杜江巖　陳和軍　師德?lián)P　曹阿楠　李林

摘要：水文地質(zhì)鉆探的技術(shù)目的是通過鉆探技術(shù)手段獲取礦區(qū)地層的各項(xiàng)物性參數(shù)、水文地質(zhì)、水化學(xué)參數(shù)。水文地質(zhì)鉆探常涉及含水層施工鉆井液漏失、塌孔、縮頸等復(fù)雜施工情況，含水層持力層多不穩(wěn)定，卡、埋鉆等鉆探事故頻發(fā)。且此類鉆探事故處理周期長，報(bào)廢概率高。為了安全、高效、高質(zhì)量地進(jìn)行水文鉆探施工，總結(jié)新疆漢水泉煤田水文地質(zhì)勘查中30多個(gè)水文鉆孔的勘探成果，提出隨鉆進(jìn)深度多梯次分孔徑施工、采用套管結(jié)合高黏性鉆進(jìn)液防漏失的水文鉆探方法，為后續(xù)水文地質(zhì)鉆探工作高效施工，總結(jié)一些成熟經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：水文鉆探;防治;措施

隨著我國水文地質(zhì)事業(yè)的發(fā)展，新疆水文地質(zhì)勘探相繼啟動(dòng)了大規(guī)模的煤田供水勘探，區(qū)域水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)項(xiàng)目，煤田供水研究及不同類型的水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工程勘察項(xiàng)目對(duì)下伏第四系地層的鉆探施工有著不同的工程要求，因而提供準(zhǔn)確無誤的地質(zhì)勘察資料顯得非常重要。隨著水文地質(zhì)由區(qū)域普查到礦區(qū)詳查精度的不斷提高，與水文地質(zhì)相關(guān)的第四系地層水文鉆探工作量和工作質(zhì)量要求不斷提高，要求取芯具備更高的完整性和原裝性，取芯直徑和取芯進(jìn)尺要求不斷提高。但按照往期的水文地質(zhì)鉆探規(guī)程施工，完成現(xiàn)行水文地質(zhì)技術(shù)勘查精度要求存在較大難度，前人水文鉆探方法存在取芯率原狀性差和費(fèi)效比低等多種問題。隨著新疆漢水泉煤田水文地質(zhì)勘查工作的開展，我們項(xiàng)目組結(jié)合單位水文鉆探機(jī)械配置，不斷總結(jié)鉆探施工方法、調(diào)整摸索解決方案，加深了對(duì)調(diào)查區(qū)下伏地質(zhì)情況的了解。按照由簡單至復(fù)雜的工作部署方案部署，實(shí)施水文鉆探32眼，孔深112～350 m，孔徑450～650 mm，通過總結(jié)鉆探中遇到復(fù)雜地層時(shí)的技術(shù)問題，合理設(shè)計(jì)解決方案，最終完工水文鉆探孔32眼，獲得了一些水文地質(zhì)鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下。

1? ? 對(duì)項(xiàng)目區(qū)復(fù)雜地層的性質(zhì)分析

項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)鉆探揭露的下伏復(fù)雜地層有兩種：第一種是在復(fù)雜構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的破碎地層，此類地層普遍膠結(jié)性差、結(jié)構(gòu)松散、較為破碎且強(qiáng)度不高、有次生節(jié)理裂隙發(fā)育，在水文大口徑施工過程中，常發(fā)生塌孔、卡鉆等鉆探事故。第二種是第四系松散堆積的復(fù)雜沉積層，由第四系風(fēng)積物、流水沉積物、洪積物、冰磧物等混合組成，此類巖層天然物性較為松散，有易于膨脹濕陷的黏土、流沙，易于松散墜落的砂卵礫石、漂石，成層性差，結(jié)構(gòu)疏松、層級(jí)規(guī)律差、層間硬度變化大、沉積物分選不良，在水文鉆井沉井過程中，易墜落塌落，致使巖性采取率低，巖性原裝性變差，同時(shí)易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等鉆探事故;且上述兩種破碎地層多為含水層，孔隙裂隙發(fā)育，易造成鉆井液漏失或鉆孔突水事故。水文地質(zhì)鉆探在上述復(fù)雜地層沉井施工普遍存在“三難”——沉井施工難、護(hù)壁保液難、取芯取樣難[1]。

2? ? 預(yù)防措施

2.1 采用大于常規(guī)口徑水文鉆孔的多梯次分孔徑施工

綜合分析物探、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)施工可能碰到上述復(fù)雜破碎地層的鉆孔，首先使用大于要求口徑350 mm的鉆孔口徑開孔，形成多梯次孔徑逐級(jí)施工，可以分級(jí)使用薄壁塑料外套管（一級(jí)），內(nèi)套管（二級(jí)），沉井鉆具（三級(jí)），由大口徑鉆頭開孔，逐級(jí)減少鉆頭口徑繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，仍能保證采取巖心的直徑符合要求。

以新疆漢水泉煤田水文地質(zhì)ZK14取芯孔為例。設(shè)計(jì)終孔孔徑φ275 mm，取芯采用單動(dòng)雙管鉆具，開孔鉆頭口徑φ550 mm（孔徑φ610 mm），開孔隨即下人φ608 mm的孔口薄壁塑料套管。Φ608 mm的孔口套管下入至55 m后，揭穿洪積層，進(jìn)入細(xì)顆粒地層，換φ250 mm鉆頭，保持單動(dòng)雙管鉆具進(jìn)尺55～300 m，鉆進(jìn)遇礫石含水層，鉆井液漏失嚴(yán)重，換用堵漏泥漿快速穿過，同時(shí)下入φ325 mm套管，持力層選擇在相對(duì)穩(wěn)定致密的黏土細(xì)顆粒地層時(shí)下入。

同樣，如果水文觀測(cè)孔要求使用取心鉆具為φ159 mm繩索取芯或φ166 mm雙管單動(dòng)取芯，成孔直徑不小于φ191 mm。

2.2 大孔徑水文深孔不可小徑“一徑到底”

大孔徑水文深孔，一般指設(shè)計(jì)孔深為500～1000 m的水文鉆孔。小徑指φ150 mm的繩索取芯口徑或φ89 mm的普通雙管口徑。鑒于要通過水文試驗(yàn)采取下部水文地質(zhì)參數(shù)，一般水文地質(zhì)勘查規(guī)范要求沉井孔徑≮159 mm（原則上不允許采用φ89 mm的口徑）。

經(jīng)過本項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)在大孔徑水文深孔施工中，不建議在設(shè)置孔口管后，直接換成小孔徑鉆具轉(zhuǎn)入常規(guī)口徑鉆進(jìn)，并一徑到底，為保證成井質(zhì)量和可靠性，建議多梯次分孔徑施工，每一梯次孔徑間差距≮90 mm。

主要原因在于，鉆進(jìn)遇到破碎復(fù)雜地層，如果一徑到底沉井施工，缺少套管保護(hù)和施工套管的梯級(jí)孔徑空間，重點(diǎn)在200～300 m的施工深度，若沒有多梯次分孔徑施工下套管隔離，孔段太長，后續(xù)水文孔擴(kuò)孔沉井難度極大，極易報(bào)廢現(xiàn)有井孔，造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)后續(xù)下管沉井過程中，上部孔段沒有套管保護(hù)對(duì)沉井井管的下入也會(huì)形成事故隱患。

其實(shí)道理很簡單，在各類巖芯鉆探、工勘鉆探、大口徑水文鉆探護(hù)孔堵漏措施里下入套管隔離上部地層是最穩(wěn)妥有效的方法，多梯次分孔徑施工，不再小徑“一徑到底”也是現(xiàn)行最可靠的大水文孔大口徑沉井技術(shù)手段。

2.3 鉆井液選配

大水文孔大口徑沉井在地下水出露區(qū)施工，一般使用清水鉆探。清水作為鉆井液，可以有效減少鉆進(jìn)阻力，提高鉆井速度，減少對(duì)原含水層的污染破壞，采取下部水文樣品的置換周期和準(zhǔn)確性也較高。但碰到復(fù)雜破碎地層大水文孔大口徑沉井施工難度極高，也不提倡清水鉆進(jìn)，建議選用低固相泥漿，同時(shí)還要收集分析施工區(qū)域的各類地質(zhì)、工勘鉆孔沉井施工資料，結(jié)合地下水類型、礦化度等水文地質(zhì)參數(shù)有對(duì)應(yīng)性地選取鉆井液配置方法。

適合大水文孔大口徑沉井的鉆井液配方有：SM—KHm超低固相泥漿、SM植物膠泥漿、普通黏土泥漿。SM—KHm超低固相泥漿物性穩(wěn)定，比重浮力大，流動(dòng)性攜帶性好，護(hù)壁強(qiáng)度高，可有效保證第四系松散層施工的取芯率和沉井率。SM植物膠泥漿適用于結(jié)構(gòu)松散，孔壁穩(wěn)定性差，涉含水層施工，自然造漿嚴(yán)重易出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象的粗細(xì)顆?；祀s地層。普通黏土泥漿易于沉井清洗，穩(wěn)定性好，流動(dòng)性攜帶性較好，護(hù)壁強(qiáng)度較高，在本項(xiàng)目深孔勘查項(xiàng)目中也取得了良好的效果[2-4]。

3? ? 治理措施

大水文孔大口徑沉井中，即使有嚴(yán)格的施工應(yīng)急預(yù)案也會(huì)受到破碎地層和復(fù)雜沉積層對(duì)施工進(jìn)度的影響。這兩種情況成因不同，應(yīng)該分而治之。

3.1 破碎地層

破碎地層指各類地質(zhì)作用下形成的松散地層，此種地層出現(xiàn)的層位通過物探等技術(shù)手段可以預(yù)測(cè)，但很難準(zhǔn)確預(yù)判。碰到此類地層，應(yīng)順序調(diào)整施工工序：換用高性能泥漿護(hù)壁→加快鉆井速度快速穿過→套管隔離→向下繼續(xù)鉆井。

以新疆漢水泉煤田供水勘查工程16線為例，16線5個(gè)鉆孔所揭露地層：0～27 m為沙礫石層，27～33 m為卵礫石層，33～57 m為沙礫石層，57～81m為含瑪瑙礫巖、81～202 m為砂巖層，27～81 m就是該孔的破碎地層。

開孔采用傳統(tǒng)的清水鉆進(jìn)，在采芯要求嚴(yán)格的情況下，31～34m進(jìn)尺取芯揭露的卵礫石層，同時(shí)通過建議水文地質(zhì)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失嚴(yán)重，換用SM植物膠鉆井液，配比4.2%，黏度大于30 S，確保后續(xù)取出膠結(jié)成柱狀的松散巖心同時(shí)具有較高的流動(dòng)性，確保了鉆井液快速通過，減少了鉆井液漏失。

項(xiàng)目多孔施工結(jié)果表明，在不憋泵的前提下，采用這種鉆井液處理方法是較為有效的，未發(fā)生過掉塊、卡鉆事故。

新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)多梯次分孔徑施工采用多層護(hù)壁套管，有效防止了破碎地層可能的鉆探事故，同時(shí)外部薄壁套管成本低，內(nèi)部鋼質(zhì)套管易拔取，套管下孔前應(yīng)采取相應(yīng)的潤滑技術(shù)措施及成果圖見圖1。

3.2 復(fù)雜沉積層

復(fù)雜沉積層是指第四系搬運(yùn)堆積運(yùn)動(dòng)作用下形成的復(fù)雜沉積地層。其中地層中孔隙裂隙發(fā)育連通性好，鉆井液的漏失導(dǎo)致鉆孔孔壁護(hù)壁失壓、塌孔、卡鉆，鉆井液漏失地層又分為孔底漏失與孔側(cè)層段漏失。其中孔底漏失多發(fā)生在天然裂縫、溶洞或者原有采空區(qū)地層的勘探區(qū)，發(fā)生原因是地下的復(fù)雜壓力環(huán)境或者孔洞被鉆孔揭露，一般水文地質(zhì)大孔徑鉆探不易碰到。而孔側(cè)層段漏失有成層性漏失與小范圍地層漏失2種形式。

3.2.1 成層性漏失

以新疆漢水泉煤田供水勘查工程ZK2孔施工情況為例，該孔存在45～65 m，95～107 m2個(gè)卵石地層，在兩個(gè)巖層出現(xiàn)漏失、少量返漿或完全不返漿現(xiàn)象時(shí)，提鉆會(huì)發(fā)生塌孔縮徑，再下鉆下不去或找不到原孔;停鉆后，有涌水現(xiàn)象，鉆井液被稀釋。

漏失發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)逐步實(shí)施了兩種處理方案：一是換用傳統(tǒng)黏土泥漿，密度為1.17g/cm3，黏度>38 S，可使鉆孔漏失量減少，塌孔縮徑有所改善，便于鉆井工作繼續(xù)向下開展。二是換用無固相泥漿，泥漿配方為聚丙烯酰胺0.16%，纖維素0.35%。此種泥漿送返巖屑效力提升顯著，鉆探效率明顯提高，未再發(fā)生鉆孔漏失、塌孔縮徑。

這種明顯與周邊地層連通的漏失地層的治理步驟與破碎地層相同，但首先要及時(shí)更換鉆井液堵漏，以免造成后續(xù)更大的鉆探事故。

3.2.2 小范圍地層漏失

孔段中小范圍地層的漏失，也多發(fā)生在復(fù)雜沉積層。此種漏失的表征較為明顯，表現(xiàn)為突發(fā)性的鉆井液大量漏失，同時(shí)鉆孔多伴有一定程度的縮徑，對(duì)鉆孔沉井質(zhì)量影響大，且鉆井液漏失量如果較大，容易影響后續(xù)對(duì)下部地層水文參數(shù)的確定。較為典型的特點(diǎn)是大口徑水文鉆孔發(fā)生小范圍地層漏失時(shí)，如果提鉆，會(huì)伴有較為明顯的井噴現(xiàn)象。建議首先改用普通黏土泥漿，密度1.02 g/cm3左右，黏度30 s左右，也可在提鉆孔后采用灌注法灌注水泥漿，封堵區(qū)段地層，確保后續(xù)鉆探工作順利進(jìn)行[5-8]。

4? ? 結(jié)論

（1）部署大孔徑水文鉆孔孔位時(shí)，應(yīng)盡量避開復(fù)雜破碎地層，確定是目的含水層的，一定要制定多梯次分孔徑施工，分級(jí)套管封堵。

（2）遇到復(fù)雜情況，要辨清漏失類別，采取相應(yīng)對(duì)策。

（3）不同鉆井液配比及使用，決定大孔徑水文鉆孔的施工沉井效率，應(yīng)結(jié)合施工進(jìn)程及時(shí)開展簡易水文觀測(cè)，并根據(jù)取芯揭露情況及時(shí)選取或更換適當(dāng)鉆井液類型。

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