西藏高原某工作區(qū)水文水井鉆探施工技術

羅 龍，牟程江，鄧俊峰，羅小龍

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局軍民融合地質(zhì)調(diào)查中心，四川成都 610036；2.中國地質(zhì)大學＜武漢＞工程學院，湖北武漢 430074）

因工作任務需要，在西藏高原某工作區(qū)開展水文水井鉆探施工，使用兩套不同設備施工三口水文水井，針對工作區(qū)鉆探施工技術難題，施工技術人員結合現(xiàn)有水文鉆探設備配置，在鉆具、施工工藝及方法上探索解決方案，總結施工經(jīng)驗及方法，成功在西藏高原某工作區(qū)摸索出一套針對施工區(qū)地層的鉆進工藝及方法，最終圓滿完成鉆探任務100m，水文水井鉆孔3個，總結了工作區(qū)水文水井鉆探施工經(jīng)驗，供同行借鑒。

1 概況

1.1 自然地理

工作區(qū)隸屬于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)，地處西藏西北部，是我國邊境城鎮(zhèn)之一。平均海拔4500m左右，最高海拔為6800m。城鎮(zhèn)境內(nèi)東西最大橫距271km，南北最大縱距354km，邊境線長350km，距拉薩市1800km。工作區(qū)地處高原亞寒帶季風半干旱氣候區(qū)，空氣稀薄，含氧量低；日照時間長，太陽輻射強；早晚溫差大；干季與雨季分明：每年10 月至次年5 月為干季，降水量少，大風天氣多；6 月至9 月為雨季，降水量占全年的90%以上。工作區(qū)多年降水量、蒸發(fā)量情況如圖1所示。

圖1 工作區(qū)多年降水量、蒸發(fā)量統(tǒng)計圖

1.2 地層情況

工作區(qū)第四系地層主要由碎石土、砂土、粉土組成，第四系厚度分布不均，同一區(qū)域地層變化不大，層理不明顯，厚度一般在5～80m。地層粉粘粒含量較少，松散—稍密狀，透水性好，穩(wěn)定性差，力學性質(zhì)較差；碎塊(漂石、卵石)石混砂土，開挖后邊坡穩(wěn)定性差，在陡坡上時有落石現(xiàn)象；風積粉砂土：以砂粒為主，松散，因風力作用，堆積于山前，穩(wěn)定性差。

2 工程概況及施工技術難題

2.1 工程概況

工作區(qū)布設水文水井鉆孔3 個，鉆探施工任務100m，進行全孔取芯后，再在原位置進行大口徑鉆進或擴孔成井。首次在工作區(qū)采用車載鉆機（DPP-300）（該型號鉆機主要用于巖芯鉆、工程地質(zhì)鉆探施工）和SPJ-400 散裝磨盤鉆機，及配套設備大口徑擴孔成井，采用?311mm牙輪鉆頭、刮刀鉆頭大口徑全面鉆進。

2.2 施工技術難題

在鉆進過程中存在主要問題如下：①大口徑擴孔成井時，鉆孔口徑大，擴孔產(chǎn)生的巖屑較多，采用BW-160 泥漿泵提供沖洗液在通過?50mm 鉆桿時，過水通道偏小，沖洗液上返速度達不到要求，巖屑返出井外較為困難；②在使用牙輪鉆頭、刮刀鉆頭鉆進時，因卵礫石含量大，有時無法有效進尺；③在砂土層鉆進，進尺后井內(nèi)殘留砂粒較多，正常加桿較困難；④工程鉆機（DPP-300）施工鉆遇卵礫石地層時阻力大，機身跳動厲害，容易損壞鉆機鉆塔等設備；⑤砂卵石地層鉆進時孔壁不穩(wěn)定，易垮塌，要求泥漿濃度高，制約了后期換漿、下管、填礫、洗井等成井工序，在后期成井作業(yè)時增加了工作量；⑥洗井時，由于工程鉆機所配套泥漿泵泵量功率小，水量不能有效破壞井壁泥皮，洗井效果差；

3 施工工藝

3.1 鉆探設備選擇

根據(jù)工作區(qū)地層情況，在該工作區(qū)采用DPP-300車載鉆機和SPJ-400散裝磨盤鉆機[1-2]，鉆機及配套設備如表1所示。

表1 鉆機及配套設備

（1）車載鉆機。在施工ZKSO2、ZKS03 號孔時，采用DPP-300型車載鉆機，該鉆機重11.9t（含車重），工作外形尺寸7650mm×2520mm×9570mm。主要技術參數(shù)及優(yōu)缺點如表2所示。

表2 車載鉆機主要技術參數(shù)及優(yōu)缺點

DPP-300型車載鉆機現(xiàn)場施工如圖2所示。

圖2 DPP-300鉆機施工現(xiàn)場

（2）SPJ-400水文鉆機。該鉆機磨盤直徑?500mm，整裝重量9t，采用A 型鉆塔，鉆塔垂直高度8.6m，鉆機重量6.5t，外形尺寸2200mm×6000mm×10000mm。主要技術參數(shù)及優(yōu)缺點如表3所示。

表3 SPJ-400水文鉆機主要技術參數(shù)及優(yōu)缺點

DPP-300型車載鉆機現(xiàn)場施工如圖3所示。

圖3 SPJ-400鉆機施工現(xiàn)場

3.2 鉆具選擇

在進行水文水井鉆探時，一般采用大口徑鉆具進行鉆探施工[3-5]，此次在工作區(qū)施工ZKS01 時采用?311mm 牙輪鉆頭，配備1 根?240mm 鉆鋌和1 條?170mm鉆鋌進行扶正加壓鉆進，使用?89mm石油鉆桿。ZKS02、ZKS03施工時，在卵礫石地層鉆進，為有效排出巖屑，順利加桿，采用自己加工的鉆具，采用長1.5m、壁厚10mm、直徑?278mm鋼管制成，在鉆具一端焊接變徑接頭與鉆桿連接，另一端在鉆具底端圓周每間隔100mm 焊接復合片或者風炮鉆頭作為鉆具鉆頭，在靠近鉆頭端內(nèi)部100mm 處焊接鋼絲繩作為鉆具內(nèi)卡簧，加工成一根完整的大口徑鉆具投入到施工中。自制鉆具主要優(yōu)勢如下：①遇大塊卵石、礫石通過沖洗液無法有效排出時，可采用此鉆具撈取后再進行鉆進。②鉆具鉆頭與地層接觸面積小，鉆頭處焊接有復合片，鉆進速度明顯加快。③當遇卵礫石地層時，由于接觸面積小，復合片容易切入卵礫石，減輕鉆進時鉆具的跳動，有利于鉆機、鉆塔等設備的保護。④鉆具同心度好，有利于控制鉆孔彎曲度，下管成井時更加順暢，成井質(zhì)量好。加工的鉆具如圖4所示。

圖4 加工的?278mm鉆具

3.3 泥漿

所有的沖洗液對水文鉆孔出水量具有一定的影響，只是不同類型的沖洗液對含水層的損害程度不同，對出水量的影響也不同[6]。此次工作區(qū)地層以卵礫石地層為主，部分地層含砂量高，含水豐富，地層膠結性極差，在進行護壁工作的同時，重點考慮泥漿的排渣能力。在該工作區(qū)，主要采用普通鈉質(zhì)膨潤土作為泥漿材料[7-9]。在ZKS02施工時，地層主要以砂土為主，透水性相對較差，使用鈉土按水、土5∶1的比例配制泥漿，泥漿粘度控制在15～20Pa·s，基本滿足鉆孔排砂護壁要求。

在施工ZKS01、ZKS03號孔時，地層以卵礫石為主，卵石最大粒徑可達150mm，透水性好，施工時采用水土4∶1比例配制泥漿，使其粘度達到23～30Pa·s,能更好地排出殘留卵礫石，排出卵礫石粒徑普遍在5～20mm 之間，排砂護壁效果較好。

3.4 成井工藝

成井工作在水文水井施工中比較關鍵，一般在鉆進完成后立即進行，成井的每一步工序應該順利銜接，否則會給成井工作帶來不必要的麻煩，甚至會造成成井失敗，前期工作作廢，給項目造成損失[10]。

3.4.1 換漿

在該工作區(qū)施工，因地層相對松散，在即將鉆進至設計孔深時換漿較為適宜。在原泥漿池里逐步加入清水，利用水泵循環(huán)，降低泥漿濃度，從而實現(xiàn)逐步換漿。在ZKSO3施工時，由于地層含水豐富，為防止換漿后地層出現(xiàn)垮塌，未有效換漿，泥漿濃度高，下管后礫石無法正常填入，同時造成后期洗孔用時較長,疏通含水層較困難。

3.4.2 安裝井管

井管安裝在換漿結束后立即進行[11]。在此次鉆井施工中，因任務需要，設計鉆孔主要以水文地質(zhì)孔為主，在考慮成本同時，結合當?shù)厝罕娪盟枨螅凑仗讲山Y合方式成井，施工的三個鉆孔均采用直徑?168mm，厚度4mm鐵管作為井管，采用氣割條縫管作為過濾管，連接采用焊接方式。井管由井壁管、過濾管和沉淀管三部分組成。氣割條縫過濾管如圖5所示。

圖5 氣割條縫過濾管

3.4.3 填礫

填礫是在濾水管與含水層孔壁之間，填入大于含水層砂粒直徑的礫石材料，造成一個人工過濾層，經(jīng)過洗井和抽水試驗后，使礫料顆粒有規(guī)律地進行排列，以增大出水量[12]。這一工序必須在下完井管后立即進行，如拖延時間過長，則易造成孔壁坍塌、涌砂、縮徑等現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重時會造成鉆孔報廢。由于人工過濾層的形成，可防止含水層中細小砂礫涌進管內(nèi),起到擋砂濾水作用，故可延長水井使用壽命。在工作區(qū)域施工，按照地層不同，用粒徑5～15mm 礫石（砂土地層采用5mm礫石）作為礫料均勻填入，并在井管外包裹100目尼龍網(wǎng)作為過濾器，而卵礫石地層可采用粒徑10mm或15mm的礫石作為礫料填入，過濾效果較好。

3.4.4 止水

粘土具有一定粘結力和抗剪強度，壓實后具有不透水性?？稍谝恍┑叵滤髁坎淮蟮乃缮⒌貙踊蚧鶐r中做永久止水材料。其優(yōu)點是操作方便、成本低、止水效果可靠等[13]。使用時多將粘土搓成直徑30～40mm的小球，經(jīng)陰干后投入孔內(nèi)、投入厚度一般為3～5m。工作區(qū)由于地層松散，在施工過程中，采用條縫過濾管安裝在水位以下3～5m 處。粘土止水位置在水位以上3～5m，粘土厚度2～3m；離地面以下2～3m 處再填一次粘土，粘土厚度填與地面平齊。井口用水泥做井臺，防止地表水滲入。經(jīng)過多重止水，從后期洗井以及抽水檢驗數(shù)據(jù)來看，止水效果較好。

3.4.5 洗井

洗井工作是成井比較關鍵的步驟，必須在下完井管、填礫、止水后立即進行，以防因停置時間過長，井壁泥皮硬化，造成洗井困難，影響鉆井出水量。此次施工的3 個鉆孔，ZKSO2 采用泵送清水洗井，ZKS01 采用空壓機洗井，洗井比較成功。ZKS03洗井時，為防止井壁坍塌，在換漿時只加入少量清水，泥漿濃度較高，在采用泵送清水洗井時，由于水泵壓力較小，無法有效破壞泥皮，第一次洗井失敗。后注入清水浸泡約12h，再采用LT-60A 空壓機洗井，在井管內(nèi)下入?50mm 鉆桿至孔底做送氣通道，井口進行密封，使空氣從過濾管處沖出破壞井壁泥皮，洗井成功。

4 結論

經(jīng)在西藏高原某工作區(qū)采用2 套不同的鉆探設備開展水文水井鉆探施工，根據(jù)地層情況及現(xiàn)有裝備條件，從設備、鉆具及工藝、成井等工藝上進行分析和總結，得出以下結論：

（1）SPJ-400鉆機利用轉(zhuǎn)盤鉆進，扭矩大，在卵礫石地層施工時，機身長，重量大，施工鉆進時穩(wěn)定性較好；SPJ-400 鉆機配套使用3PN 立式泥漿泵，對于砂土地層，進尺效果明顯，鉆進效率最快可達14.1m/h。

（2）在西藏高原卵礫石地層及砂土地層中進行大口徑水井施工時，磨盤式鉆機配套大流量水泵，施工時在鉆進效率上優(yōu)勢明顯，工程鉆機施工大口徑鉆孔時鉆進能力較弱。

（3）考慮地層、成本等因素，在施工淺井30m 以內(nèi)且口徑在?400mm 以下的水井，車載DPP-300 鉆機也比較適合在該工作區(qū)砂土地層中施工，而且效率高、成本低，施工成本相對磨盤鉆機約節(jié)約30%。

（4）SPJ-400鉆機過于笨重，搬遷安裝繁瑣，需要隨車吊輔助，耗時費力，在場地受限及50m以內(nèi)的鉆孔施工成本較高，不建議采用，但施工大口徑，且孔深在50m以上鉆孔時，可綜合考慮采用磨盤鉆機。

（5）經(jīng)在工作區(qū)實踐證明，牙輪鉆頭適合該工作區(qū)地層（均勻的砂土層）水文水井鉆探施工，不易損壞，鉆頭壽命較長。但成本較高，所施工鉆孔同心度相對較差，孔壁粗糙。

（6）加工的大口徑取芯鉆具適用于該工作區(qū)施工，成本低，施工鉆孔同心度好，而且可作為打撈工具使用，在該工作區(qū)地層條件下，使用DPP-300 和SPJ-400鉆機時均可選擇該鉆具進行鉆進，但易磨損，需重復加工使用，鉆孔較深時鉆頭承載能力有限。

（7）換漿時應綜合考慮地層穩(wěn)定性、洗井方法及洗井設備的洗井能力，合理換漿;洗井時應充分考慮地層、換漿、濾管等因數(shù)，采用合理的洗井方式，洗井成功率較高。

（8）在該工作區(qū)施工時可綜合考慮采用普通膨潤土作為泥漿材料，根據(jù)地層情況適當調(diào)整泥漿粘度和比重，攜帶礫石能力強、效果好且價格實惠，鉆孔施工時易形成泥皮，有利于保護孔壁穩(wěn)定，洗井時比較容易破壞泥皮疏通含水層，對水質(zhì)影響也很小。