王 杰，張 昭，李立湘，蔡 雋，賀前平，付 宇

（中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410600）

通過大口徑取心的方式進(jìn)行水文地質(zhì)鉆探，一方面是為了獲取地層情況，如地層的巖性、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和含水層的埋藏深度、厚度、性質(zhì)等。另一方面是在取得水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，為合理開發(fā)地下水，滿足工農(nóng)業(yè)或居民用水需要，將已取得資料的孔移交生產(chǎn)部門使用，作為開發(fā)井，同時在開采生產(chǎn)中進(jìn)一步取得地下水的資料［1］。這樣的孔既滿足收集水文地質(zhì)資料的要求又滿足水資源開采生產(chǎn)對水質(zhì)、水量、衛(wèi)生的要求。

1 工程地質(zhì)概況

作者所參與的“東江—韓江流域水文地質(zhì)調(diào)查”及“大別山區(qū)西段生態(tài)修復(fù)支撐調(diào)查”兩個項(xiàng)目均涉及水文鉆探施工。東江項(xiàng)目鉆探工作區(qū)主要位于江西省贛州市尋烏縣境內(nèi)，基巖以花崗巖為主，摩氏硬度在6～7度左右，結(jié)晶顆粒較粗，對鉆頭研磨性較強(qiáng)；大別山項(xiàng)目鉆探工作區(qū)位于河南信陽羅山縣境內(nèi)，基巖以變質(zhì)巖和花崗巖為主，變質(zhì)巖結(jié)晶顆粒較細(xì)，巖石較為完整，對孕鑲金剛石鉆頭研磨性較弱，鉆頭自磨出刃效果較差。

2 鉆探工藝方法

2.1 施工設(shè)備

根據(jù)施工需要，配備主要設(shè)備見表1。

表1 主要設(shè)備配置

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

水文、水井鉆孔結(jié)構(gòu)是高效施工和優(yōu)質(zhì)鉆進(jìn)的前提，也是獲取完整的水文地質(zhì)資料的保證。兩個項(xiàng)目均以探采基巖裂隙水為主，終孔孔徑要求不小于150 mm，根據(jù)前期取得的資料，覆蓋層厚度均在20 m以內(nèi)，結(jié)合實(shí)際情況及現(xiàn)有設(shè)備、管材情況，設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 鉆孔設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

孔深0～3 m左右，采用Φ220 mm的硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，提鉆后合金鉆頭更換為管靴重新下入井內(nèi)當(dāng)井口管使用。經(jīng)多個孔試驗(yàn)后效果較差，主要原因是：（1）井口管在井內(nèi)沒有支撐受力點(diǎn)，鉆到第四系土層上容易造成套管往下跑。（2）井口無固定，受沖洗液沖刷容易造成井口豁口，Φ220 mm套管井壁環(huán)狀間隙隨鉆具振動越來越大，井內(nèi)泥沙出井口后容易堆積在井口，流入套管環(huán)狀間隙或者套管與井壁間隙中，后期起拔套管阻力較大。經(jīng)綜合分析，改成在開孔前人工開挖井口，長寬約0.6 m×0.6 m，深0.5 m左右，用水泥沙漿澆灌成中間高兩邊低的凸臺體形狀，并高于循環(huán)槽高度10 cm左右。主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）開鉆后套管能牢牢固定在水泥中，不晃動，井口干凈。（2）井口水泥臺階部位中間高，周圍低能有效疏導(dǎo)井內(nèi)巖屑排到循環(huán)槽內(nèi)而不堆積在井口，后期起拔套管阻力小［2］。

孔深3 m基巖深度時，采用Φ197 mm硬質(zhì)合金鉆進(jìn)，主要目的是隔開第四系泥土層，減少鉆井液對井壁的沖刷。

鉆進(jìn)到基巖后，改用Φ168 mm鉆到適當(dāng)深度的相對完整基巖，下入Φ168 mm套管。目的一方面是為了防止套管往下跑，另一方面是下入Φ168 mm套管能起到導(dǎo)向管的作用，保證鉆孔垂直，封閉上部無用的含水層，或防止不穩(wěn)定的松散巖石層發(fā)生漏失，在鉆進(jìn)下部巖層時約束鉆具進(jìn)行導(dǎo)向。

從相對完整基巖地層到鉆孔設(shè)計孔深采用Φ150 mm繩索取心鉆進(jìn)，此段為基巖裂隙水主要開采段。

2.3 鉆探工藝參數(shù)的選擇

結(jié)合實(shí)際情況，本次施工采用連云港黃海機(jī)械廠的XY?44塔機(jī)一體鉆機(jī)，受設(shè)備性能參數(shù)影響，鉆機(jī)最大加壓在30 kN左右，轉(zhuǎn)速為80～960 r／min。

2.3.1 鉆頭選型

鉆頭選用唐山金石出廠的K系列繩索取心鉆頭，由于受鉆機(jī)所能提供加壓能力限制，并且由于繩索取心鉆頭底唇面較厚，在鉆進(jìn)花崗巖地層時，鉆頭自出刃效果較差，經(jīng)多次試用選擇胎體硬度小，底唇面面積最小的K11副水口鉆頭，以提高底唇面壓強(qiáng)，并適合高速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，底唇面形狀見圖2。

圖2 副水口鉆頭底唇面圖

2.3.2 沖洗液選擇

應(yīng)根據(jù)地層巖性、鉆進(jìn)方法和施工條件選擇合適沖洗液，保持井壁穩(wěn)定，減少對含水層滲透性和水質(zhì)的影響，提高鉆進(jìn)效率。根據(jù)實(shí)際情況采用沖洗液體系如下：

上部第四系黏土層鉆進(jìn)時，可采用清水鉆進(jìn)，清水與黏土混合并分散形成自然造漿體系。

入巖后，在完整和孔壁穩(wěn)定的地層采用清水作沖洗液；巖粉較多，鉆孔較深，孔內(nèi)憋鉆時可采用水解聚丙烯酰胺（PHP）無固相沖洗液。主要作用是絮凝孔內(nèi)劣質(zhì)土和鉆屑，返回地表沉淀清除，保持沖洗液低固相和良好的剪切稀釋性能，在機(jī)臺具體操作時，一定要將聚丙烯先在水中充分水解后才能加入沖洗液中。未充分水解的聚丙烯結(jié)構(gòu)成團(tuán)，攜屑效果較差。

在松散地層或基巖不穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時，宜采用優(yōu)質(zhì)泥漿＋純堿形成細(xì)分散泥漿體系，有利于松散及破碎地層孔壁穩(wěn)定，提高破碎地層鉆進(jìn)效率。該泥漿體系無毒無害，成井洗井后對地下水水質(zhì)及含水層滲透性影響較?。?］。

2.3.3 技術(shù)參數(shù)選擇

技術(shù)參數(shù)選擇主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)數(shù)及泵量。鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)選擇合理能有效提高鉆進(jìn)效率及鉆具的使用壽命。由于S系列大口徑繩索取心鉆頭比N、H系列小口徑鉆頭直徑大了一倍左右，因而各類鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)對比會有明顯不同。S系列與H系列鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇詳見表2。

表2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇

（1）鉆壓選擇。鉆頭底唇面壓強(qiáng)與鉆頭底唇面面積大小成反比，在相同巖性地層，因S系列口徑的底唇面面積是H系列口徑鉆頭的底唇面的2倍多，孕鑲鉆頭單位碎巖壓力是一定的，為0.4～0.8 kN／cm2，所以S系列鉆頭的鉆壓要比H系列的鉆頭鉆壓相應(yīng)增加，S系列口徑鉆頭鉆壓建議選擇16～20 kN。

（2）轉(zhuǎn)速選擇。孕鑲鉆頭底唇面的線速度范圍為1.5～3.0 m／s，在相同轉(zhuǎn)速條件下，S口徑鉆頭的線速度是H口徑的1.5倍，所以為保持孕鑲鉆頭的合理線速度，S口徑的轉(zhuǎn)速要比相應(yīng)H口徑要低。在實(shí)踐中，機(jī)臺操作人員由于長期從事小口徑繩索取心鉆進(jìn)，習(xí)慣了高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，在大口徑施工過程中沿用相同的轉(zhuǎn)速施工鉆進(jìn)，容易造成進(jìn)尺過快，巖粉過多，散熱冷卻不足而出現(xiàn)鉆頭拉槽，內(nèi)徑磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象，降低了鉆頭的使用壽命。

（3）泵量選擇。泵量直接關(guān)系到?jīng)_洗液的上返速度，大口徑正循環(huán)鉆進(jìn)而言，鉆井液的上返速度推薦值為0.3～0.9 m／s；可根據(jù)下式來確定沖洗液的泵量：

式中：Q為泥漿泵排量，m3／min；v為鉆井液在外環(huán)空間的上返速度，m／min；D為鉆孔直徑，m；d為鉆桿外徑，m；m為由于孔壁、孔徑不規(guī)則引起的上返速度不均勻系數(shù)，m取1.03～1.1。

從式（1）中可以得出，當(dāng)井內(nèi)環(huán)空間隙面積一定時，鉆井液的上返速度與泥漿泵的排量成正比。擴(kuò)孔器外徑151 mm，所以鉆孔直徑D取151 mm；鉆桿外徑d為142.7 mm；由于上部多級成井，m取1.1；鉆井液采用清水鉆進(jìn)，攜帶巖屑能力較差，v取上限值0.9 m／s。代入到（1）式得到泵量為113.67 L／min，根據(jù)實(shí)際情況選用BW250泵，流量可調(diào)范圍在52～250 L／min之間，符合實(shí)際情況需要［4］。

綜上所述，參照《地質(zhì)調(diào)查巖心鉆探技術(shù)規(guī)程》，S150口徑鉆進(jìn)工藝參數(shù)選擇詳見表2。

3 應(yīng)用效果

通過兩個項(xiàng)目水文鉆井施工中不同施工工藝對比，表明大口徑繩索取心鉆進(jìn)具有一定優(yōu)勢，效果較為顯著。

（1）提高了鉆進(jìn)的效率。SQ150繩索取心鉆進(jìn)在基巖地層一次鉆進(jìn)成孔，不必采用空壓機(jī)擴(kuò)孔成井；同時繩索取心鉆進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)較長井段內(nèi)不提鉆連續(xù)取心鉆進(jìn)，從而顯著降低了鉆進(jìn)時起下鉆時間，提高鉆進(jìn)效率。通過東江項(xiàng)目繩索鉆進(jìn)與單管鉆進(jìn)施工效率對比，鉆進(jìn)效率提高近一倍，大大縮短了施工工期，數(shù)據(jù)見表3。

表3 繩索取心與單管取心效率對比

（2）有利于復(fù)雜地層鉆進(jìn)。在遇到破碎掉塊地層時，減少了提鉆次數(shù)，對孔壁的擾動減?。煌瑫rΦ150 mm繩索鉆桿可起到套管的作用，有利于護(hù)壁，維持孔壁穩(wěn)定，有利于鉆頭快速穿過不穩(wěn)定地層。

（3）降低勞動強(qiáng)度。由于水文地質(zhì)水井鉆探孔徑大，鉆具重量重，鉆進(jìn)產(chǎn)生巖屑多，勞動強(qiáng)度大。采用單管鉆進(jìn)時，每次取心均要提鉆，工序復(fù)雜，需要4～5人配合才能完成，而繩索取心大大減少了起下鉆次數(shù)，從而降低了勞動強(qiáng)度，正常繩索取心施工中，3人配合即可完成施工。

4 幾點(diǎn)體會和建議

4.1 鉆頭參數(shù)調(diào)整

鉆頭參數(shù)是繩索取心的核心參數(shù)，包括鉆頭胎體硬度、金剛石目數(shù)、金剛石濃度、金剛石品級等。鉆頭參數(shù)的選擇影響鉆頭進(jìn)尺速度和鉆頭壽命。通過總結(jié)多個鉆孔施工過程后，對鉆頭參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，主要包括提高金剛石濃度，提高胎體硬度，增加底唇面厚度等。調(diào)整前胎體硬度太低，金剛石濃度太低，金剛石出刃后有效工作時間太短，在硬脆碎地層金剛石極易脫落而影響鉆進(jìn)效率，改進(jìn)后調(diào)整胎體硬度為HRC5，能有效防止底唇面金剛石脫落，增加出刃金剛石有效工作時間，提高了鉆進(jìn)進(jìn)尺速度和鉆頭壽命。底唇面厚度增加也在一定程度上增加了工作壽命，改進(jìn)前單個鉆頭壽命只有40 m左右，改進(jìn)后能達(dá)到100 m。鉆頭型號改進(jìn)參數(shù)見表4。

表4 鉆頭型號參數(shù)表

4.2 堅硬致密巖層鉆頭自出刃效果較差現(xiàn)象

江西贛南地區(qū)花崗巖地層石英含量較高，結(jié)晶顆粒較粗，對鉆頭研磨性較強(qiáng)。采用軟胎體K11副水口鉆頭鉆進(jìn)效率雖高，但鉆頭壽命較短，單個鉆頭壽命只有20～30 m。這種情況下可采用胎體硬度較高的K7或K9鉆頭，采用投磨料增加金剛石自出刃效果，克服石英地層打滑現(xiàn)象，單個鉆頭進(jìn)尺能達(dá)到50～60 m。

河南信陽地區(qū)致密變質(zhì)巖地層巖石硬度不高，但結(jié)晶顆粒很小，對鉆頭研磨性很弱，金剛石自出刃效果差，造成鉆進(jìn)打滑現(xiàn)象，這種情況下可以用軟胎體K11鉆頭采用投石英磨料的方法施工鉆進(jìn)，投磨料前鉆頭唇面已出刃金剛石耗損完后，鉆頭打滑不進(jìn)尺，投磨料能有效增加鉆頭金剛石顆粒自出刃，鉆進(jìn)效率達(dá)到20 m／d，且地層研磨性較差，鉆頭使用壽命較長，單個鉆頭進(jìn)尺能達(dá)到100 m左右。

圖3 井內(nèi)磨鉆頭石英顆粒

4.3 破碎地層合理控制鉆進(jìn)參數(shù)

Φ150 mm擴(kuò)孔器外徑151 mm，Φ150 mm鉆頭內(nèi)徑101 mm，孔壁與巖心之間環(huán)狀截面面積高達(dá)9 891 mm2，而巖心橫截面面積只有8 007 mm2，鉆進(jìn)過程中巖粉的體積要比相對應(yīng)巖心的體積還要大，所以在鉆進(jìn)過程中會產(chǎn)生大量巖屑巖粉，如果不合理控制鉆速和泵量，極易造成孔底巖粉堆積，造成卡鉆，埋鉆等井故。

在相對松散的破碎地層鉆進(jìn)時，進(jìn)尺較快，巖粉較多，孔壁坍塌，通過井壁環(huán)狀間隙上反阻力較大，需及時排出巖粉保持井底干凈，以達(dá)到高效率地鉆進(jìn)。主要途徑包括加大泵量和調(diào)整沖洗液狀態(tài)。大泵量主要是提高巖屑上返速度避免巖屑積壓井底堵塞環(huán)狀間隙；調(diào)整沖洗液應(yīng)該由清水鉆進(jìn)及時改成水解聚丙烯酰胺（PHP）無固相沖洗液，主要作用包括攜帶巖屑清潔孔底及潤滑鉆具。

4.4 鉆機(jī)施工能力

本次施工的鉆機(jī)為連云港黃?？碧郊夹g(shù)有限公司生產(chǎn)的XY?44T塔機(jī)一體式巖心鉆機(jī)，該系列塔機(jī)一體式鉆機(jī)既保留了原鉆機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理，重量輕、可拆解性好，轉(zhuǎn)速范圍合理，操作、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)以外，塔機(jī)一體式布置，鉆機(jī)具備液壓油缸起塔和平移滑輪機(jī)構(gòu)、液壓操控方便靈活，在機(jī)臺搭建過程中省卻了搭建四角鉆塔的過程；缺點(diǎn)是卷揚(yáng)和天車提升能力有限，在遇到井內(nèi)卡鉆等故障時處理井故的能力有限，特別是采用單繩提升時遇到孔內(nèi)巖粉較多擠壓鉆桿時，孔深130 m左右卷揚(yáng)就有可能提不動鉆桿，XY?44T基本參數(shù)如表5。S150繩索取心鉆桿每米25 kg，卷揚(yáng)單繩最大提升力45 kN，對應(yīng)最大只能提升180 m繩索取心鉆桿，且由于鉆機(jī)老化，卷揚(yáng)制帶磨損等因素，提升能力會相應(yīng)削減。在實(shí)際施工過程中可以通過加裝游動滑車動滑輪，提高卷揚(yáng)提升力。

表5 XY?44T基本參數(shù)

目前兩個項(xiàng)目探采結(jié)合井設(shè)計孔深均在150 m內(nèi)，均在鉆機(jī)的設(shè)計施工能力范圍內(nèi)。從項(xiàng)目發(fā)展及長遠(yuǎn)規(guī)劃來說，如果想提升大口徑繩索取心鉆進(jìn)施工能力，需要在鉆機(jī)及鉆塔發(fā)面提升裝備實(shí)力。大口徑深孔鉆進(jìn)時鉆塔建議改成四角鉆探或者兩腳鉆塔，兩者均承載能力高，穩(wěn)定性好；建議采用XY?5及以上型號鉆機(jī)或水井鉆機(jī)，以提高鉆機(jī)施工能力。