多節(jié)取粉管結(jié)合跟管鉆進(jìn)在龍川江盆地涌水鉆孔施工過程中的應(yīng)用

姚海平，李柏軍，孫澤軒，張亮，鄒亞輝

（1.核工業(yè)二八〇研究所，四川 廣漢 618300；2.中國核工業(yè)地質(zhì)局，北京 100013；3.核工業(yè)二四〇研究所，沈陽 110000）

1 引言

在鉆探施工過程中，遇涌水鉆孔可能導(dǎo)致鉆孔孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故，并給施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，涌水鉆孔施工一直是鉆探施工業(yè)界亟待解決的技術(shù)難題[1-3]。砂巖型鈾礦獨(dú)特的成礦作用要求含礦含水層上、下具有穩(wěn)定的隔水層。特別是滇西地區(qū)新生代盆地蓋層地下水特別豐富，由于含礦含水層上下具有穩(wěn)定的隔水層，含礦含水層中的地下水多為承壓水，鉆遇含礦含水層時(shí)可能形成涌水鉆孔，給鉆探施工帶來很大的困難。2019 年，筆者所在單位在滇西龍川江盆地砂巖型鈾礦鉆探施工過程中，總共施工鉆孔20 個(gè)，遇涌水鉆孔16 個(gè)，涌水鉆孔占施工總鉆孔數(shù)的80%。施工期間，采用了多節(jié)取粉管結(jié)合跟管鉆進(jìn)，圓滿地完成了年度生產(chǎn)任務(wù)。在此，本文對(duì)在涌水鉆孔施工過程中采用的多節(jié)取粉管結(jié)合跟管鉆進(jìn)方法進(jìn)行總結(jié)，以期對(duì)在鉆探施工過程中遇涌水鉆孔的相關(guān)人員有所啟發(fā)。

2 施工區(qū)概況

2.1 地質(zhì)概況

龍川江盆地基底與蝕源區(qū)由中元古界高黎貢山群（Pt2Gl.）中—深變質(zhì)巖系、古生界石炭系（C）淺變質(zhì)巖系與燕山早期、喜山期花崗巖（γ52、γ6）組成；蓋層由新近系上新統(tǒng)芒棒組（N2m）陸相碎屑巖系、第四系全新統(tǒng)（Q4）松散砂礫層與新生界火山巖（N2β、N2α）組成[4-5]。

芒棒組是該盆地砂巖型鈾礦的找礦目的層[6]。根據(jù)鉆探揭露，芒棒組可劃分出4 個(gè)大的含水層和4 個(gè)大的隔水層（見圖1、圖2）。其中，第一、第二、第三含水層為承壓水。

圖1 龍川江盆地某X 號(hào)勘探線水文地質(zhì)剖面示意圖

圖2 龍川江盆地水文地質(zhì)旋回及含水層、隔水層劃分示意圖

2.2 巖石物理機(jī)械性質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)設(shè)計(jì)書，鉆遇地層由上至下依次為上新世第二期玄武巖和芒棒組灰白、褐黃色塊狀礫巖、砂礫巖、砂巖與粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖互層。各地層的可鉆性巖石物理機(jī)械特性和分級(jí)見表1。

表1 巖石物理機(jī)械特性和分級(jí)表

3 涌水鉆孔施工特征及產(chǎn)生的隱患

1）鉆孔施工發(fā)生涌水，有下列3 個(gè)特征：（1）泥漿稀釋，泥漿返漿時(shí)突然變稀、返漿量增加；（2）進(jìn)尺變化，回次進(jìn)尺突然增加；（3）泵壓增加，泥漿泵壓力表讀數(shù)驟然升高，同時(shí)返漿泥漿稀釋。

2）涌水鉆孔施工可能出現(xiàn)的隱患有以下5 種情況：（1）鉆具底部懸空，造成跟管鉆頭脫落；（2）孔低松散時(shí)，造成套管下滑脫落；（3）大量沉砂、巖粉沉淀于孔底；當(dāng)涌水量過大時(shí)，在砂卵石層容易造成泥漿循環(huán)不暢通、泵壓瞬間增高，造成泥漿管憋爆、導(dǎo)致孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等事故；（4）涌量過大時(shí)，在砂卵石層容易造成套管斷裂；（5）水頭過高，影響機(jī)長操作視覺，導(dǎo)致操作失誤。

4 涌水孔處理關(guān)鍵技術(shù)、處理方案及作用

4.1 多節(jié)取粉管鉆進(jìn)

當(dāng)涌水量大、水頭高，有大量巖粉沉淀，無法成孔時(shí)，采取鉆孔涌水泄壓工序，觀察涌水水頭高度，當(dāng)無水頭高度時(shí)，采用多級(jí)取粉管打撈孔內(nèi)巖粉（見圖3）。取粉管上端接一個(gè)反絲鉆頭，與孔底的正絲鉆頭外徑一致，成反方向?qū)α?，以便撈取巖粉時(shí)有足夠的容納空間。穿過沉淀巖粉層后采取套管隔離，換徑繼續(xù)鉆進(jìn)。

圖3 多節(jié)取粉管鉆進(jìn)打撈孔內(nèi)巖粉示意圖

4.2 跟管鉆進(jìn)

跟管鉆進(jìn)施工工藝是處理常規(guī)無法正常進(jìn)行施工鉆孔（鉆進(jìn)）的一種特殊鉆探工藝手段。由于跟管鉆探施工鉆進(jìn)工藝的形式多樣化，且適用的地層條件和施工工藝各不相同[7-9]。其主要原理為，一邊向下鉆進(jìn)一邊跟進(jìn)下入套管，通過下放的套管及時(shí)保護(hù)孔壁，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地層，確保成孔質(zhì)量（見圖4）。

圖4 跟管鉆進(jìn)流程示意圖

圖5 涌水取心鉆進(jìn)示意圖

圖6 跟管鉆進(jìn)示意圖

當(dāng)采用多級(jí)套管隔離多層地下水時(shí)，其鉆井液循環(huán)路徑和涌水路徑如圖7 所示，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖7 涌水分流示意圖

圖8 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

5 涌水孔處理工藝實(shí)例

本文以龍川江盆地ZK37-27 涌水鉆孔施工為例，對(duì)涌水鉆孔處理工藝流程簡述如下。

5.1 ZK37-27 涌水孔的特征

ZK37-27 號(hào)鉆孔，設(shè)計(jì)孔深390 m，終孔孔徑大于90 mm。2019 年4 月13 日開孔，4 月27 日終孔，施工周期為15 d。

在施工過程中鉆遇4 層涌水段，由于孔內(nèi)有涌砂現(xiàn)象，在涌水鉆孔施工過程中采用了多節(jié)取粉管打撈孔內(nèi)巖粉結(jié)合跟管鉆進(jìn)的鉆探施工工藝，達(dá)到了成孔的目的。為該地區(qū)涌水孔鉆探施工提供了工藝參考，涌水段涌水量、流量、滲透系數(shù)及孔內(nèi)情況統(tǒng)計(jì)見表2，涌水鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)如圖9 所示。

圖9 ZK37-27 號(hào)鉆孔涌水施工現(xiàn)場(chǎng)

表2 ZK37-27 鉆孔涌水情況統(tǒng)計(jì)表

5.2 涌水孔鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮龍川江盆地地層和巖性的特征，采用多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際適時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)方案。初步確定鉆孔結(jié)構(gòu)如圖8 所示，使用φ130 mm 合金鉆頭開孔并鉆進(jìn)，鉆穿覆蓋層后下入φ127 mm 套管，涌水段采用φ110 mm 復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，鉆穿涌水段，揭露到穩(wěn)定的隔水層或不承壓的砂巖后下φ108 mm套管，后續(xù)采用φ94 mm 復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

5.3 鉆井液配置

鉆穿含水層時(shí)，傳統(tǒng)加重鉆井液無法滿足施工要求，同時(shí)涌水段鉆井液泥漿已被承壓水稀釋。因此，在涌水段施工時(shí)，采用清水代替鉆井液鉆進(jìn)。在鉆穿涌水段下入隔水套管后，完成孔內(nèi)涌水與鉆井液分離，再使用常規(guī)鉆井液泥漿鉆進(jìn)。

5.4 涌水孔施工流程

根據(jù)涌水孔ZK37-27 的施工情況，施工過程大體分成以下4 個(gè)階段。

5.4.1 第一階段：0～60 m（第一層涌水層）

跟管鉆具組合：φ130 mm 金剛石鉆頭（無內(nèi)徑）+φ127 mm跟管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動(dòng)鉆桿+水龍頭。

取心鉆具組合：φ110 mm 單管取心復(fù)合片鉆頭+φ89 mm巖心管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動(dòng)鉆桿+水龍頭。

由于該階段孔內(nèi)無涌砂現(xiàn)象，暫時(shí)不配置多節(jié)取粉管鉆具。

工藝流程：鉆穿覆蓋層，為確保孔壁穩(wěn)定，采用φ130 mm無內(nèi)徑跟管鉆頭，下φ127mm 第一層套管并固定，采用φ110 mm取心鉆具施工至46 m 時(shí)，地層出現(xiàn)涌水；起拔巖心鉆具，采用上述φ130 mm 跟管鉆進(jìn)并擴(kuò)孔至46 m 固定φ127 mm 套管，然后采用φ110 mm 取心鉆具施工至60 m；起拔巖心鉆具，采用上述φ130 mm 跟管鉆進(jìn)并擴(kuò)孔至60 m 固定φ127 mm 套管，套管內(nèi)部基本停止涌水，孔內(nèi)無沉淀巖粉。根據(jù)取出的巖心判斷地層基本穩(wěn)定，停止φ130 mm 跟管鉆進(jìn)施工。此時(shí)，φ127 mm套管外側(cè)與孔壁之間存在涌水現(xiàn)象，按照上述隔離措施將鉆井液和涌水分流，再進(jìn)行正常取心鉆進(jìn)。

5.4.2 第二階段：涌水層鉆具組合

涌水層鉆具組合：60～152 m，第二至四層涌水層鉆具組合如圖10 所示。

圖10 第二至四層涌水層鉆具組合示意圖

工藝流程：采用φ110 mm 鉆頭正常鉆進(jìn)至92 m 時(shí)，孔內(nèi)再次出現(xiàn)第二層涌水，水量大，孔內(nèi)伴隨著大量粉砂涌出，防止孔壁坍塌，決定再次采用跟管鉆進(jìn)方法施工，下入上述φ108 mm跟管鉆具至92 m 涌水段并固定套管，此時(shí)需注意第二層套管要高出第一層套管20～30 cm，更換φ94 mm 取心鉆具進(jìn)行取心施工，按照第一階段跟管鉆進(jìn)施工工藝施工，在施工至100 m時(shí)，涌水量趨于平穩(wěn)，孔內(nèi)沉砂太多，采用φ110 mm/φ94 mm多節(jié)取粉管打撈巖粉鉆具組合，反復(fù)打撈孔內(nèi)沉沙。后續(xù)在110～134 m 出現(xiàn)第三層涌水，孔內(nèi)涌砂，重復(fù)以上工序；鉆遇143～152 m 出現(xiàn)第四層涌水，將φ108 mm 跟管鉆具至155 m巖心完整具有一定的硬度，此刻停止跟管鉆進(jìn)，隨后，采用φ94 mm 取心鉆具進(jìn)行正常取心鉆進(jìn)。

5.4.3 第三階段：155 m 至終孔（無涌水段）

鉆具組合：φ94 mm 復(fù)合片取心鉆頭+φ89 mm 單管巖芯管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動(dòng)鉆桿+水龍頭。

工藝流程：下入上述雙層隔水套管后，鉆井液使用重金石粉調(diào)配泥漿，添加纖維素、植物膠等處理劑，保持黏度在30 s以上以便懸浮重晶石粉，泥漿比重從1.1 增加至1.8～2.3 左右（即每立方米泥漿添加5～10 kg 重晶石粉），后續(xù)施工至終孔較為順利，在未出現(xiàn)其他異常情況。

5.4.4 第四階段：封孔

待終孔測(cè)井后，對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔。采用套管封堵法，將鉆桿下到孔底，計(jì)算好涌水與孔低的距離，注入水泥漿和水玻璃的混合物，然后拔出孔內(nèi)全部套管。加工一根3 m 以上廢舊套管，套管上焊接變頭，連接兩個(gè)單項(xiàng)閥門，制成雙球閥套管接箍裝置（見圖11），將廢舊套管埋入孔內(nèi)，周圍填入軟膠帶至下端，用水泥漿將管材與孔壁固結(jié)。將加工好的閥門與泥漿泵連接，控制好泵壓、計(jì)算好水泥量及水玻璃的比例，開始注入水泥漿和水玻璃的混合物，注入完成后關(guān)閉其中一個(gè)閥門，每隔5～7 s 觀察靜止水位狀態(tài)，等待凝結(jié)。待水泥凝固后，卸掉特制雙球閥套管接箍，封孔工作結(jié)束。

圖11 雙球閥套管接箍

5.5 涌水孔施工注意事項(xiàng)

套管接箍絲扣要牢固防止退扣脫落；跟管鉆進(jìn)負(fù)荷回轉(zhuǎn)增加困難時(shí)，應(yīng)低速慢進(jìn)，還需考慮套管外部受阻（如孔壁掉塊）；定做套管時(shí)，根據(jù)鉆孔需求制作不同口徑、長短不一的規(guī)格型號(hào)套管，方便跟管鉆進(jìn)，加減套管；在孔內(nèi)沉砂、巖屑堵塞，采用級(jí)配匹配的多節(jié)取粉管打撈孔內(nèi)巖粉；封孔時(shí)隨時(shí)關(guān)注鉆井液泵壓力表，核算壓力值，防止壓力過高、造成意外傷害事故發(fā)生。

6 結(jié)語

1）采用多節(jié)取粉管打撈涌水孔內(nèi)巖粉，可保持孔底清潔，防止卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

2）采用跟管鉆進(jìn)，通過多層套管將地下水與泥漿分離，保護(hù)泥漿質(zhì)量不被地下水破壞，提高了鉆孔成孔質(zhì)量。

3）運(yùn)用多節(jié)取粉管結(jié)合跟管鉆進(jìn)在龍川江盆地進(jìn)行涌水鉆孔施工，解決了涌水鉆孔施工的鉆探工藝問題，確保了鉆探施工質(zhì)量。2019 年，在龍川江盆地砂巖型鈾礦鉆探施工過程中，共施工鉆孔20 個(gè)，鉆遇涌水鉆孔16 個(gè)，鉆孔優(yōu)質(zhì)率達(dá)到95%。