作內(nèi)容比較復(fù)雜,包括地質(zhì)測(cè)繪與勘探、土樣試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及原位測(cè)試等,涉及水文地質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)、工持地質(zhì)及巖土力學(xué)等知識(shí),需要結(jié)合工程地區(qū)的實(shí)際情況制定完善的科學(xué)方案。

以某巖土地質(zhì)勘查工程為例,指出了其中的水文工程地質(zhì)問(wèn)題,明確地區(qū)礦區(qū)儲(chǔ)量及上部含水層的水文地質(zhì)環(huán)境,利用水文地質(zhì)鉆探及降壓試驗(yàn)等手段進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析,對(duì)礦層厚度及頂?shù)装逦恢们闆r進(jìn)行探究,為礦區(qū)儲(chǔ)量計(jì)算分析提供數(shù)據(jù)支持,為地質(zhì)環(huán)境的勘測(cè)評(píng)價(jià)提供支持。

1 水文工程特征要求及難點(diǎn)

1.1 地質(zhì)特征與要求

工程鉆探設(shè)計(jì)及底層結(jié)構(gòu)特征情況如表1所示。

表1 鉆探設(shè)計(jì)及底層結(jié)構(gòu)特征情況Tab.1 Drilling design and underlying structure characteristics

工程地質(zhì)要求如下:①水文地質(zhì)勘查的主要目的是第7組鉆進(jìn)施工結(jié)束后進(jìn)行降壓試驗(yàn),在獲得水文地質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)后再展開(kāi)礦層鉆進(jìn)施工。②孔深設(shè)計(jì)為950 m,淺部碳酸巖層孔段的孔徑控制在φ21.9 cm以上,下管進(jìn)行止水處理。第7組孔段的孔徑控制在φ12.2 cm以上,最終孔的孔徑控制在φ7.5 cm以上,控制鉆孔的彎曲度在1°/100 m以下。各礦層進(jìn)行連續(xù)取芯操作。③地質(zhì)勘察段的采取率控制在70%以上,取芯率控制在85%以上,礦層底板與頂部的3～5 m對(duì)應(yīng)的取芯率控制在80%以上。

1.2 施工難點(diǎn)

礦層上部孔段深度與孔徑較大,鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙較大,鉆桿在運(yùn)行過(guò)程中容易發(fā)生折斷問(wèn)題,需要利用復(fù)合型鉆進(jìn)工藝技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)施工,其中包括繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)、牙輪/PDC鉆頭鉆進(jìn)技術(shù)及空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)等。水文工程勘察與底層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,深度及孔徑較大,對(duì)于取芯率要求較高,利用單一的巖芯鉆機(jī)或水井鉆機(jī)無(wú)法保障工程施工需求。工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜,工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高,需要鉆孔結(jié)構(gòu)具有多級(jí)變徑功能。

2 水文工程案例分析

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)與鉆探設(shè)備

鉆孔結(jié)構(gòu)。依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)要求與水文工程地質(zhì)勘查、鉆進(jìn)揭露底層結(jié)構(gòu)及巖土工程地質(zhì)勘查施工規(guī)范等內(nèi)容,選用的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Borehole structure

地表管深度控制在0～9.17 m,孔徑設(shè)計(jì)為φ31.1 cm,主要功能是打通第四系結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)定巖層,鉆進(jìn)深度在3.17 m內(nèi),下部直徑φ為27.3 cm×0.6 cm的套管,使用水泥進(jìn)行止水固結(jié)處理。一開(kāi)深度控制在9.17～325.94 m,孔徑設(shè)計(jì)為φ24.5 cm,主要功能是鉆進(jìn)第4組的粉砂巖隔水層結(jié)構(gòu),鉆進(jìn)深度在5.94 m范圍內(nèi),下部直徑φ為21.9 cm×1 cm的型號(hào)為J55的石油套管,使用水泥材料進(jìn)行止水固結(jié)處理,避免上部巖層裂縫中的水流進(jìn)孔內(nèi),對(duì)勘查目的層結(jié)構(gòu)的水文地質(zhì)參數(shù)造成干擾。二開(kāi)深度控制在325.94～882.85 m,孔徑設(shè)計(jì)為φ17.8 cm,主要功能是鉆進(jìn)第6組的頁(yè)巖結(jié)構(gòu),進(jìn)而進(jìn)入第七組白云巖結(jié)構(gòu),鉆進(jìn)深度在9 m范圍內(nèi),下部直徑φ為14.6 cm×0.75 cm的型號(hào)為J55的石油套管,使用水泥材料進(jìn)行固井護(hù)壁處理。三開(kāi)深度控制在882.85～985.43 m,孔徑設(shè)計(jì)為φ12.5 cm,鉆進(jìn)深度達(dá)到985.43 m時(shí)展開(kāi)洗井處理及降壓試驗(yàn)。四開(kāi)深度控制在985.43～996.16 m,主要功能是為取芯技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)操作,孔徑設(shè)計(jì)為φ11.4 cm。五開(kāi)深度控制在996.16～1065 m,主要功能是為繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)操作,孔徑設(shè)計(jì)φ7.75 cm。

鉆探設(shè)備。利用XY6鉆機(jī)與TSJ2000鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)施工,最大鉆進(jìn)深度分別為1500 m、2000 m。其余輔助設(shè)備如下:型號(hào)為BW-500和BW-320的泥漿機(jī)各1臺(tái);型號(hào)為壽力1400和XHP1170的空壓機(jī)共3臺(tái);型號(hào)為BW250的泡沫泵1臺(tái);規(guī)格為150 kW和200 kW的發(fā)電機(jī)組各1臺(tái);型號(hào)為HS27-75的鉆塔1部。

2.2 施工六法及參數(shù)

牙輪鉆進(jìn)施工,表層段的深度在9.17 m左右,主要利用直徑為31.1 cm的牙輪鉆頭進(jìn)行施工。

一開(kāi)段的深度在9.17～320 m,主要為灰?guī)r與白云巖,具有巖溶裂縫相對(duì)發(fā)育且含水量較高的特點(diǎn)。為了保證施工效果,提高鉆孔速度,防止因裂縫因素導(dǎo)致井漏問(wèn)題,利用直徑為24.5 cm的空氣潛孔錘進(jìn)行鉆進(jìn)施工,利用2臺(tái)或3臺(tái)空壓機(jī)(功率為2.4 MPa)進(jìn)行組合送風(fēng),利用塔式鉆具進(jìn)行輔助施工[2],具體鉆進(jìn)參數(shù)如下:鉆孔速度為48 r/min;送風(fēng)量為66 m3/min或99 m3/min(結(jié)合施工時(shí)的具體情況合理選擇),風(fēng)壓控制在1.1～2.4 MPa,鉆進(jìn)壓力控制在10～20 kN。

二開(kāi)段的深度為325.94～882.85 m,主要為具有較高的水敏性及孔壁穩(wěn)定性能較差的泥巖、粉砂巖及碳質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu),利用直徑為17.78 cm的PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工,利用具有較強(qiáng)抑制性及防塌性能的聚合物進(jìn)行護(hù)壁處理,具體配方如下:純堿1500～2000 g、水1 m3、包被劑2000～2500 g、鈉土粉40～50 kg、無(wú)熒光防塌潤(rùn)滑劑3000 g、銨鹽2500 g[3]。性能指標(biāo)如下:密度控制在1.04～1.06 g/cm3,黏度控制在35～40 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。利用塔式鉆具展開(kāi)組合防斜處理,具體鉆進(jìn)參數(shù)為:鉆進(jìn)壓力控制在20～40 kN,鉆進(jìn)速度控制在48 r/min,泵量控制在14 L/s。

三開(kāi)段的深度為882.85～985.43 m,是本工程中的主要勘查段,主要使用直徑為12.5 cm的PDC鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工。巖層結(jié)構(gòu)為孔壁穩(wěn)定性相對(duì)良好、局部結(jié)構(gòu)裂縫相對(duì)發(fā)育的白云巖。為了避免鉆井液導(dǎo)致來(lái)水通道系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞,降低洗井操作難度,選擇使用低至無(wú)固相鉆井液,配方如下:純堿1000 g、水1 m3、高黏度羧甲基纖維素CMC 4000～5000 g、鈉土粉10～15 kg、聚丙烯酰胺PAM 2500 g。性能指標(biāo)如下:密度控制在1.01～1.02 g/cm3,黏度控制在32～35 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。

四開(kāi)段和五開(kāi)段為本工程的最終勘查段,巖層結(jié)構(gòu)具有破碎性、硬脆性,對(duì)于采芯率要求比較高。為保證巖層采芯率能夠達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)要求,采用高強(qiáng)度的石油套管束縛支撐工藝與繩索取芯鉆進(jìn)施工技術(shù)相結(jié)合的方法。

高強(qiáng)度石油套管束縛支撐。工程選用金剛石+繩索取芯鉆進(jìn)施工技術(shù),為保證技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果,需要對(duì)上部大口徑井眼進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整變動(dòng),使其與繩索取芯施工要求的小口徑井眼相契合,從而保證鉆桿在高速鉆進(jìn)施工時(shí)具有良好的安全性與穩(wěn)定性[4]。利用具有較高抗折斷性能及抗拉斷性能的束縛支撐管柱,其主要由高強(qiáng)度的扶正支撐和N80級(jí)別的石油套管組成,石油套管直徑為9.5 cm×0.65 cm,套管接箍直徑為10.8 cm,內(nèi)徑為8 cm,孔壁間隙與套管接箍之間的焊接應(yīng)保證尺寸合適,能夠?qū)χ窝b置起到有效的扶正作用,確保管柱的穩(wěn)定性與居中性?？卓诠芘c鋼板托盤之間焊接良好,不出現(xiàn)漏縫問(wèn)題,避免其他雜物進(jìn)入其中對(duì)鉆進(jìn)施工造成影響。具體情況如圖2所示。

圖2 套管束縛支撐Fig.2 Casing shackle support

繩索取芯鉆進(jìn)。繩索取芯鉆進(jìn)設(shè)備為HXY6型巖芯鉆機(jī)和BW320泥漿機(jī),繩取鉆桿直徑為7.1 cm,鉆具為S75型單動(dòng)雙管,鉆頭為金剛石。在鉆進(jìn)施工時(shí),將鉆進(jìn)效率控制在1.1 m/h,每日鉆進(jìn)尺達(dá)到12 m左右,與傳統(tǒng)的鉆進(jìn)施工相比顯著提高了鉆進(jìn)效率,降低了人工作業(yè)強(qiáng)度。鉆取的巖芯為柱狀結(jié)構(gòu),如圖3所示[5]。礦層采芯率為95%～99%,礦層底板與頂部采芯率為89%～99%,與工程設(shè)計(jì)要求相符。

圖3 柱狀巖芯Fig.3 Cylindrical core

3 施工效果分析

工程最終鉆進(jìn)深度達(dá)到1065 m左右,全面鉆進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到985 m左右,鉆芯取尺約為80 m。工程施工周期80 d,臺(tái)月效率約為400 m/月?？諝鉂摽族N的鉆進(jìn)進(jìn)尺約為317 m,平均鉆井速度達(dá)到7.9 m/h,與常規(guī)鉆進(jìn)方法相比提升了10倍的鉆進(jìn)效率。而鉆進(jìn)施工過(guò)程中的成本與效率因素受到涌水情況的明顯影響,涌水量約為90 m3/h。PDC鉆頭鉆進(jìn)施工,二開(kāi)進(jìn)尺約為557 m,平均鉆進(jìn)速度達(dá)到1.4 m/h左右。三開(kāi)進(jìn)尺約為102 m,平均鉆井速度達(dá)到0.46 m/h。主要原因是硅質(zhì)結(jié)構(gòu)影響導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低下。高強(qiáng)度的石油套管束縛支撐與繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)解決了施工中存在的上部孔徑大及孔徑不匹配等問(wèn)題,保障了取芯鉆進(jìn)施工的安全性。金剛石鉆進(jìn)施工進(jìn)尺約為69 m,平均鉆進(jìn)速度達(dá)到1.1 m/h,大幅度提高了鉆進(jìn)施工質(zhì)量及效率[6]。

在水文工程地質(zhì)勘查時(shí)需進(jìn)行兩次降壓試驗(yàn),保證施工具有良好的止水及固井效果,提升了水文工程地質(zhì)參數(shù)的真實(shí)性及精準(zhǔn)性,使各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均符合巖土工程地質(zhì)勘測(cè)的需求。本工程的鉆進(jìn)施工孔斜為7.9°,鉆孔傾斜角的變化率為0.74°/100 m,與工程設(shè)計(jì)要求相契合。