羅 龍，曹灶開，牟程江，楊玉川

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局應用地質(zhì)研究中心，四川成都610036；2.中國地質(zhì)大學<武漢>工程學院，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)。地勢總體北低南高，一般高差為1000~2000m,最大3222m，相對地形切割嚴重，屬高山深切割區(qū)，且多見懸崖絕壁。工作區(qū)西起錯那縣，東至察隅縣，南與印度毗鄰。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，呈樹枝狀由西向東—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，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，地層條件較為復雜。

2 工程概況及鉆孔施工的技術難點

根據(jù)項目設計及地質(zhì)要求，在該工作區(qū)計劃施工水井鉆探200m，共設計鉆孔4個，每個鉆孔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，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砂礫，粘土為主，膠結(jié)性較差；②地層條件復雜，穩(wěn)定性較差，孔壁易坍塌、縮徑，護壁較為困難；③孔壁不穩(wěn)定，提下鉆時容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆，給施工造成重大影響，或者無法進尺，使鉆孔報廢；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，鉆進速度慢，影響鉆進效率；⑥在遇卵石或粗礫石時，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，鉆井時阻力較大，對設備要求較高。

3 技術對策

為能更好地解決該施工區(qū)的技術難題，減少覆蓋層鉆探施工的機器事故和井內(nèi)事故，提高施工效率，降低鉆探施工成本，團隊主要從設備選型方面、施工工藝方面著手，通過現(xiàn)場實踐，采取相關措施，探索適合此類地層施工的鉆機類型和施工方法。

3.1 設備比選

在設備選擇上，主要采用以下3種類型鉆機進行施工，主要參數(shù)及優(yōu)缺點如表1所示。

表1 主要參數(shù)及優(yōu)缺點對照表

3.1.1 DPP-300鉆機

由于在松散礫石、滾石層中施工，卡鉆事故頻發(fā)，該鉆機由自帶柴油機直接供給動力，雖然提高了鉆機動力傳輸效率，但也失去了電機的過載保護作用，鉆機長期在高負荷狀態(tài)下運行，分動箱、變速箱、離合器、立軸扇形齒輪承受荷載較大，導致鉆機零部件頻繁損壞，嚴重影響了施工進度，在高負荷施工條件下該鉆機零部件承載能力有限。現(xiàn)場施工如圖1所示。

圖1 DPP-300鉆機現(xiàn)場施工

3.1.2 GY-300A鉆機

在水文鉆井施工過程中，由于鉆機相對較輕，當硬質(zhì)合金三翼牙輪鉆頭遇到礫石后會產(chǎn)生大幅度跳動，該振動通過鉆桿傳遞到立軸、鉆機、鉆塔，當給油缸加壓時就會使鉆機和鉆塔大幅度振動，導致鉆機齒輪軸等零部件受力不均，導致有的螺絲松動，致使機故頻發(fā)，同時鉆塔嚴重抖動也給施工帶來了較大的安全隱患，且在提下鉆過程中，該鉆機只能采用人工方式擰卸鉆桿，費時費力。

3.1.3 SPJ-400水文鉆機

在卵礫石層施工時，由于機身長，重量大，鉆具及主桿上下跳動時，鉆機和鉆塔受影響小，施工鉆進時穩(wěn)定性較好；該鉆機可實現(xiàn)主動鉆桿給進，給進行程長，轉(zhuǎn)盤扭矩大，且可兼做擰卸鉆具用；鉆機使用轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)驅(qū)動，提供較大扭矩，鉆進時采用鉆鋌自重加壓的方式，對鉆孔跑斜有一定的遏制作用；該鉆機可利用轉(zhuǎn)盤代替擰管機作用，縮短提下鉆時間，減少人力消耗，提高施工效率?，F(xiàn)場施工見圖2。

圖2 SPJ-400鉆機現(xiàn)場施工

通過實踐，DPP-300型車載鉆機和立軸鉆機GY-300A在該工作區(qū)卵礫石地層不適合進行水文水井鉆探施工，目前市場上用于水文水井鉆探施工的鉆機大多以轉(zhuǎn)盤式鉆機和全液壓動力頭鉆機為主。故在該工作區(qū)地層進行水文水井施工時，主要選用用SPJ-400磨盤鉆機。配備120kW柴油發(fā)電機，LT-60A空壓機。在選擇泥漿泵時由于鉆孔設計淺（小于100m），且鉆進采用全面鉆進,含砂礫石量大，對泥漿泵流量要求超過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

在使用金剛石鉆進時，大口徑金剛石極易蹦脫和磨損，而且大口徑金剛石價格較高，不經(jīng)濟；PDC鉆頭在石油、地熱以及水文鉆進中應用廣泛，由于復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、研磨性強的地層時容易掉齒和磨損；三牙輪鉆頭，由硬質(zhì)合金鑲于三個牙掌上，在鉆頭轉(zhuǎn)動同時牙掌也能自轉(zhuǎn)，不強力切削地層，且牙掌以及剛體比較厚，當鉆具自重達到鉆頭有效施工壓力時，對于卵礫石地層的破碎明顯，相對不易磨損以及脫落。

根據(jù)任務性質(zhì)、項目要求、水文地質(zhì)規(guī)范，充分考慮抽水設備、洗井設備的口徑大小，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70%，粒徑較大，部分含砂量高，含水豐富，地層膠結(jié)性極差，護壁工作是重點；二是由于水文井需要取水進行水質(zhì)化驗，原則上不能使用帶有化學污染的沖洗液；三是采用全面鉆進施工，造成井內(nèi)砂礫石較多，部分顆粒直徑達到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)場實踐，在該工作區(qū)施工當遇到地層膠結(jié)性較好時，采用膨潤土+純堿+水，水、土比例5∶1，加純堿為土的5%；當?shù)貙幽z結(jié)性差、含水豐富的卵礫石層時采用膨潤土，水、土比4∶1，加純堿為土的5%。鉆進時，適當加大泥漿粘度和比重，攜帶礫石效果好且價格低廉。

3.4 填礫

填礫洗井作為水文井關鍵步驟，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、細粉砂地層填礫厚度在75mm以上，才能有效過濾水質(zhì)，經(jīng)過施工實踐，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、活塞和空壓機洗井，使用濃泥漿鉆進的鉆孔，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入管內(nèi)時不能有效快速排出，并疏通含水層；空壓機洗井壓力大，破壞力強，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)施工時采用并列式混合器洗井方式洗井可同時兼顧抽水試驗。

4 幾點建議

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

（2）在下一步工作中，結(jié)合設備的選型，進一步探索更加合理的鉆進方法，如沖擊鉆進，氣動淺孔錘正（反）循環(huán)鉆進，優(yōu)化鉆進工藝。

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

（4）在卵礫石層中進行水文水井施工，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)濟選擇沖洗液。

（5）填礫時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）要嚴格掌握各項技術性能和工藝要求，遇特殊情況時，變換鉆探手段，靈活處理，確保鉆探施工順利進行。