劉鵬，廖明海，姚海平

（核工業(yè)二八0研究所，四川 廣漢 618300）

滇西梁河地區(qū)受巖漿活動和地質(zhì)構(gòu)造的影響，孕育有豐富的地下礦產(chǎn)資源。核工業(yè)二八0研究所在該地區(qū)開展多金屬找礦工作多年，并于2018年開始開展鉆探查證工作，工作地點主要位于騰沖市。2019年在該地區(qū)共施工鉆孔14個，完成鉆探工作量4000余米，主要采取單管取心鉆進工藝施工。由于地質(zhì)構(gòu)造復雜多變，在施工中遇到的孔內(nèi)事故較多，該年度遇到的最大難題為涌水孔的施工問題，若無法解決該問題，則難于進行后續(xù)施工。最后經(jīng)過探討和實踐，通過采用跟管鉆進技術(shù)，成功的解決了該地區(qū)涌水孔施工難題，進而順利完成施工任務。

1 工區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

騰沖市地處亞歐板塊與印度板塊相撞交接的地方，地質(zhì)史年代發(fā)生過激烈的火山運動。正是由于兩個大陸的漂移碰撞，使騰沖成為世界罕見并且是最典型的火山地熱并存區(qū)，并孕育出大量的礦產(chǎn)資源。該地區(qū)地勢北高南低，東高西低，區(qū)內(nèi)多高山，山區(qū)海拔在1400～3000m之間，屬構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)。盆地出露海拔在1000～1800m之間，相對高差在300～700m之間，屬低山丘陵河谷階地地貌。騰沖微板塊構(gòu)造較復雜，褶皺構(gòu)造與斷裂構(gòu)造發(fā)育，且以斷裂構(gòu)造為主。構(gòu)造線方向總體呈向東凸起的弧形，弧頂在北部騰沖地區(qū)梁河、龍陵一線。梁河、龍陵以北地區(qū)主構(gòu)造線方向以近南北向為主，以南地區(qū)以北東向為主。工作區(qū)受地質(zhì)構(gòu)造影響，地層復雜多變，屬于鉆孔孔內(nèi)事故多發(fā)地帶，易發(fā)生涌水、漏失和塌孔等事故。

1.2 氣候特征

工作區(qū)屬于熱帶季風氣候，集大陸氣候和海洋性氣候的優(yōu)點為一體，冬春天氣晴朗，氣候暖和，夏秋晴雨相兼，氣候涼爽宜人，年平均降雨量為1531毫米。由于其獨特的氣候條件和豐富的降水，致使該地區(qū)的地下水資源極其豐富，是鉆孔涌水的主要成因之一。

1.3 巖石的物理機械性質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)設計書的鉆孔剖面圖和鉆孔揭露的地層，鉆遇主要地層有第四系覆蓋層、泥巖、砂巖、砂礫巖、花崗巖和玄武巖等。在鉆遇膠結(jié)松散的砂巖地層和裂隙發(fā)育的花崗巖地層易產(chǎn)生鉆孔涌水。各地層的可鉆性巖石物理機械特性和分級如下表1：

表1 巖石物理機械特性和分級表

2 涌水孔成因及特點

涌水孔成因：根據(jù)以往施工情況和水文地質(zhì)資料，該地區(qū)的地層中含有豐富地下水（潛水和承壓水），施工中易鉆遇涌水地層，涌水地層主要表現(xiàn)為承壓水層涌水。當鉆孔鉆穿破壞承壓水層頂板時，導致砂巖地層中承壓水找到泄壓點，導致地下水沿鉆孔涌出，從而形成涌水孔。

涌水特點：水量大、不集中、多孔段，部分涌水層攜帶有大量的泥沙。

因此，在該地區(qū)鉆探施工時，應采取有效措施解決鉆孔涌水問題。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗和查閱相關資料后，研究決定采用跟管鉆進技術(shù)進行涌水施工。

3 涌水孔處理關鍵技術(shù)

通過對涌水孔施工過程中各環(huán)節(jié)的進行經(jīng)驗總結(jié)，涌水孔處理過程中的關鍵技術(shù)如下：

3.1 跟管鉆進技術(shù)

跟管鉆進是一種處理常規(guī)鉆進無法正常施工的技術(shù)手段，跟管鉆進的形式多種多樣，且適用地層條件和施工工藝均不同。其主要原理為：一邊向下鉆進一邊跟進下入套管，通過下放的套管及時保護孔壁，以應對復雜的地層，確保成孔。本文中的跟管鉆進技術(shù)流程主要如下：

（1）正常取心鉆進，施工至涌水地層后提鉆；

（2）采用較鉆孔大一級的金剛石無內(nèi)徑鉆頭配合套管進行擴孔施工至鉆孔當前孔深位置，孔口固定套管；

（3）下入較套管內(nèi)徑小一級的取心鉆具，進行取心，根據(jù)施工情況，確定取心施工深度（一般為整根套管長度3m），提鉆取心（圖1）；

圖1 涌水取心鉆進

（4）解除固定并分次加長套管，采用回轉(zhuǎn)擴孔的方式下入取心位置后（圖2），孔口固定套管；

圖2 跟管鉆進圖

（5）重復步驟3和步驟4，直至穿過涌水地層后，將套管在穩(wěn)定地層上坐實，防止套管跑管，固定套管。

3.2 地下水和鉆井液隔離技術(shù)

在下入套管后，由于套管與孔壁之間留有間隙，地下涌水從套管外圍涌出，為隔離地下水和鉆井液，可采用塑料布將套管口纏緊，地下水在塑料布下沿引導槽進入溪流，鉆井液在塑料布上流動循環(huán)至泥漿坑，從而達到地下水與鉆井液的有效隔離。

當采用兩層套管隔離多層地下水時，其鉆井液循環(huán)路徑和涌水路徑示意圖見圖3。

圖3 涌水分流示意圖

4 涌水孔處理工藝實例分析

本文以ZK37-26涌水鉆孔為例，對涌水鉆孔處理工藝流程進行概述。

4.1 ZK37-26涌水孔概況

該鉆孔設計孔深為360米，施工周期為14天，是2019年度涌水量最大的鉆孔，其處理過程也最復雜。其施工中共鉆遇4層涌水層，均為承壓水層。最后通過跟管鉆進的涌水處理措施，達到成孔的目的。開創(chuàng)了梁河地區(qū)跟管鉆技術(shù)進處理鉆孔涌水的先河，為后續(xù)的涌水孔施工提供了參考和依據(jù)。該鉆孔涌水情況和涌水段見下表2：

表2 ZK37-26鉆孔涌水情況統(tǒng)計表

4.2 涌水孔鉆孔結(jié)構(gòu)設計

考慮到該地區(qū)涌水情況較嚴重，綜合工作區(qū)域內(nèi)地層和巖性特點，在充分考慮鉆進工藝技術(shù)的基礎上，擬采用多級鉆孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際情況進行適當調(diào)整，初步確定鉆孔結(jié)構(gòu)圖如右圖4：

圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 鉆井液配置

由于該地區(qū)涌水量大，采用傳統(tǒng)的加重鉆井液的方法施工根本無法滿足施工要求，同時涌水段涌水與鉆井液結(jié)合，易影響當?shù)丨h(huán)境。因此，在涌水段施工時，采用清水替代鉆井液，在涌水地段下入隔水套管后，實現(xiàn)鉆孔涌水與鉆井液分離后，使用常規(guī)的鉆井液鉆進。

4.4 涌水孔施工流程

根據(jù)邊施工邊調(diào)整的原則，施工過程大致分為以下幾個階段。

4.4.1 第一階段：0～60m（第一層涌水層）

取心鉆具組合：

開孔鉆具+變徑接手+主動鉆桿；

Ф110mm復合片單管取心鉆頭+Ф89mm單管加長巖心管+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿。

跟管鉆具組合：

Ф131mm金剛石鉆頭（無內(nèi)徑）+Ф127mm套管+變徑接手+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿。

工藝流程：

使用開孔鉆具開孔，施工至穩(wěn)定地層后下入Ф127mm套管并固定，后更換Ф110mm鉆具施工至40m，地層出現(xiàn)涌水；提鉆并拔出套管，采用上述跟管鉆具施工擴孔至40m并固定后，更換取心鉆具進行取心；在取心結(jié)束后，加長套管，往下繼續(xù)擴孔至取心位置處；擴孔結(jié)束后，更換取心鉆具進行取心，隨后繼續(xù)跟管擴孔。按上述跟管鉆進流程循環(huán)施工至鉆孔60m處，套管內(nèi)部基本停止涌水，根據(jù)取出的巖心判斷地層基本穩(wěn)定，停止該跟管鉆進過程。此時套管外部仍存在涌水現(xiàn)象，按照上述隔離措施將鉆井液和涌水分流后，進行正常取心鉆進。

4.4.2 第二階段：60～147m（第二層至第四層涌水層）

取心鉆具組合：

Ф110mm復合片單管取心鉆頭+Ф89mm單管巖心管+變徑接手+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿；

Ф94mm復合片單管取心鉆頭+Ф89mm單管巖心管+變徑接手+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿。

跟管鉆具組合：

Ф110mm金剛石鉆頭（無內(nèi)徑）+Ф108mm套管+變徑接手+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿。

工藝流程：

采用Ф110mm取心鉆具施工至91m處，孔內(nèi)再次出現(xiàn)涌水情況，根據(jù)當時涌水量的大小，決定再次采用跟管鉆進方法施工，以防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。隨即提鉆，下入上述跟管鉆具至涌水處并固定套管后，更換Ф94mm取心鉆具進行取心施工，按照第一階段跟管鉆進施工工藝施工，在施工至95m處后，涌水量趨于平穩(wěn)，但采取巖心較松散，隨即繼續(xù)跟管施工，后續(xù)分別在110～114m處和142～143m出現(xiàn)涌水量增大的情形，結(jié)合取心情況，判定這兩處也是涌水層。在跟管施工至147m處，套管內(nèi)停止反水，且?guī)r心完整具有一定的硬度，此刻停止跟管鉆進。將Ф108mm套管在孔口固定，并按照隔離措施將鉆井液和涌水分流，涌出水流和第一階段水流匯合后排入溪流。隨后，采用Ф94mm取心鉆具進行正常取心鉆進。

4.4.3 第三階段：147m～終孔（無涌水段）

鉆具組合：Ф94mm復合片單管鉆頭+Ф89mm單管巖心管+變徑接手+Ф60mm鉆桿+主動鉆桿。

工藝流程：

攪拌鉆井液替換套管內(nèi)清水后，下入上述取心鉆具進行正常取心施工，在下入雙層隔水套管后，后續(xù)施工較順利，至終孔未出現(xiàn)其它異常情況。

4.4.4 第四階段：封孔

封孔一般采用分層封孔，首先按照常規(guī)封孔方法封閉下方未涌水段，然后提出全部套管，隨后使用一根6m左右的Ф127mm套管并將其底部纏繞止水物質(zhì)（膨脹止水橡膠），下入孔內(nèi)并采用夾板固定；隨后，采用特制雙球閥套管接箍（圖5）與套管連接，一個閥門與水管相連并打開閥門排水，一個閥門與泥漿泵連接；然后在孔壁間注入水泥和水玻璃的混合液，待其凝固后關閉排水閥門并打開與鉆井液泵相連閥門，開始注入水泥漿，利用泥漿泵的提供的壓力，將水泥注入孔內(nèi)；注漿過程時刻留意泥漿泵壓力表的變化，當壓力達到一定程度后并保持穩(wěn)定后，停止注漿，關閉注漿閥門；等待水泥漿完全凝固后，卸掉特制管箍，封孔工作完成。

圖5 特制雙球閥套管接箍

4.5 施工中注意事項

在施工中應注意以下事項：

（1）套管接箍處應電焊焊接牢固，防止退扣脫落；

（2）每個跟管回次施工時，套管在井口處采用夾板固定住，防止套管下沉；

（3）套管應坐實在完整堅固的地層上，否則易松動，影響后續(xù)施工；

（4）注意觀察孔口涌水情況，根據(jù)涌水情況判斷孔內(nèi)情況并及時調(diào)整施工工藝；

（5）封孔過程中應注意觀察鉆井液泵壓力，防止壓力過高，發(fā)生傷人事故。

5 結(jié)語

該試驗說明跟管鉆進技術(shù)能有效解決礦產(chǎn)勘查中鉆遇涌水地層的施工問題，其改變傳統(tǒng)的涌水孔施工工藝（加重鉆井液比重），通過“以疏代堵”的方式處理涌水孔的涌水問題。同時，能有效實現(xiàn)鉆井液和涌水分離，可以減少環(huán)境污染和節(jié)約施工成本。但在涌水段施工時，由于地層松散、清水替代鉆井液和單管鉆具取心等因素的影響，涌水段整體取心率偏低，后續(xù)經(jīng)過探討，可以通過繩索取心工藝提高涌水段的巖礦心采取率。該施工工藝較復雜，在施工中不易掌握，對施工人員的操作要求也較高，因此在進行跟管鉆進前，應先對操作人員進行技術(shù)交底和做好培訓等工相關作。