羅 龍，曹灶開(kāi)，牟程江，楊玉川

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川成都610036；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)<武漢>工程學(xué)院，湖北武漢430074）

1 概況

1.1 自然地理

工作區(qū)位于西藏自治區(qū)南部，喜馬拉雅山脈北麓，雅魯藏布江橫穿工作區(qū)，岡底斯山脈南側(cè)。地勢(shì)總體北低南高，一般高差為1000~2000m,最大3222m，相對(duì)地形切割嚴(yán)重，屬高山深切割區(qū)，且多見(jiàn)懸崖絕壁。工作區(qū)西起錯(cuò)那縣，東至察隅縣，南與印度毗鄰。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，呈樹(shù)枝狀由西向東—南流，部分為南北向流，高山、山地河流，落差大，水流湍急，水利資源較為豐富。氣候類型為高山高寒氣候區(qū)和山地溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)兩類。年平均氣溫9.1℃,最高氣溫30.3℃,平均最高氣溫17.0℃,最低氣溫－6.2℃,平均最低氣溫5.5℃。

1.2 地層情況

施工區(qū)的第四系覆蓋層40m左右，0~6m為中礫石土，細(xì)礫石含量約20%，粒徑2~6mm；中礫石含量約60%，粒徑10~60mm；粗礫石含量約5%，粒徑70~100mm；砂土含量約5%，較密實(shí)，為農(nóng)田土。6~60m多為滾石、直徑100~200mm卵石、泥砂夾層、巖塊土等，地層條件較為復(fù)雜。

2 工程概況及鉆孔施工的技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及地質(zhì)要求，在該工作區(qū)計(jì)劃施工水井鉆探200m，共設(shè)計(jì)鉆孔4個(gè)，每個(gè)鉆孔50m，按照規(guī)范要求成井，工期35d。

該工作區(qū)處在河谷，地層以卵礫石為主，在該地層鉆進(jìn)，鉆探施工較為困難，主要表現(xiàn)為：①該地層孔隙充填物多以細(xì)砂礫，粘土為主，膠結(jié)性較差；②地層條件復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，孔壁易坍塌、縮徑，護(hù)壁較為困難；③孔壁不穩(wěn)定，提下鉆時(shí)容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆，給施工造成重大影響，或者無(wú)法進(jìn)尺，使鉆孔報(bào)廢；④地層條件的不利，加之地下水的作用，孔內(nèi)沖洗液性能保持較為困難；⑤由于巖層的不均勻性，遇卵石、孤石時(shí)，鉆進(jìn)速度慢，影響鉆進(jìn)效率；⑥在遇卵石或粗礫石時(shí)，鉆壓、沖洗液性能等參數(shù)難把控，容易造成孔斜；⑦水文水井鉆孔孔徑大，鉆井時(shí)阻力較大，對(duì)設(shè)備要求較高。

3 技術(shù)對(duì)策

為能更好地解決該施工區(qū)的技術(shù)難題，減少覆蓋層鉆探施工的機(jī)器事故和井內(nèi)事故，提高施工效率，降低鉆探施工成本，團(tuán)隊(duì)主要從設(shè)備選型方面、施工工藝方面著手，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，采取相關(guān)措施，探索適合此類地層施工的鉆機(jī)類型和施工方法。

3.1 設(shè)備比選

在設(shè)備選擇上，主要采用以下3種類型鉆機(jī)進(jìn)行施工，主要參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 主要參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照表

3.1.1 DPP-300鉆機(jī)

由于在松散礫石、滾石層中施工，卡鉆事故頻發(fā)，該鉆機(jī)由自帶柴油機(jī)直接供給動(dòng)力，雖然提高了鉆機(jī)動(dòng)力傳輸效率，但也失去了電機(jī)的過(guò)載保護(hù)作用，鉆機(jī)長(zhǎng)期在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，分動(dòng)箱、變速箱、離合器、立軸扇形齒輪承受荷載較大，導(dǎo)致鉆機(jī)零部件頻繁損壞，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，在高負(fù)荷施工條件下該鉆機(jī)零部件承載能力有限?，F(xiàn)場(chǎng)施工如圖1所示。

圖1 DPP-300鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1.2 GY-300A鉆機(jī)

在水文鉆井施工過(guò)程中，由于鉆機(jī)相對(duì)較輕，當(dāng)硬質(zhì)合金三翼牙輪鉆頭遇到礫石后會(huì)產(chǎn)生大幅度跳動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)鉆桿傳遞到立軸、鉆機(jī)、鉆塔，當(dāng)給油缸加壓時(shí)就會(huì)使鉆機(jī)和鉆塔大幅度振動(dòng)，導(dǎo)致鉆機(jī)齒輪軸等零部件受力不均，導(dǎo)致有的螺絲松動(dòng)，致使機(jī)故頻發(fā)，同時(shí)鉆塔嚴(yán)重抖動(dòng)也給施工帶來(lái)了較大的安全隱患，且在提下鉆過(guò)程中，該鉆機(jī)只能采用人工方式擰卸鉆桿，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

3.1.3 SPJ-400水文鉆機(jī)

在卵礫石層施工時(shí)，由于機(jī)身長(zhǎng)，重量大，鉆具及主桿上下跳動(dòng)時(shí)，鉆機(jī)和鉆塔受影響小，施工鉆進(jìn)時(shí)穩(wěn)定性較好；該鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)鉆桿給進(jìn)，給進(jìn)行程長(zhǎng)，轉(zhuǎn)盤扭矩大，且可兼做擰卸鉆具用；鉆機(jī)使用轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，提供較大扭矩，鉆進(jìn)時(shí)采用鉆鋌自重加壓的方式，對(duì)鉆孔跑斜有一定的遏制作用；該鉆機(jī)可利用轉(zhuǎn)盤代替擰管機(jī)作用，縮短提下鉆時(shí)間，減少人力消耗，提高施工效率?，F(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖2。

圖2 SPJ-400鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)施工

通過(guò)實(shí)踐，DPP-300型車載鉆機(jī)和立軸鉆機(jī)GY-300A在該工作區(qū)卵礫石地層不適合進(jìn)行水文水井鉆探施工，目前市場(chǎng)上用于水文水井鉆探施工的鉆機(jī)大多以轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)和全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)為主。故在該工作區(qū)地層進(jìn)行水文水井施工時(shí)，主要選用用SPJ-400磨盤鉆機(jī)。配備120kW柴油發(fā)電機(jī)，LT-60A空壓機(jī)。在選擇泥漿泵時(shí)由于鉆孔設(shè)計(jì)淺（小于100m），且鉆進(jìn)采用全面鉆進(jìn),含砂礫石量大，對(duì)泥漿泵流量要求超過(guò)100m3/h才能有效排出砂礫石，故采用3PN立式泥漿泵能滿足該地層施工要求。

3.2 鉆頭的選擇

在使用金剛石鉆進(jìn)時(shí)，大口徑金剛石極易蹦脫和磨損，而且大口徑金剛石價(jià)格較高，不經(jīng)濟(jì)；PDC鉆頭在石油、地?zé)嵋约八你@進(jìn)中應(yīng)用廣泛，由于復(fù)合片鑲焊于鉆頭刀掌面，以及自身材質(zhì)性質(zhì)，在施工可鉆性差、研磨性強(qiáng)的地層時(shí)容易掉齒和磨損；三牙輪鉆頭，由硬質(zhì)合金鑲于三個(gè)牙掌上，在鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)牙掌也能自轉(zhuǎn)，不強(qiáng)力切削地層，且牙掌以及剛體比較厚，當(dāng)鉆具自重達(dá)到鉆頭有效施工壓力時(shí)，對(duì)于卵礫石地層的破碎明顯，相對(duì)不易磨損以及脫落。

根據(jù)任務(wù)性質(zhì)、項(xiàng)目要求、水文地質(zhì)規(guī)范，充分考慮抽水設(shè)備、洗井設(shè)備的口徑大小，按照水文地質(zhì)規(guī)范要求。使用?311mm牙輪鉆頭+?160mm鉆鋌+?89mm鉆桿施工，下入?168mm井管，采用?89mm鉆桿洗井成井。

3.3 泥漿的選擇使用

一是工作區(qū)水文水井主要在河谷平坦區(qū)域，部分卵石含量超過(guò)70%，粒徑較大，部分含砂量高，含水豐富，地層膠結(jié)性極差，護(hù)壁工作是重點(diǎn)；二是由于水文井需要取水進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，原則上不能使用帶有化學(xué)污染的沖洗液；三是采用全面鉆進(jìn)施工，造成井內(nèi)砂礫石較多，部分顆粒直徑達(dá)到3~4cm，牙輪鉆頭不能再有效破碎，需要靠泥漿攜帶排出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，在該工作區(qū)施工當(dāng)遇到地層膠結(jié)性較好時(shí)，采用膨潤(rùn)土+純堿+水，水、土比例5∶1，加純堿為土的5%；當(dāng)?shù)貙幽z結(jié)性差、含水豐富的卵礫石層時(shí)采用膨潤(rùn)土，水、土比4∶1，加純堿為土的5%。鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)加大泥漿粘度和比重，攜帶礫石效果好且價(jià)格低廉。

3.4 填礫

填礫洗井作為水文井關(guān)鍵步驟，其工藝要求必須符合水文水井地質(zhì)規(guī)范，礫石需采用磨圓度較好、大小均勻、清潔的圓礫作為礫料，根據(jù)地層情況選擇礫石大小。在填礫時(shí)沿井管周圍均勻填入，防止架橋堵塞，礫石不能填入井底。填礫厚度要求見(jiàn)表2。

表2 填礫厚度要求（單位：mm）

粗砂、礫石含水層填礫厚度須在50mm以上，中、細(xì)粉砂地層填礫厚度在75mm以上，才能有效過(guò)濾水質(zhì)，經(jīng)過(guò)施工實(shí)踐，在該工作區(qū)采用直徑5mm礫石填礫效果較好。

3.5 洗井

水文井洗井普遍采用清水、活塞和空壓機(jī)洗井，使用濃泥漿鉆進(jìn)的鉆孔，清水洗井所產(chǎn)生壓力較小，不能有效破壞井壁；活塞洗井遇含砂量大或有礫石進(jìn)入管內(nèi)時(shí)不能有效快速排出，并疏通含水層；空壓機(jī)洗井壓力大，破壞力強(qiáng)，采用同心式混合器洗井方式能快速有效地破壞泥皮，帶出進(jìn)入井管的砂礫石，洗井效果明顯優(yōu)于其他兩種方式。在該工作區(qū)施工時(shí)采用并列式混合器洗井方式洗井可同時(shí)兼顧抽水試驗(yàn)。

4 幾點(diǎn)建議

（1）針對(duì)不同工作區(qū)，要結(jié)合周邊環(huán)境、地層、施工工藝等情況做好施工設(shè)備的選型工作。

（2）在下一步工作中，結(jié)合設(shè)備的選型，進(jìn)一步探索更加合理的鉆進(jìn)方法，如沖擊鉆進(jìn)，氣動(dòng)淺孔錘正（反）循環(huán)鉆進(jìn)，優(yōu)化鉆進(jìn)工藝。

（3）根據(jù)設(shè)備性能、地層情況，合理選擇在卵礫石地層中鉆進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)形式，使施工更加高效、經(jīng)濟(jì)。

（4）在卵礫石層中進(jìn)行水文水井施工，要結(jié)合地質(zhì)要求、洗井要求、地層及井壁穩(wěn)定情況，合理、經(jīng)濟(jì)選擇沖洗液。

（5）填礫時(shí)須符合水文水井地質(zhì)規(guī)范要求，在礫石的選擇上要充分考慮地層情況,合理選擇礫徑。

（6）要嚴(yán)格掌握各項(xiàng)技術(shù)性能和工藝要求，遇特殊情況時(shí)，變換鉆探手段，靈活處理，確保鉆探施工順利進(jìn)行。