李春生

摘 要：該文在結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況、鉆井工程特點(diǎn)及難點(diǎn)情況下，通過(guò)優(yōu)化水井成井工藝，嚴(yán)格控制成井工藝中換漿、破壁、下管、填礫、止水、洗井、下泵、抽水試驗(yàn)等重要工作環(huán)節(jié)，合理使用鉆頭及沖洗液，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了控制，有效地預(yù)防了復(fù)雜地層容易發(fā)生的孔壁坍塌、掉塊、擠、卡鉆事故，取得了良好的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)井 工程特點(diǎn) 工藝設(shè)計(jì) 鉆探技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：P64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0049-03

Drilling Technology of Large Diameter Underground Water Monitoring Well in the Middle of Inner Mongolia

Li Chunsheng

（The Ningxia Hui Autonomous Region Institute of Geology and mineral resources，Yinchuan Ningxia，750021，China）

Abstract：This paper combined with regional geological and hydrological and geological conditions，drilling engineering characteristics and difficulties，through the optimization of well drilling technology， strictly controlled in well drilling technology for pulp，broken，pipe，filling gravel，sealing，wash wells，pumps，pumping test and other important aspects of the work，the rational use of the bits and flushing fluid and the key technical points control，effectively prevent complex formation of the hole wall collapse，dropping block，squeeze，sticking accidents，and achieved good economic and environmental benefit.

Key Words：Monitoring well；Engineering characteristics，Process design；Drilling technology

內(nèi)蒙古地下水監(jiān)測(cè)井工程是為適應(yīng)新形勢(shì)下地下水資源管理的要求。內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳根據(jù)全區(qū)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)際情況，在現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善監(jiān)測(cè)體系，建立科學(xué)、合理、功能齊全的地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)，及時(shí)掌握自治區(qū)地下水超采區(qū)、供水水源區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)以及水資源管理和保護(hù)重點(diǎn)區(qū)等地下水動(dòng)態(tài)變化特征，為地下水資源的科學(xué)管理、合理利用和及時(shí)保護(hù)提供準(zhǔn)確全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)施工設(shè)計(jì)，筆者單位在內(nèi)蒙古中部烏蘭察布市涼城縣岱海周?chē)┕ち巳舾裳郾O(jiān)測(cè)井，以掌握岱海及其周邊地下水補(bǔ)排情況、滿(mǎn)足中長(zhǎng)期地下水監(jiān)測(cè)的任務(wù)。在鉆探施工中，遇到了基巖上覆第四系復(fù)雜地層，如卵石層、松散風(fēng)化破碎坍塌、掉塊、漏水層等情況，該文主要結(jié)合該鉆探工程施工控制技術(shù)，總結(jié)了鉆探技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，以期為相似鉆探工程提供可借鑒的技術(shù)對(duì)策。

1 水文及地質(zhì)概述

1.1 地質(zhì)條件

涼城縣呈北東向展布于蠻汗山系與馬頭山系之間，由于劉家夭-雙古城及新堂東新斷層，形成地塹式斷陷盆地。出露的地層主要有太古界桑干群的古老變質(zhì)巖系地層、上覆古-新近系地層、第四系地層。

太古界（Ar）：為一套深變質(zhì)的片麻巖系地層，巖性主要為含矽線(xiàn)石、石榴子石的花崗片麻巖，其間在不同地區(qū)穿插有輝綠巖、石英巖等新老巖脈。該套地層的出露，受岱海盆地主控?cái)嗔训目刂?，沿SW-NE向呈條帶狀展布。古-新近系地層（N+E）：以大面積的玄武巖為特征，局部地區(qū)有殘積紅土出露。

本內(nèi)第四系（Q）地層成因類(lèi)型復(fù)雜，包括如下。

上更新統(tǒng)（Q3al+pl）：分布于盆地周?chē)庸鹊貛?，?gòu)成沿河流出山口沖洪積扇，巖性以砂礫石層、卵石層與粉土、粉質(zhì)粘土層互層為主，分布在河流兩岸階地地帶，巖性為粉質(zhì)粘土、粘土夾砂礫石透鏡體，大孔性和垂直節(jié)理發(fā)育，可見(jiàn)厚度20～30 m。

全新統(tǒng)（Q4opl）：坡洪積層，分布于山前地帶，形成坡洪積裙，巖性為粉土、粉質(zhì)粘土夾碎石，角礫等。

1.2 水文地質(zhì)條件

該區(qū)的區(qū)域水文地質(zhì)條件主要受氣候、地貌、巖性、構(gòu)造及地理環(huán)境控制，尤以地質(zhì)構(gòu)造控制作用更為強(qiáng)烈。該區(qū)受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，在古近系以來(lái)明顯的差異性升降運(yùn)動(dòng)中，形成了封閉的內(nèi)陸岱海湖盆。

岱海盆地呈北東向展布于蠻汗山系與馬頭山系之間，由于劉家夭-雙古城及新堂東新斷層，形成地塹式斷陷盆地，周邊主要的含水層為砂卵石、中粗砂，粉砂，由盆地邊緣向湖濱顆粒逐漸變細(xì)。地下水位由深而淺，由50 m而漸變到小于2 m，由潛水逐漸變?yōu)槌袎核?。湖積淤泥質(zhì)粘土層為良好的隔水層，在濱湖地帶形成自流水。在盆地東北部的慶福店、下毫慶蘇木一帶山前洪積扇的中上部含水層為卵礫石，在60 m的深度內(nèi)有2～3個(gè)含水層，地下水不具承壓，一般水位埋深15～40 m，水量豐富。圍繞岱海近湖濱地帶的麥胡圖鄉(xiāng)、北部三蘇木鄉(xiāng)義和村、新堂等地為古岱海的邊緣沉積地帶，含水層為第四系中粗砂、卵礫石，地下水比較豐富，而岱海南部城卜子一帶，下部為古岱海之湖積物，上部為洪積物較薄，地下水不豐富。盆地四周的基巖裂隙水是盆地潛水、承壓水的補(bǔ)給區(qū)。岱海湖是地下水和地表水的共同匯集區(qū)，由此形成一個(gè)完整的補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)的閉合盆地水文地質(zhì)單元。

2 工程特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

監(jiān)測(cè)井施工設(shè)計(jì)井深為60 m，由于上覆蓋層成因復(fù)雜，主要由山前洪積物及河流沖積物及砂質(zhì)粘土混合構(gòu)成，卵礫石層分布較廣，結(jié)構(gòu)松散，巖土膠結(jié)性較差，其中卵礫石及砂層容易出現(xiàn)坍塌，出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象，水敏性硬塑粘土容易縮頸。在鉆井施工中極易發(fā)生孔壁坍塌，擠、卡鉆等現(xiàn)象。

施工區(qū)位于岱海周邊，地下水資源較為豐富，水文地質(zhì)情況特殊，鉆進(jìn)工程中可能發(fā)生地下水漏水或涌水情況。

復(fù)雜地層巖性及地下水造成效率低，事故多，造成鉆探成本增加。許多泥漿含有油、化合物等，如果采取的鉆井液成分含量較大則污染地下水，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)不利。

3 鉆井工藝設(shè)計(jì)

3.1 鉆探

該項(xiàng)目鉆進(jìn)施工采用Φ400 mm螺旋鉆頭泵吸反循環(huán)清水鉆進(jìn)成孔至設(shè)計(jì)孔深，在粘土層鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)加快鉆進(jìn)速度，到砂層后考慮到砂層不易造泥漿，則放慢鉆進(jìn)速度；砂卵碎石層鉆進(jìn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)尺不明顯，改換備用的壓輪鉆頭和套筒鉆頭，提高鉆進(jìn)速度。鉆進(jìn)過(guò)程中，孔內(nèi)必須保持穩(wěn)定的水位，缺水時(shí)需及時(shí)補(bǔ)水，以維持孔內(nèi)水頭差，以防坍孔。并用撈篩撈取鉆碴作地層巖性鑒別，核對(duì)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料。

鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度時(shí)立即進(jìn)行水文物探視電阻率測(cè)井，測(cè)井深度不小于設(shè)計(jì)深度。通過(guò)視電阻率法測(cè)井進(jìn)一步確定地層巖性，從而確定含水層及需止水的位置，為后續(xù)的排管及成井提供準(zhǔn)確依據(jù)。

3.2 井管配置與安裝

根據(jù)鉆進(jìn)中取得的地層巖性便路資料及電測(cè)井結(jié)果，核定監(jiān)測(cè)井井壁管、過(guò)濾管、沉淀管的長(zhǎng)度和下置位置。該工程采用 Φ200 mm球墨鑄鐵井管，下管方法根據(jù)管材強(qiáng)度、下置深度和起重設(shè)備能力等因素，采用提吊下管法，提吊下管時(shí)穩(wěn)拉慢放，如遇到阻力，不得猛墩或壓入，避免井管損傷或造成井管彎曲變形。

井壁管安裝在監(jiān)測(cè)井的頂部，均采用實(shí)管。井壁管高出監(jiān)測(cè)井附近地面300 mm。沉淀管安裝在監(jiān)測(cè)井的底部，均采用實(shí)管，底部進(jìn)行封底。沉淀管長(zhǎng)度為3 m。濾管介于井壁管和沉淀管之間，含水層全部安裝過(guò)濾管，均采用纏絲包網(wǎng)過(guò)濾器。濾水管的開(kāi)孔率管為25%～30%，開(kāi)孔方式為圓孔且呈梅花形排列。

井管的連接做到對(duì)正接直、封閉嚴(yán)密，井管采用焊接連接，焊口處需設(shè)加勁鋼板，焊逢必須平整、無(wú)砂眼及夾渣，焊接過(guò)程中要保證管材同心、垂直。焊縫必須牢固，滿(mǎn)足抗拉要求并不得加有沙眼，要確保焊接質(zhì)量。為保證井管垂直、同心、防止靠壁，在濾水管的中、下部位，分別安裝導(dǎo)正器。過(guò)濾器安裝位置的上下偏差不超過(guò)300 mm。井管的頂角偏斜不超過(guò)1°。

3.3 填礫、封閉和止水效果檢查；

（1）井管安裝到位后，根據(jù)地層巖性，濾料選取粒徑1～3 mm磨圓度良好的砂和砂礫石，濾料自鉆進(jìn)深度處充填至濾水管頂端以上10 m處；填礫時(shí)必須連續(xù)、均勻、速度適當(dāng)，嚴(yán)防棚堵，隨時(shí)觀測(cè)填礫的實(shí)際高度，核對(duì)數(shù)量，濾料不含土和雜物。

（2）選取半干狀粘土球，對(duì)止水層段進(jìn)行封閉止水，止水厚度為5 m。通過(guò)測(cè)量管內(nèi)外水位高度進(jìn)行止水效果檢查，確保止水效果可靠。

3.4 固孔及洗井

填礫至設(shè)計(jì)高度經(jīng)止水檢查合格后，將止水部位以上的孔段用粘土球徹底封死、填實(shí)，防止機(jī)井在使用過(guò)程中出現(xiàn)地面塌陷或地表水滲入。

洗井及井底沉淀物厚度均小于規(guī)范要求。

3.5 抽水試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)要求對(duì)該孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)。抽水試驗(yàn)采用單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，此次抽水試驗(yàn)進(jìn)行3次將深。（其中最大降深值可接近孔內(nèi)的設(shè)計(jì)動(dòng)水位，其余2次下降值分別為最大降深值的1/3和 2/3）。抽水試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)水位和出水量觀測(cè)的時(shí)間，在抽水開(kāi)始后的第5、10、15、20、25、30 min各測(cè)一次，以后每隔30 min測(cè)一次；抽水試驗(yàn)的穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間符合（卵石、圓礫和粗砂含水層為8 h）；水位的觀測(cè)，在同一試驗(yàn)中采用同一方法和工具。此次抽水孔的水位測(cè)量讀數(shù)到厘米；出水量采用1 m3的三角堰箱，測(cè)堰口水珠高度。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)與控制措施

4.1 鉆探設(shè)備選擇與事故處理

建國(guó)以來(lái)，我國(guó)的水井鉆探工藝及設(shè)備已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步， 但受制于體制及成本制約，目前許多鉆探施工仍以硬質(zhì)合金或剛粒鉆進(jìn)、泥漿正循環(huán)洗井的傳統(tǒng)工藝為主。許多施工均采用“小徑鉆、大徑擴(kuò)” 的施工方法，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且泥漿洗井工藝，需水量大，在旱區(qū)只能靠運(yùn)水鉆進(jìn)。此次工作區(qū)水井鉆探的鉆孔口徑大， 所鉆地層多為第四紀(jì)的松散卵礫石層、砂礫石層以及砂土、粘土、砂等地層。施工采用了SPJ-200反循環(huán)鉆機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是： 排粉效果好，速度快，鉆井效率高；口徑和深度匹配性較好；在復(fù)雜層、卵礫石層鉆進(jìn)效率較高。其中，擴(kuò)孔鉆頭應(yīng)具有超前導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在第四系及松軟地層擴(kuò)孔，宜選用螺旋翼片鉆頭；在卵礫石層和基巖中應(yīng)選用牙輪鉆頭。擴(kuò)孔鉆壓：在第四系砂土地層為 0.25～0.5 kn/cm，粘土層為0.3～0.6 kn/cm。擴(kuò)孔線(xiàn)速度：粘土層為1.5～2.5 m/s，砂土層為1.5～2 m/s。在擴(kuò)孔鉆井中采用大泵量擴(kuò)孔，沖洗液上返速度保持大于0.1 m/s。采用Φ400 mm螺旋鉆頭泵吸反循環(huán)清水鉆進(jìn)成孔時(shí)，粘土層鉆進(jìn)時(shí)，加快了鉆進(jìn)速度，到砂層后考慮到砂層不易造泥漿，則放慢了鉆進(jìn)速度；砂卵碎石層鉆進(jìn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)尺不明顯，改換備用的壓輪鉆頭和套筒鉆頭，提高了鉆進(jìn)速度。

在個(gè)別孔鉆進(jìn)時(shí)遇卡鉆現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鉆具回轉(zhuǎn)遇阻時(shí)，立即上下活動(dòng)鉆具，使得鉆桿不抱死，并送入沖洗液，堅(jiān)持半小時(shí)后成功解決。

由于地層較為復(fù)雜特殊，造成鉆孔孔壁坍塌是常有的事情，在幾個(gè)鉆孔發(fā)生坍塌情況均有前兆，即巖心破碎、松散，鉆進(jìn)時(shí)泵壓異常，孔內(nèi)回轉(zhuǎn)阻力增大，嚴(yán)重的出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。立即提高沖洗液的濃度，加入防塌、護(hù)壁性能較好的處理劑，不斷小幅變換泵量進(jìn)行泥漿循環(huán)，進(jìn)行排渣護(hù)壁，后循環(huán)數(shù)小時(shí)后，恢復(fù)正常鉆進(jìn)。

此次施工鉆孔出現(xiàn)涌漏水是常見(jiàn)的，涌水發(fā)生時(shí)，由于地下水的入侵，泥漿性能被破壞，護(hù)壁功能喪失，引起孔壁的坍塌。處理方法采用加大泥漿密度、水泥灌注封堵，在加大泥漿密度無(wú)效的情況下，用灌注水泥漿的方法處理。漏水時(shí)，在水泥漿液中加入惰性材料，減少大裂隙地層堵漏漿液的漏失。并在孔內(nèi)鉆桿提出后，對(duì)上主動(dòng)鉆桿，泵入適量的清水或泥漿，憋壓治涌水泥漿液一夜后再進(jìn)行掃孔便可成功。

4.2 鉆井液選擇及其特點(diǎn)

在松散復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，目前沿用高固相細(xì)分散性泥漿為主要的沖洗介質(zhì)。這種洗井介質(zhì)會(huì)造成一些弊病，水文鑿井時(shí)在井壁上形成泥皮，影響含水層的出水，洗井不徹底有可能會(huì)影響含水層的判斷；此次Φ400 mm大口徑鑿井，排粉效果低下，在卵礫石層有涌、漏水的可能；高固相泥漿的配備操作要較高，一旦操作不好，造成事故，延長(zhǎng)成井周期，增加成本，降低了效率。傳統(tǒng)的固相細(xì)分散泥漿不能完全滿(mǎn)足水文水井鉆進(jìn)的需要，因此要在固相細(xì)分散泥漿基礎(chǔ)上維持加重泥漿體系的穩(wěn)定，從而保持泥漿壓力鉆孔圍壓平衡，又要有利于鉆粉排除，保證安全鉆進(jìn)。此次使用延安某公司生產(chǎn)的光譜護(hù)壁劑Ⅲ型，適量加入高粘防塌劑和高粘堵漏劑。在漏水嚴(yán)重時(shí)加入膨脹堵漏王，有效地解決了鉆井液?jiǎn)栴}。

5 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)蒙古地下水資源的監(jiān)測(cè)與保護(hù)鑿井工程以鉆井施工為主體工程，需要先進(jìn)的鉆探裝備及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)內(nèi)蒙古中部環(huán)岱海周邊復(fù)雜地層特點(diǎn)，在鉆井施工中采用反循環(huán)鉆機(jī)，空氣洗井鉆井法及合適的沖洗液工藝，取得了預(yù)期的效果。證明該設(shè)計(jì)施工工藝及鉆探技術(shù)能夠滿(mǎn)足地下水監(jiān)測(cè)鑿井技術(shù)要求。

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