姚海平，李柏軍，孫澤軒，張亮，鄒亞輝

（1.核工業(yè)二八〇研究所，四川 廣漢 618300；2.中國核工業(yè)地質局，北京 100013；3.核工業(yè)二四〇研究所，沈陽 110000）

1 引言

在鉆探施工過程中，遇涌水鉆孔可能導致鉆孔孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等孔內事故，并給施工單位造成巨大的經濟損失。因此，涌水鉆孔施工一直是鉆探施工業(yè)界亟待解決的技術難題[1-3]。砂巖型鈾礦獨特的成礦作用要求含礦含水層上、下具有穩(wěn)定的隔水層。特別是滇西地區(qū)新生代盆地蓋層地下水特別豐富，由于含礦含水層上下具有穩(wěn)定的隔水層，含礦含水層中的地下水多為承壓水，鉆遇含礦含水層時可能形成涌水鉆孔，給鉆探施工帶來很大的困難。2019 年，筆者所在單位在滇西龍川江盆地砂巖型鈾礦鉆探施工過程中，總共施工鉆孔20 個，遇涌水鉆孔16 個，涌水鉆孔占施工總鉆孔數的80%。施工期間，采用了多節(jié)取粉管結合跟管鉆進，圓滿地完成了年度生產任務。在此，本文對在涌水鉆孔施工過程中采用的多節(jié)取粉管結合跟管鉆進方法進行總結，以期對在鉆探施工過程中遇涌水鉆孔的相關人員有所啟發(fā)。

2 施工區(qū)概況

2.1 地質概況

龍川江盆地基底與蝕源區(qū)由中元古界高黎貢山群（Pt2Gl.）中—深變質巖系、古生界石炭系（C）淺變質巖系與燕山早期、喜山期花崗巖（γ52、γ6）組成；蓋層由新近系上新統(tǒng)芒棒組（N2m）陸相碎屑巖系、第四系全新統(tǒng)（Q4）松散砂礫層與新生界火山巖（N2β、N2α）組成[4-5]。

芒棒組是該盆地砂巖型鈾礦的找礦目的層[6]。根據鉆探揭露，芒棒組可劃分出4 個大的含水層和4 個大的隔水層（見圖1、圖2）。其中，第一、第二、第三含水層為承壓水。

圖1 龍川江盆地某X 號勘探線水文地質剖面示意圖

圖2 龍川江盆地水文地質旋回及含水層、隔水層劃分示意圖

2.2 巖石物理機械性質

根據地質任務設計書，鉆遇地層由上至下依次為上新世第二期玄武巖和芒棒組灰白、褐黃色塊狀礫巖、砂礫巖、砂巖與粉砂巖、泥質粉砂巖互層。各地層的可鉆性巖石物理機械特性和分級見表1。

表1 巖石物理機械特性和分級表

3 涌水鉆孔施工特征及產生的隱患

1）鉆孔施工發(fā)生涌水，有下列3 個特征：（1）泥漿稀釋，泥漿返漿時突然變稀、返漿量增加；（2）進尺變化，回次進尺突然增加；（3）泵壓增加，泥漿泵壓力表讀數驟然升高，同時返漿泥漿稀釋。

2）涌水鉆孔施工可能出現的隱患有以下5 種情況：（1）鉆具底部懸空，造成跟管鉆頭脫落；（2）孔低松散時，造成套管下滑脫落；（3）大量沉砂、巖粉沉淀于孔底；當涌水量過大時，在砂卵石層容易造成泥漿循環(huán)不暢通、泵壓瞬間增高，造成泥漿管憋爆、導致孔壁坍塌、卡鉆、埋鉆等事故；（4）涌量過大時，在砂卵石層容易造成套管斷裂；（5）水頭過高，影響機長操作視覺，導致操作失誤。

4 涌水孔處理關鍵技術、處理方案及作用

4.1 多節(jié)取粉管鉆進

當涌水量大、水頭高，有大量巖粉沉淀，無法成孔時，采取鉆孔涌水泄壓工序，觀察涌水水頭高度，當無水頭高度時，采用多級取粉管打撈孔內巖粉（見圖3）。取粉管上端接一個反絲鉆頭，與孔底的正絲鉆頭外徑一致，成反方向對立，以便撈取巖粉時有足夠的容納空間。穿過沉淀巖粉層后采取套管隔離，換徑繼續(xù)鉆進。

圖3 多節(jié)取粉管鉆進打撈孔內巖粉示意圖

4.2 跟管鉆進

跟管鉆進施工工藝是處理常規(guī)無法正常進行施工鉆孔（鉆進）的一種特殊鉆探工藝手段。由于跟管鉆探施工鉆進工藝的形式多樣化，且適用的地層條件和施工工藝各不相同[7-9]。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，確保成孔質量（見圖4）。

圖4 跟管鉆進流程示意圖

圖5 涌水取心鉆進示意圖

圖6 跟管鉆進示意圖

當采用多級套管隔離多層地下水時，其鉆井液循環(huán)路徑和涌水路徑如圖7 所示，鉆孔結構如圖8 所示。

圖7 涌水分流示意圖

圖8 鉆孔結構示意圖

5 涌水孔處理工藝實例

本文以龍川江盆地ZK37-27 涌水鉆孔施工為例，對涌水鉆孔處理工藝流程簡述如下。

5.1 ZK37-27 涌水孔的特征

ZK37-27 號鉆孔，設計孔深390 m，終孔孔徑大于90 mm。2019 年4 月13 日開孔，4 月27 日終孔，施工周期為15 d。

在施工過程中鉆遇4 層涌水段，由于孔內有涌砂現象，在涌水鉆孔施工過程中采用了多節(jié)取粉管打撈孔內巖粉結合跟管鉆進的鉆探施工工藝，達到了成孔的目的。為該地區(qū)涌水孔鉆探施工提供了工藝參考，涌水段涌水量、流量、滲透系數及孔內情況統(tǒng)計見表2，涌水鉆孔施工現場如圖9 所示。

圖9 ZK37-27 號鉆孔涌水施工現場

表2 ZK37-27 鉆孔涌水情況統(tǒng)計表

5.2 涌水孔鉆孔結構設計

考慮龍川江盆地地層和巖性的特征，采用多級鉆孔結構，根據實際適時調整鉆進方案。初步確定鉆孔結構如圖8 所示，使用φ130 mm 合金鉆頭開孔并鉆進，鉆穿覆蓋層后下入φ127 mm 套管，涌水段采用φ110 mm 復合片鉆頭鉆進，鉆穿涌水段，揭露到穩(wěn)定的隔水層或不承壓的砂巖后下φ108 mm套管，后續(xù)采用φ94 mm 復合片鉆頭鉆進至終孔。

5.3 鉆井液配置

鉆穿含水層時，傳統(tǒng)加重鉆井液無法滿足施工要求，同時涌水段鉆井液泥漿已被承壓水稀釋。因此，在涌水段施工時，采用清水代替鉆井液鉆進。在鉆穿涌水段下入隔水套管后，完成孔內涌水與鉆井液分離，再使用常規(guī)鉆井液泥漿鉆進。

5.4 涌水孔施工流程

根據涌水孔ZK37-27 的施工情況，施工過程大體分成以下4 個階段。

5.4.1 第一階段：0～60 m（第一層涌水層）

跟管鉆具組合：φ130 mm 金剛石鉆頭（無內徑）+φ127 mm跟管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動鉆桿+水龍頭。

取心鉆具組合：φ110 mm 單管取心復合片鉆頭+φ89 mm巖心管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動鉆桿+水龍頭。

由于該階段孔內無涌砂現象，暫時不配置多節(jié)取粉管鉆具。

工藝流程：鉆穿覆蓋層，為確?？妆诜€(wěn)定，采用φ130 mm無內徑跟管鉆頭，下φ127mm 第一層套管并固定，采用φ110 mm取心鉆具施工至46 m 時，地層出現涌水；起拔巖心鉆具，采用上述φ130 mm 跟管鉆進并擴孔至46 m 固定φ127 mm 套管，然后采用φ110 mm 取心鉆具施工至60 m；起拔巖心鉆具，采用上述φ130 mm 跟管鉆進并擴孔至60 m 固定φ127 mm 套管，套管內部基本停止涌水，孔內無沉淀巖粉。根據取出的巖心判斷地層基本穩(wěn)定，停止φ130 mm 跟管鉆進施工。此時，φ127 mm套管外側與孔壁之間存在涌水現象，按照上述隔離措施將鉆井液和涌水分流，再進行正常取心鉆進。

5.4.2 第二階段：涌水層鉆具組合

涌水層鉆具組合：60～152 m，第二至四層涌水層鉆具組合如圖10 所示。

圖10 第二至四層涌水層鉆具組合示意圖

工藝流程：采用φ110 mm 鉆頭正常鉆進至92 m 時，孔內再次出現第二層涌水，水量大，孔內伴隨著大量粉砂涌出，防止孔壁坍塌，決定再次采用跟管鉆進方法施工，下入上述φ108 mm跟管鉆具至92 m 涌水段并固定套管，此時需注意第二層套管要高出第一層套管20～30 cm，更換φ94 mm 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100 m時，涌水量趨于平穩(wěn)，孔內沉砂太多，采用φ110 mm/φ94 mm多節(jié)取粉管打撈巖粉鉆具組合，反復打撈孔內沉沙。后續(xù)在110～134 m 出現第三層涌水，孔內涌砂，重復以上工序；鉆遇143～152 m 出現第四層涌水，將φ108 mm 跟管鉆具至155 m巖心完整具有一定的硬度，此刻停止跟管鉆進，隨后，采用φ94 mm 取心鉆具進行正常取心鉆進。

5.4.3 第三階段：155 m 至終孔（無涌水段）

鉆具組合：φ94 mm 復合片取心鉆頭+φ89 mm 單管巖芯管+變徑接手+φ50 mm 鉆桿+主動鉆桿+水龍頭。

工藝流程：下入上述雙層隔水套管后，鉆井液使用重金石粉調配泥漿，添加纖維素、植物膠等處理劑，保持黏度在30 s以上以便懸浮重晶石粉，泥漿比重從1.1 增加至1.8～2.3 左右（即每立方米泥漿添加5～10 kg 重晶石粉），后續(xù)施工至終孔較為順利，在未出現其他異常情況。

5.4.4 第四階段：封孔

待終孔測井后，對鉆孔進行封孔。采用套管封堵法，將鉆桿下到孔底，計算好涌水與孔低的距離，注入水泥漿和水玻璃的混合物，然后拔出孔內全部套管。加工一根3 m 以上廢舊套管，套管上焊接變頭，連接兩個單項閥門，制成雙球閥套管接箍裝置（見圖11），將廢舊套管埋入孔內，周圍填入軟膠帶至下端，用水泥漿將管材與孔壁固結。將加工好的閥門與泥漿泵連接，控制好泵壓、計算好水泥量及水玻璃的比例，開始注入水泥漿和水玻璃的混合物，注入完成后關閉其中一個閥門，每隔5～7 s 觀察靜止水位狀態(tài)，等待凝結。待水泥凝固后，卸掉特制雙球閥套管接箍，封孔工作結束。

圖11 雙球閥套管接箍

5.5 涌水孔施工注意事項

套管接箍絲扣要牢固防止退扣脫落；跟管鉆進負荷回轉增加困難時，應低速慢進，還需考慮套管外部受阻（如孔壁掉塊）；定做套管時，根據鉆孔需求制作不同口徑、長短不一的規(guī)格型號套管，方便跟管鉆進，加減套管；在孔內沉砂、巖屑堵塞，采用級配匹配的多節(jié)取粉管打撈孔內巖粉；封孔時隨時關注鉆井液泵壓力表，核算壓力值，防止壓力過高、造成意外傷害事故發(fā)生。

6 結語

1）采用多節(jié)取粉管打撈涌水孔內巖粉，可保持孔底清潔，防止卡鉆、埋鉆等孔內事故。

2）采用跟管鉆進，通過多層套管將地下水與泥漿分離，保護泥漿質量不被地下水破壞，提高了鉆孔成孔質量。

3）運用多節(jié)取粉管結合跟管鉆進在龍川江盆地進行涌水鉆孔施工，解決了涌水鉆孔施工的鉆探工藝問題，確保了鉆探施工質量。2019 年，在龍川江盆地砂巖型鈾礦鉆探施工過程中，共施工鉆孔20 個，鉆遇涌水鉆孔16 個，鉆孔優(yōu)質率達到95%。