潘德元， 王 杰， 方國慶， 方泓錦， 張 昭

(中國地質(zhì)調(diào)查局 長沙自然資源綜合調(diào)查中心， 長沙 410600)

中國的紅層面積約占陸地總面積的9.5%，占比大、分布廣，同時(shí)也是重要的城鎮(zhèn)分布區(qū)和農(nóng)業(yè)種植區(qū)，其中南方以贛江流域紅層盆地為主要代表。紅層的孔隙裂隙均不發(fā)育，具有低孔隙和低滲透的特征，兼之其地表地貌不利于降水滲入，導(dǎo)致紅層盆地中地下水資源緊缺，在季節(jié)性缺水時(shí)形成嚴(yán)峻的旱情[1-2]。

自2017年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了贛南水文地質(zhì)調(diào)查和扶貧找水工作，通過紅層內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造指導(dǎo)打井找水，取得了良好效果，對該地區(qū)紅層地下水儲水結(jié)構(gòu)有了良好的認(rèn)識[2-3]。

2021年，中共中央國務(wù)院《關(guān)于實(shí)現(xiàn)鞏固拓展脫貧攻堅(jiān)成果同鄉(xiāng)村振興有效銜接的意見》指出打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)、全面建成小康社會(huì)后，要進(jìn)一步鞏固拓展脫貧攻堅(jiān)成果，接續(xù)推動(dòng)脫貧地區(qū)發(fā)展和鄉(xiāng)村全面振興。2021年是鞏固脫貧攻堅(jiān)成果，接續(xù)鄉(xiāng)村振興發(fā)展的開局之年，為鞏固脫貧成果助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，地調(diào)局部署了應(yīng)急找水打井任務(wù)。在此次任務(wù)中，針對當(dāng)?shù)匦枨笃惹?、任?wù)緊急的特點(diǎn)，采用了空氣潛孔錘鉆探工藝，實(shí)現(xiàn)了快速鉆進(jìn)、高效成井，共實(shí)施5眼水井，累計(jì)進(jìn)尺超750 m，均成功出水，累計(jì)出水量約1 600 m3/d，為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)和居民飲水提供了有利的保障[4]。

目前，空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝在巖土鉆掘工程中應(yīng)用廣泛[5-9]，也在中國各地的抗旱打井工程中發(fā)揮了巨大作用[10-13]，不少學(xué)者對其工藝特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)歸納[14-15]，但是尚未有結(jié)合紅層區(qū)典型儲水構(gòu)造地質(zhì)特征進(jìn)行空氣潛孔錘鉆探工藝關(guān)鍵技術(shù)的研究分析。本文基于贛南紅層區(qū)典型儲水構(gòu)造的地質(zhì)研究成果，以此次應(yīng)急找水打井工程為依托，總結(jié)分析空氣潛孔錘鉆探技術(shù)在紅層區(qū)典型儲水構(gòu)造的關(guān)鍵技術(shù)，以期為相似缺水地區(qū)的高效鉆探和優(yōu)質(zhì)成井提供技術(shù)參考。

1 地質(zhì)特征

贛江流域紅層盆地中紅層主要分布于NE向展布的斷陷盆地中，盆地內(nèi)紅色砂礫巖層極差的分選性和完好的鐵質(zhì)膠結(jié)，使其具有低孔隙和低滲透特征，且厚度大分布廣，成為紅層盆地地下水貧瘠和補(bǔ)給效率低的主要原因[2]。

1.1 典型儲水構(gòu)造

寧都縣在區(qū)域構(gòu)造上位于武夷山隆起帶的西翼，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，主要為褶皺和斷裂。根據(jù)前期對紅層地區(qū)地下水的研究成果，其主要的儲水構(gòu)造類型有盆地內(nèi)構(gòu)造及其伴生裂隙，以及盆地邊緣的盆緣斷裂帶區(qū)域，也是地表水和地下水的交換運(yùn)移和滲透通道。

1)盆地內(nèi)的地下水儲水構(gòu)造主要在地層的褶皺變形、斷裂構(gòu)造強(qiáng)烈部位以及巖性差異變化位置，可分為第四系覆蓋層儲水構(gòu)造、單斜地層儲水構(gòu)造、向斜儲水構(gòu)造等[1-2]，相對具有較好的透水性，從而構(gòu)成地下水的補(bǔ)給、下滲和匯聚通道，而在其他部位的軟質(zhì)、柔性巖層區(qū)域裂隙不發(fā)育，多含黏土等泥質(zhì)成分，形成相對的隔水層。

2)在紅層盆地邊緣則主要是其發(fā)育在硬巖地層中的次級構(gòu)造斷裂帶[3]部位，一側(cè)的紅層和基巖基底形成良好的阻水層，地下水賦存于裂隙發(fā)育帶、侵入巖接觸或裂隙發(fā)育的構(gòu)造帶中。

根據(jù)儲水構(gòu)造的地質(zhì)條件、地下水補(bǔ)給情況以及已有的施工經(jīng)驗(yàn)，水井鉆探深度以滿足供水需求為目標(biāo)，盆地內(nèi)的成井深度一般不超過300 m，邊緣的成井深度一般不超過200 m。

1.2 孔位部署

斷裂構(gòu)造是地下水的主要儲存空間，是找水打井的重要目標(biāo)靶點(diǎn)，但是因?yàn)槠浞植季哂酗@著的非均一性，導(dǎo)致紅層地區(qū)找水打井的部署難度大，成功出水井比例較低，綜合施工成本較高。

此次應(yīng)急找水打井工作是由寧都縣當(dāng)?shù)卣疄殪柟堂撠毘晒?、助力地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出的需求，初步圈定了找水靶區(qū)，因此，對此次的地質(zhì)工作提出了更高的要求，需要更精準(zhǔn)的部署水井孔位。

南京地質(zhì)調(diào)查中心和長沙中心聯(lián)合開展了精細(xì)的專項(xiàng)水文地質(zhì)調(diào)查工作，依據(jù)寧都縣水文地質(zhì)調(diào)查成果以及紅層區(qū)的找水研究成果[1-2]，充分研究分析找水靶區(qū)周圍的水文地質(zhì)特征，調(diào)查靶區(qū)地層儲水構(gòu)造、產(chǎn)業(yè)供水便利、鉆探設(shè)備進(jìn)場等因素，在相應(yīng)的儲水構(gòu)造帶上精準(zhǔn)的部署了水文鉆孔，其中三眼位于紅層盆地內(nèi)部，兩眼位于紅層盆地邊緣。

1.3 巖性特征

1)紅層盆地內(nèi)部的儲水構(gòu)造帶通常位于地層應(yīng)力集中區(qū)，以硬質(zhì)、脆性的碎屑巖為主，受到應(yīng)力作用時(shí)易產(chǎn)生脆性破裂，鉆進(jìn)時(shí)上返的巖屑形成不規(guī)則的片狀或貝殼狀(圖1)，而軟質(zhì)、柔性的巖層區(qū)域裂隙不發(fā)育，易被泥質(zhì)成分充填，是相對的隔水層，同時(shí)紅層軟巖中黏土成分對其的水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)的影響，黏土成分含量越高，水敏性越大，力學(xué)性質(zhì)相對較差[16]。在穿過上部隔水層進(jìn)入儲水構(gòu)造帶地層后，循環(huán)上返的地下水會(huì)對上部隔水層的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，降低其穩(wěn)定性。

2)紅層盆地邊緣的儲水構(gòu)造帶一般為花崗巖基底[1]或到侵入巖脈穿切[3]形成的接觸帶上，巖性復(fù)雜，多破碎、裂隙發(fā)育，軟硬交替變化，會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中井下情況多變，鉆機(jī)扭矩波動(dòng)大，蹩跳鉆嚴(yán)重等現(xiàn)象。圖2為上返巖屑變化情況，包括黏土、粉砂、石英顆粒、含礫粗砂、凝灰?guī)r等。

圖1 紅層儲水構(gòu)造巖屑

圖2 盆地邊緣巖屑變化

2 鉆探工藝選擇

根據(jù)此次應(yīng)急找水打井工程的要求以及紅層地區(qū)儲水構(gòu)造的地層巖性分析，采用的鉆探工藝需有以下特點(diǎn)：

1)為鞏固脫貧攻堅(jiān)成果、助力鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)振興，地方產(chǎn)業(yè)工程建設(shè)正在緊鑼密鼓實(shí)施中，應(yīng)急找水打井工程需在產(chǎn)業(yè)建設(shè)前期完成，以便當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)整體規(guī)劃，因此水井施工工期緊、任務(wù)重，采用的鉆探工藝要求鉆進(jìn)效率高、成井質(zhì)量好。

2)紅層軟質(zhì)、柔性的巖層區(qū)域充填黏土礦物，而盆地內(nèi)的儲水構(gòu)造帶發(fā)育較少、構(gòu)造帶較薄，采取的鉆進(jìn)工藝需能避免紅層中相對隔水層的黏土礦物進(jìn)入構(gòu)造帶裂隙中堵塞出水通道，造成水井成井時(shí)洗井難度大、出水量小等問題。

3)盆緣斷裂帶的儲水構(gòu)造為地層接觸帶部位，巖性變化復(fù)雜、破碎、軟硬不均，采取的鉆井工藝應(yīng)能快速鉆進(jìn)、及時(shí)成井，避免長時(shí)間在該段地層中擾動(dòng)造成井壁不穩(wěn)定。

4)采用的鉆探工藝應(yīng)能適用于缺水地區(qū)鉆進(jìn)，避免含水層造成污染和堵塞，影響成井質(zhì)量，同時(shí)鉆進(jìn)過程應(yīng)能較準(zhǔn)確地判斷含水層及出水量，能高效、高質(zhì)成井。

綜上所述，結(jié)合已實(shí)施的抗旱找水打井工程及脫貧攻堅(jiān)任務(wù)取得的經(jīng)驗(yàn)[14-16]，針對此次應(yīng)急找水打井工程采用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，同時(shí)對紅層地區(qū)不同儲水構(gòu)造的地層特點(diǎn)制定相應(yīng)的技術(shù)措施，并對鉆遇的復(fù)雜情況和處理工藝進(jìn)行總結(jié)分析。

3 空氣潛孔錘鉆探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

空氣潛孔錘是一種的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，是通過高壓氣體驅(qū)動(dòng)井下沖擊器帶動(dòng)潛孔錘高頻破碎巖石，鉆機(jī)低速回轉(zhuǎn)鉆具調(diào)整碎巖面，同時(shí)可配套跟管鉆進(jìn)技術(shù)，克服各種松散、破碎的復(fù)雜地層。與常規(guī)鉆探工藝相比，合理的應(yīng)用空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝，具有極大的提高鉆探效率、快速穿過復(fù)雜地層、節(jié)約鉆探用水等優(yōu)點(diǎn)，在石油、水文、地?zé)嵋约皫r土鉆掘工程等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

4 紅層區(qū)空氣潛孔錘鉆探設(shè)計(jì)

4.1 技術(shù)要求

1)根據(jù)應(yīng)急找水打井工程要求，設(shè)計(jì)施工的水井終孔口徑與孔深應(yīng)確保出水量滿足需求，根據(jù)鉆探效果對需求的滿足程度適時(shí)終孔，設(shè)計(jì)終孔口徑不小于φ168 mm。

2)終孔洗井后下入φ140 mm PVC-U管材成井，在出水段管材進(jìn)行隔縫或打孔，孔隙率20%左右。

3)由于空氣潛孔錘為全面鉆進(jìn)，無法采取巖心，因此鉆進(jìn)時(shí)在上返巖屑變化及出水量增大的井段加密采取巖屑，通過巖屑結(jié)合物探測井完成地質(zhì)編錄。

4.2 鉆進(jìn)參數(shù)確定

空氣潛孔錘全面鉆進(jìn)的主要參數(shù)有鉆壓、轉(zhuǎn)速、空氣壓力和排氣量，潛孔錘錘頭鉆壓可按照單位鉆頭直徑50～150 N/mm取值；轉(zhuǎn)速依據(jù)地層條件、鉆頭類型和直徑確定，一般選擇20～60 r/min；空氣壓力依據(jù)深度確定，一般要求水位以下每百米1.2 MPa；孔內(nèi)氣流上返速度應(yīng)達(dá)到15～25 m/s；排氣量計(jì)算公式為Q=47.1K(D2-d2)V，其中K為孔內(nèi)漏失及涌水系數(shù)，取1.0～2.5，D為鉆孔直徑，d為鉆桿外徑，V為氣流上返速度。

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中需要根據(jù)錘頭直徑、地層出水量大小、井壁穩(wěn)定情況、地層巖性變化等因素合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，確保井下施工順利。

4.3 鉆進(jìn)設(shè)備選擇

空氣潛孔錘的主要大型設(shè)備為鉆機(jī)和空壓機(jī)，并配備與孔徑孔深匹配的沖擊器、潛孔錘和鉆桿等配套材料。依據(jù)此次應(yīng)急找水打井工程的成井技術(shù)要求及鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮鉆探設(shè)備的進(jìn)場及轉(zhuǎn)場便利性，合理地選擇鉆進(jìn)設(shè)備。

鉆機(jī)選用FY300履帶式水井鉆機(jī)，最大鉆進(jìn)深度300 m，尺寸為4 100 mm×1 950 mm×2 600 mm，回轉(zhuǎn)扭矩5.7～7.5 kN·m；空壓機(jī)選用KSZJ-29/23螺桿空壓機(jī)，額定流量為29 m3/min，壓力為2.3 MPa，尺寸為3 500 mm×1 950 mm×2 030 mm；選用φ89 mm×3 m鉆桿；配套φ300 m刮刀鉆頭，φ219 mm偏心鉆頭，φ178 mm球齒潛孔錘；選用5 in沖擊器。整裝后可直接采用兩輛小型貨車運(yùn)輸，鉆機(jī)的進(jìn)場與轉(zhuǎn)場可節(jié)約大量的輔助時(shí)間。

5 紅層區(qū)空氣潛孔錘鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)任務(wù)指示，在完成前期孔位部署工作后，2021年5月9日開始第一眼水井施工，截至5月30日，完成5眼水井鉆探及成井工作，主要根據(jù)出水量及上返巖屑變化判斷是否需要終孔，各井終孔深度及出水量見表1，其中紅層盆地內(nèi)終孔深度在150～200 m，盆斷邊緣終孔深度在100 mm左右。

由于空氣潛孔錘鉆進(jìn)工藝對含水層無污染堵塞等影響，終孔后采用空壓機(jī)短時(shí)間洗井即可達(dá)到要求，節(jié)約了大量的成井時(shí)間。扣除中途鉆機(jī)搬遷進(jìn)場6 d及暴雨停工2 d，通過交叉流水作業(yè)安排抽水試驗(yàn)，平均每口井成井時(shí)間為4 d左右，成井效率較傳統(tǒng)水文井成井得到了較大的提升。

表1 各水井深度及出水量

5.1 紅層盆地內(nèi)鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

紅層盆地內(nèi)紅砂巖具有物理風(fēng)化強(qiáng)烈、遇水軟化、崩解碎裂及強(qiáng)度降低等特殊地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)，紅砂巖發(fā)育形成的紅壤結(jié)構(gòu)性差。上部淺層松散破碎的碎屑巖或卵礫石層可直接采用φ219 mm口徑偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)開孔封隔，同時(shí)作為孔口保護(hù)管。鉆進(jìn)過程中及時(shí)判斷井下情況，根據(jù)潛孔錘沖擊碎巖聲音、鉆具震動(dòng)強(qiáng)度、上返巖屑等現(xiàn)象判斷地層情況。在進(jìn)入較穩(wěn)定的碎屑巖地層2～3 m后方能換徑，一般跟管鉆進(jìn)深度為5～6 m，目的是穩(wěn)定上部地層，確保管底部四周密封效果良好。

跟管鉆進(jìn)到位后更換φ178 mm潛孔錘裸眼鉆進(jìn)，紅層盆地內(nèi)碎屑巖的儲水構(gòu)造裂隙較發(fā)育、質(zhì)地脆、硬度較低，需采用低鉆壓低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，防止錘頭吃入地層太深而導(dǎo)致鉆具扭矩增加，同時(shí)引起井壁不穩(wěn)。

當(dāng)觀察到上返巖屑中黏土成分含量增大，巖屑顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié)時(shí)，巖屑量減少時(shí)，需從鉆桿內(nèi)倒入10 L左右發(fā)泡劑，大風(fēng)量沖洗排渣后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓5～15 kN，轉(zhuǎn)速20～40 r/min，風(fēng)量20～25 m3/min。

上返巖屑(圖1)最大粒徑為1～2 cm，多呈片狀，含少量灰色砂巖礫石，粒徑級配范圍分布較均勻，片狀巖屑反映了地層巖性特征，井下重復(fù)破碎較低，鉆進(jìn)參數(shù)較合理。

5.2 盆緣斷裂構(gòu)造帶鉆進(jìn)

在紅層盆地邊緣斷裂構(gòu)造帶的地層巖性復(fù)雜，包含黏土層、淤泥質(zhì)層、粗砂層、破碎石英脈、變質(zhì)巖等。潛孔錘鉆進(jìn)的難點(diǎn)有：黏土層不宜直接采用潛孔錘；淤泥質(zhì)層中淤泥易粘附在鉆具上，影響巖屑上返，如圖3所示；粗砂層松散，井壁穩(wěn)定性差；石英脈中石英顆粒硬度高、粒徑大，易掉塊卡鉆，如圖4所示。

圖3 淤泥層鉆進(jìn)

圖4 大顆粒掉塊

因此針對相應(yīng)地層采取以下技術(shù)措施：黏土層采用刮刀鉆頭鉆進(jìn)；淤泥質(zhì)層鉆進(jìn)時(shí)從鉆桿內(nèi)注入發(fā)泡劑，空壓機(jī)采用大風(fēng)量排粉；對于破碎帶上部粗砂層可采用跟管鉆進(jìn)技術(shù)穩(wěn)定孔壁，對于破碎帶中粗砂夾層時(shí)需要快速穿過，避免鉆頭在停留過程排除大量流沙導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；鉆遇破碎石英脈和變質(zhì)巖時(shí)需采用低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，并采用大風(fēng)量排渣，每鉆進(jìn)1～2 m或鉆具有憋鉆現(xiàn)象時(shí)需及時(shí)上提活動(dòng)鉆具，防止井壁上的大顆粒掉塊導(dǎo)致卡鉆，同時(shí)鉆具不得在井內(nèi)長時(shí)間靜止停放。

潛孔錘鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓5～25 kN，轉(zhuǎn)速10～30 r/min，風(fēng)量20～25 m3/min。

主要井身結(jié)構(gòu)為：上覆黏土層采用φ300 mm刮刀鉆頭鉆進(jìn)，厚度約2～3 m；鉆至松散層后采用φ219 mm口徑偏心跟管鉆進(jìn)，深度約18～25 m；進(jìn)入基巖1～2 m后換φ178 mm潛孔錘鉆進(jìn)至100 m左右完成變質(zhì)巖段后終孔。

5.3 跟管鉆進(jìn)注意事項(xiàng)

采用偏心跟管鉆進(jìn)技術(shù)時(shí)，作業(yè)前需檢查管靴與管體之間的連接強(qiáng)度和偏心鉆頭張斂的靈活性，作業(yè)時(shí)需盡量保證井底干凈，操作要領(lǐng)是輕壓、慢轉(zhuǎn)、反復(fù)吹掃，每鉆進(jìn)0.5 m左右需進(jìn)行強(qiáng)力吹掃排渣，跟管鉆進(jìn)結(jié)束后應(yīng)緩慢反轉(zhuǎn)回收偏心鉆具。

當(dāng)上部地層對跟管的套管具有較大摩阻時(shí)，跟管鉆進(jìn)到20 m以下深度后需注意進(jìn)尺速度變化情況，當(dāng)突然變慢甚至停止時(shí)不得繼續(xù)鉆進(jìn)，嚴(yán)禁盲目加壓，避免對管靴造成損壞。

當(dāng)一次跟管鉆進(jìn)難以穿過深厚覆蓋層時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)二級跟管或改進(jìn)跟管鉆進(jìn)工藝提高鉆進(jìn)深度。

6 復(fù)雜情況

在紅層盆地邊緣鉆進(jìn)時(shí)，由于地層條件復(fù)雜，操作難度較大，易造成井下復(fù)雜情況，現(xiàn)場對出現(xiàn)的井下情況進(jìn)行了分析研究，制定了相應(yīng)的技術(shù)措施，確保了后續(xù)施工的順利。

6.1 潛孔錘錘齒崩斷

在斷層破碎帶鉆進(jìn)時(shí)，地層變化頻繁，軟硬交替，潛孔錘受力情況復(fù)雜，井底工作狀態(tài)不平穩(wěn)，蹩跳鉆嚴(yán)重，易使?jié)摽族N底部的硬質(zhì)合金齒崩斷或崩落，進(jìn)而導(dǎo)致錘體變形。如圖5所示，潛孔錘外緣齒受扭矩變化大，是錘齒崩落的主要位置，崩落后錘體沖擊硬地層變形。因此鉆進(jìn)過程中需先采用小鉆壓低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，鉆至硬巖時(shí)逐漸加壓，地層變化時(shí)需及時(shí)調(diào)整鉆壓，注意鉆機(jī)扭矩變化情況，進(jìn)尺緩慢或不進(jìn)尺時(shí)應(yīng)及時(shí)提鉆檢查鉆頭使用情況。

圖5 潛孔錘錘齒崩落

圖6 潛孔錘巖粉堵塞

6.2 潛孔錘巖粉堵塞

在破碎帶鉆進(jìn)時(shí)突然發(fā)現(xiàn)潛孔錘送風(fēng)不暢、工作情況不正常，現(xiàn)場判斷是潛孔錘堵塞。分析原因是地層變化頻繁，潛孔錘鉆遇松散軟地層時(shí)鉆壓大進(jìn)入地層較深，而且上部井壁不穩(wěn)定掉塊導(dǎo)致井底巖屑較多，同時(shí)潛孔錘使用時(shí)間較長，逆止閥磨損密封效果降低，由鉆桿與環(huán)空之間的壓差引起巖粉倒吸進(jìn)入潛孔錘中引起堵塞，如圖6所示?，F(xiàn)場及時(shí)更換逆止閥，在后續(xù)鉆進(jìn)過程中下鉆前檢查逆止閥情況，且密切注意地層變化，嚴(yán)格按照規(guī)程操作要求，未再出現(xiàn)該種情況，順利完成鉆探施工任務(wù)。

7 結(jié)語

此次應(yīng)急找水打井工程是結(jié)合地方需求精準(zhǔn)地提供地質(zhì)服務(wù)，取得了良好的效果，為鞏固脫貧成果助力鄉(xiāng)村振興起到了一定的示范作用。本文對打井過程中運(yùn)用的潛孔錘技術(shù)在贛南紅層區(qū)典型儲水構(gòu)造鉆探關(guān)鍵技術(shù)及復(fù)雜情況進(jìn)行總結(jié)，為高效高質(zhì)地解決缺水地區(qū)水井鉆探難題提供了技術(shù)參考。