水文地质勘察第2版：钻进方法

4.3.1.1 钻进方法的选择

钻进的方法,应根据地层的岩性、钻孔结构、水文地质要求及施工地区的特殊条件而定。一般可参考表4-5[3]。

根据岩石可钻性,常规口径(91～172mm)1～6级、大口径(219～426mm)1～4级的岩石可用合金钻进;常规口径7～9级、大口径5～9级的岩石可用钢粒或牙轮钻头钻进。

卵砾石为主的地层,可采用回转钻进、大口径钢粒钻进或硬质合金钻头与钢粒混合钻进,一次成孔。在松软地层中进行大口径钻进时,可用冲击定深取样,刮刀钻头、鱼尾钻头无岩芯钻进并配合电测井[1,2]。

表4-5　钻进方法选择(据DZ/T 0148—1994《水文地质钻探规程》)

续表

注　1.浅孔指钻孔深度小于或等于100m的钻孔。
2.中深孔指钻孔深度在100～300m的钻孔。
3.深孔指钻孔深度大于300m的钻孔。

由于钻探技术种类很多,以下仅就目前三种新引进的钻进技术进行详细介绍。

4.3.1.2 空气钻进技术

多工艺空气钻进技术(含空气泡沫钻进、空气潜孔锤、气举反循环等)被视为当代衡量钻探技术水平的重要标志之一。空气钻进技术的实质主要是用压缩空气代替常规钻进时用水或泥浆循环,起冷却钻头、排除岩屑和保护井壁的作用。

该项技术已先后应用于非洲、亚洲的20多个国家。中国是贫水国家,尤其是西北地区更加干旱缺水。这一现状迫切要求在这一地区发展空气钻进技术。通过一系列研究与推广应用,中国现已能较全面地掌握和推广应用此项钻井技术。迄今中国已能自行设计、生产了一系列用于空气钻进的钻机及配套机具和若干井内用泡沫剂,如能钻300m和600m的钻机、空气潜孔锤、气举反循环、跟套管钻进、中心取样钻进用的设备、管材、钻头等绝大部分实现了国产化,并有部分出口[5]。

空气钻进技术的优点:①空气取之不尽,气液混合介质亦易制备,利于在干旱缺水、高寒冰冻、供水困难地区钻探施工,减少用水费用和成本;②空气或气液混合介质(汽水混合、泡沫、充气泥浆等)密度低,明显降低对井底的压力,利于提高钻速;③空气或气液混合介质对不稳地层和复杂岩矿层、漏失层的钻进都有明显的效果,并对低压含水层有保护作用;④压缩空气除在井内循环作用外,还可作为动力源实现冲击回转(如空气潜孔锤)钻进,大幅度提高基岩井的钻井速度,并能克服水井常遇的卵砾层钻进困难;⑤空气在井内循环流速快,能迅速将井底岩屑(样)输至地表,利于及时判明井底情况;⑥空气在井内的循环方式可以根据需要采用正循环或反循环,当用气举反循环钻进时,可以施工较大口径和2～3km的深井[5]。

1.气举反循环钻进技术

气举反循环钻进(air-lift reverse circulation drilling)是中国20世纪90年代引进并推广的新型钻进技术,它以压缩空气注入钻杆内孔至一定深度与冲洗液混合形成低密度(小于1)的气-液混合液,使钻杆内外液体密度产生差异,依靠其压力差造成冲洗液反向循环的钻进。

气举反循环钻进与常规的正循环(或泵吸反循环)钻进方法相比有如下优点:①气举反循环钻进空压机的工作介质是空气,钻进可靠性高,与泵吸反循环钻进中所用的泥浆泵、砂石泵相比,事故明显减少;②气举反循环钻进时,钻具内各处均不存在负压(压力都不小于0.1MPa),不会因钻具密封不良而不能工作,也不存在气蚀损坏水力机械现象,而泵吸反循环钻进时,钻具内处于负压状态,如果钻具密封不严出现漏气现象,则会导致冲洗液停止循环而不能继续钻进,严重时甚至可能造成事故;③气举反循环钻进不仅可以在孔内未完全充满液体(只要孔内有稳定水位)的条件下工作,而且可以钻进中深孔和深孔,而在这种情况下泵吸反循环则很难实现;④气举反循环钻进属于低能系统的钻进方法(空压机的额定风压一般在1MPa左右,风量也不大),与其他钻进方法相比,还有功率消耗低的优点等[5,6]。

中国曾在黄河郑州段地下水凿井工程(中深井)采用气举反循环钻进技术施工,施工发现,沿黄河地下水含水层颗粒细、流速大,要求钻进技术高、成井工艺复杂,因而黄河郑州段“九五○”地下水凿井工程(中深井)中在浅孔段(小于15m)采用正循环钻进,而在15m以下的深孔段采用气举反循环钻进,先用φ250合金钻头钻进引孔,后分级快速扩孔成孔。为详细介绍气举反循环这种新型的钻进技术,下面就以该工程为例对此工艺的钻进参数和施工技术进行详细介绍[6]。

(1)钻进参数。以中钻压(即20～25kN)、中低转速(70～120r/min)、中风压(0.45～0.90MPa)、中高沉没比(0.60～0.95)和中风量(5～10m3/min)为主。钻进钻具组合为(由下至上):φ250六翼合金钻头+φ121钻铤+φ89钻杆+混合器+SHB-127/87mm双臂钻杆+双臂主动钻杆+气水龙头;扩孔工具组合为(由下至上):φ350、φ500、φ650、φ750六翼合金钻头+φ121钻铤+φ89钻杆+混合器+SHB-127/87mm双臂钻杆+双臂主动钻杆+气水龙头[6]。

(2)冲洗液。采用低固相泥浆作冲洗液,其具有黏度低、密度小、固相颗粒少、固孔壁作用快、渗透性好、可实现钻孔的快速堵漏、携屑排屑能力强、易洗井等特点,同时还可缩短倒风管时间,提高钻进效率。泥浆配制为:水(89.0%～93.8%)+黏土粉(5%～8%)+纯碱(0.5%～1.0%)+烧碱(0.5%～1.5%)+水解聚丙烯酰胺(0.2%～0.5%)。性能控制如下:泥浆比重1.02～1.10kg/m3;黏度1～22s;pH值9～10;失水量20～30m L/h(0.7MPa)。冲洗液循环系统由一个沉淀池、一个泥浆供给池及循环槽构成,池规格为6m×5m×2m(2个),槽规格为10m×0.8m×1m。钻进过程中泥浆靠自身流动性流入孔内[6]。

(3)冲孔技术。气举反循环泥浆钻进至设计孔深后应及时冲孔。由于孔内泥浆黏度大,含砂量较高,因此应及时向孔内注入钻进配制的泥浆,替换出孔内的原有泥浆,以保证下管过程中孔内泥浆不产生岩屑沉淀,使井管顺利下到预定位置,同时防止堵塞滤水管的孔隙。换浆一般以孔口返出泥浆和送入孔内泥浆的性能接近时为宜,时间为4～6小时。换浆冲孔过程中,保持泥浆性能逐渐由稠变稀,防止泥浆性能突变,导致粗颗粒沉淀或孔壁坍塌。同时要经常转动钻具,以防泥浆在孔内上返时产生“串流”现象,影响换浆效果[6]。

(4)下管工艺[6]。选择的井滤管质量达到抗拉强度不小于15N/mm2,弯曲公差不大于2.5mm/m,内外径公差不大于±1mm,内壁不得有沟和铸瘤,外壁水纹深度不得超过2mm,铸瘤高度不超过3mm,在每端丝扣长度内砂眼数量不得超过3个,并不得连通。缠丝间距0.75～1.00mm,孔隙率不小于20%。为此选定邯郸铸铁井滤管(国标管)。下管方法:因供水井成井较浅(不大于150m),管柱总重量小于升降机、钻塔等设备起重能力和井管自身抗拉强度,故采用一次提吊法下管。下管操作同常规下管方法,但需要稳拉、慢放,严防紧急刹车;下管遇到阻力时不得猛墩,下到滤水管时应保持井滤管内外泥浆压力平衡,以防止挤破缠丝滤网造成大量进砂。扶正器为木质(规格为350mm×50mm×150mm),在距两端80mm处钻孔穿铁丝固定于井管接头处,每组4块,并依实测地层资料安装在比较稳定的黏土层和亚砂土层。

(5)填砾[6]。砾料选用直径1～3mm浑圆度较好的石英砂,严禁使用尖角碎石,不合格砾料含量不能超过10%～15%。填砾方法:泵吸反循环施工的浅孔因使用清水钻进,故采用静水填砾;气举反循环泥浆钻进,孔较深,孔壁泥皮较厚,采用泵压法填砾。填砾速度一般控制在10～15m3/h,砾料一次填完,中途不能停歇,以免造成砾料分选和孔壁坍塌,填砾厚度达187.5mm。

(6)止水工艺[6]。该工程46眼供水管井,均需要永久隔离地表水渗透,故选用经济、耐久、性能可靠的优质黏土。止水方法:采用黏土球和黏土碎块围填止水,止水位置在0～14m左右。黏土球的加工采用黏土加黏土粉混配,揉实风干,直径15～40mm不等,投入速度不宜太快,以防架桥堵塞,以大小不同规格混杂投入,以缩小黏土球间的空隙,投完黏土球后(投入黏土球高度4m左右),上部投入黏土碎块,以使其遇水溶化后充填黏土球间空隙,增强止水效果。

(7)洗井工艺[6]。先采用空压机洗井,排出管内泥浆直至变清。80m以上井段采用具有强力破壁兼排浆作用的活门抽筒活塞升降机单绳提拉;80m以下井段用双盘胶皮活塞钻杆提拉,空压机、大泵量深井潜水泵交替进行。洗井顺序自上而下,直至水清砂净。洗井后,经试抽单位涌水量均无反常现象,含砂量均小于1∶106。

2.空气潜孔锤钻进技术

空气潜孔锤钻进是利用压缩空气作为循环介质,并作为驱动孔底冲击器的能源而进行的冲击回转钻进,它是空气钻进技术在破岩方法上的一个突破。它具有以下优点:①钻进效率高,在坚硬岩层采用潜孔锤钻进比普通金刚石回转钻进的效率要提高10多倍,其机械钻速可达8～40m/h,台月效率达千米以上;②钻头的寿命长,一个直径220mm的球齿钻头在花岗岩地层可钻进500m,在石灰岩地层可钻进1000m;③水文水井钻进中,成井质量高,出水量大,其出水量比其他工艺方法(如清水或泥浆循环)提高30%左右;④需要钻压和转数较低,能改善钻杆扭矩和钻具工作条件,如直径220 mm的潜孔锤只需要钻压13～17kN即可达到很好的钻进效果;⑤防孔斜效果好,由于钻压和转数低,一般情况下,每百米孔斜均小于1[5]。

空气潜孔锤钻进最先用于矿山开采,20世纪40年代末用于露天和井下开采,经过30年的研究和改进后,于70年代起逐渐被应用到水文水井钻探上。在80年代,美国水文水井钻进中采用潜孔锤钻进的已占到其总工作量的75%。80年代后,潜孔锤钻进技术在中国得到迅速发展。这项技术作为“多工艺空气钻进技术”项目的课题之一,被列入地矿部“七五”重点科技公关项目,1992年被国家科委列入《国家科技成果推广项目计划》。目前中国有100多家单位推广这项新技术,已用之钻井近万眼[5]。

潜孔锤钻进工具包括:贯通式潜孔锤、800～1200mm的大直径潜孔锤、潜孔锤跟管钻进、扩孔钻具、取芯钻具等。

潜孔锤是在井底做功的冲击器,由配气装置、活塞、汽缸、外套及一些附属件所组成;潜孔锤所使用的钻头种类很多,其中刀片钻头用于软地层,球齿钻头用于硬地层[5]。

在贵州省某公司的成井施工中,曾使用空气潜孔锤钻进工艺施工成井1口,完成井深99.88m,出水量540t/d。现以之为例说明该钻进的技术工艺和施工工序。

该场地地层情况是:上部为第四系(Q)黏土,厚约3m;下部为关岭组(T2 g)中厚层白云岩,夹薄层白云岩,岩体内溶孔、溶蚀裂隙、小溶洞较为发育,大部分溶隙充填黄色黏土。钻孔静止水位埋深2m[5]。

采用的施工设备和机具为:SP530 H型移动式螺杆空压机,风量22.33m3,最大风压1.2MPa,SPJ300型水文水井钻机;4135型柴油机;φ89钻杆;JG150、JW150、JW200B型潜孔锤各1套;JG50·165、JW150·165、JW200·205钻头各1个,JW250扩孔钻头1个。

采用的钻进工艺:钻压控制在8～15kN;钻具转速一般控制在14～24r/min;风量一般在20～24m3/min。为使潜孔锤能正常工作,工作压力必须满足:

式中:P1为空压机输出压力;P2为沿途管道压力损失;P3为井内水柱对冲击器造成的负压;P4为潜孔锤正常工作压力[5]。

施工开始时首先用常规硬质合金钻头钻进,将上部土层及基岩强风化层钻穿,下入φ325钢管作定向管,然后用JW200B型潜孔锤带φ205钻头施工至井深51m,再用JW200B型潜孔锤带φ250扩孔钻头扩完井段,下入φ219无缝钢管51m做成井管,最后用JW150型潜孔锤带入φ165钻头钻进至终孔[5]。

施工中发现,因SP530 H型空压机输出最大风压为1.2MPa,施工成井深度只能达100m左右,如需钻更深的孔,则需添置增压机或使用高压力空压机才能实现。

4.3.1.3 无固相冲洗液钻进技术

水文地质孔在含水层中钻进时,若该含水层段地层稳定性差,通常要采用优质泥浆护壁钻进。然而由于泥浆中的黏土颗粒会造成含水层堵塞,抽水前不得不采用各种方法洗井,不仅耗时耗物,而且有时会因洗井效果不理想而影响水文地质资料的准确性。如果用清水钻进,则容易产生孔壁垮塌、埋钻等孔内事故。针对这一问题,江苏省煤田地质勘探第三队近年来在某矿若干个水文地质孔施工中,使用聚丙烯酰胺—水玻璃—腐殖酸钾无固相冲洗液钻进,取得了较好效果,既安全穿过局部不稳定地层,终孔后又不用洗井而直接就可进行抽水试验[7]。

钻探区的地层为:表层110m左右的冲积层,岩性多为灰白、灰绿色黏土,局部为没有胶结的细砂,孔壁很不稳定;冲积层以下是205m左右的泥岩、粉细砂岩互层,再往下则是煤层、泥岩、泥质砂岩所组成的煤系地层。其目的层为两个含水层,岩性均以泥质砂岩为主。按照水文地质设计要求,在含水层段钻进时不得使用泥浆,也不能使用清水钻进,否则会发生塌孔现象,甚至产生埋钻事故。煤系地层以下至终孔是45m左右的灰岩[7]。

1.无固相冲洗液使用机理

无固相冲洗液的良好性能是通过添加化学处理剂来实现的。高分子聚合物聚丙烯酰胺(PHP)不仅能絮凝钻屑,而且其分子链上的羧基(—COOH)可以加强水解聚丙烯酰胺和孔壁之间的吸附作用,所以有较好的稳定孔壁作用,而水玻璃(Na2 O·nSiO2)则是一种以Si—O—Si键连成的低聚合度聚合物,为黏稠状半透明体,pH值为11.5～12,水解后生成胶态沉淀,能促进沉渣;另外水玻璃遇钙、镁、铁等离子会反应产生沉淀反应[7]:

Na2 SiO3+Ca2+→CaSiO3↓+2Na+

这不仅有助于沉砂,也能促进孔壁形成钙化层,使孔壁得到稳定。腐殖酸钾(KHm)含有钾离子,在足够的浓度下,K+对黏土矿物具有封闭作用,能使易水化膨胀的泥质岩层呈现较好的惰性。

2.基本配方与室内试验

无固相冲洗液的基本配方:PHP 300～600ppm^[1]、Na2 O·nSiO2 6%～8%、KHm 1%。

浆液性能:漏斗黏度17s,密度1.02g/cm3,pH值11,失水量为全失水。

室内试验:浸泡试验。目的是观察试样在浸泡时发生的变化(膨胀、变形及发生的时间)。浸泡岩样取自施工现场,与目的层易坍塌的泥质砂岩及泥岩岩性相同,将其粉碎后过100目筛,用水拌和后做成直径20mm,高25mm的圆柱,自然晾干而成[7]。

3.施工工艺

根据室内试验情况,用泥浆钻穿冲积层,下入φ146护壁套管,继续用泥浆钻进至含水层顶板,换用聚丙烯酰胺—水玻璃—腐殖酸钾无固相冲洗液,代替泥浆钻进,直至灰岩顶板,其间穿过两层煤和两个含水层,孔内一切正常,未发生掉块、坍塌等现象,孔内干净,钻具一下到底。进入灰岩后,由于灰岩裂隙发育,冲洗液全漏失,基于降低成本考虑,改用清水钻进至终孔(终孔深度540m左右),孔内未发生任何异常情况[7]。