閆立鵬，王紅軍，菅 凱，江海宇

（核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

1 水文參數(shù)孔簡(jiǎn)介

水文參數(shù)孔施工工藝比較復(fù)雜（圖1），其中成井工藝（圖2）是水文參數(shù)孔能否施工成功的重要影響因素之一，而在成井工藝中擴(kuò)孔、下管、投礫等關(guān)鍵工序又是成井工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是否控制擴(kuò)孔泥漿固相含量直接影響后續(xù)水文地質(zhì)試驗(yàn)所得水文地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確性。

圖1 水文參數(shù)孔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水文孔施工流程

2 以往施工水文孔遇到的問(wèn)題

以往施工水文孔往往會(huì)遇到裸眼孔斜超標(biāo)、擴(kuò)孔進(jìn)尺不快、擴(kuò)孔使用的固相泥漿影響礦層段滲透性、下管速度緩慢、投礫效率低下等問(wèn)題。

3 工藝優(yōu)化

3.1 孔斜控制

以往施工現(xiàn)場(chǎng)裸眼段一般使用的?110mm 鉆頭+?68mm 鉆鋌+?60mm 鉆桿進(jìn)行裸眼鉆進(jìn)，很難滿(mǎn)足水文孔孔斜偏斜要求：軸線(xiàn)最大偏斜的水平距離為每100m 不超過(guò)1.5m，并按照孔深遞增計(jì)算，經(jīng)常出現(xiàn)孔斜超標(biāo)情況，為了鉆孔偏斜達(dá)標(biāo)，特在裸眼鉆井段進(jìn)行鉆具級(jí)配優(yōu)化。

鉆具級(jí)配：?110mm復(fù)合片鉆頭+?89mm巖芯管+?89mm/?83mm變徑接手+?83mm鉆鋌+?73mm鉆桿+變徑接手+主動(dòng)鉆桿。

相比于之前使用的?60mm 鉆具，使用?73mm 鉆具控制孔斜等的優(yōu)點(diǎn)：

（1）增加鉆桿柱的剛度，減少產(chǎn)生的撓度和彎曲，控制孔斜；

（2）更符合鉆具級(jí)配的塔式要求；

（3）增加鉆桿柱自重，更利于垂直鉆進(jìn)；

（4）利于泥漿的上返循環(huán)和減少鉆具折斷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 擴(kuò)孔工藝優(yōu)化

以往水文孔擴(kuò)孔是比較耗費(fèi)時(shí)間的一道工序，尤其是在礫石層使用復(fù)合片擴(kuò)孔鉆孔+?68mm鉆鋌+?60mm鉆桿級(jí)配，經(jīng)常出現(xiàn)崩齒、孔徑縮小、鉆具折斷和損傷鉆機(jī)等情況，往往需要二次擴(kuò)孔，增加了擴(kuò)孔難度和降低擴(kuò)孔效率，針對(duì)這些問(wèn)題，在擴(kuò)孔時(shí)候使用球齒牙輪鉆頭，和優(yōu)化鉆具級(jí)配進(jìn)行擴(kuò)孔，效果明顯。

相比于之前的在礫石層使用其他鉆頭相比，在礫石層使用球齒牙輪鉆頭的優(yōu)點(diǎn)：

（1）三牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)具有沖擊、壓碎和剪切破碎巖石的作用，牙齒與井底的接觸面積小、比壓高、工作扭矩小、工作刃總長(zhǎng)度大等優(yōu)點(diǎn)，適合礫石層使用；

（2）三牙輪鉆頭即公轉(zhuǎn)與自傳、縱振、滑動(dòng)更利于礫石層的碎巖；

（3）三牙輪鉆頭抗磨性能良好同時(shí)鉆進(jìn)比較平穩(wěn)，利于鉆孔的防斜。

優(yōu)化鉆具級(jí)配：

抽水孔：?245mm 球齒牙輪鉆頭+變徑接手+?83mm 鉆鋌+?73mm鉆桿+變徑接手+主動(dòng)鉆桿。

觀測(cè)孔：?190mm 球齒牙輪鉆頭+變徑接手+?83mm鉆鋌+?73mm鉆桿+變徑接手+主動(dòng)鉆桿。

3.3 擴(kuò)孔段泥漿固相控制

擴(kuò)孔段以往施工均使用含有膨潤(rùn)土的低固相泥漿或優(yōu)質(zhì)中固相泥漿，泥漿中固相含量高，降低鉆速，影響泥漿的護(hù)壁性能和紊流減阻作用，同時(shí)增加了礦層段的泥漿污染，影響到礦層段的滲透性。為了更好地控制擴(kuò)孔工序的泥漿固相含量，特使用無(wú)固相泥漿。

使用無(wú)固相泥漿優(yōu)點(diǎn)：

（1）鉆速高：固相含量為0%時(shí)，鉆速最高，隨著固相含量增加，鉆速顯著下降。膠體顆粒增多影響鉆速的主要原因是由于泥漿的流變特性發(fā)生變化，塑性粘度增加，剪切稀釋作用降低，水泵功率不能充分發(fā)揮，從而降低了清洗孔底、攜巖粉的能力，使鉆速下降。

（2）護(hù)壁性能強(qiáng)：無(wú)固相沖洗液中的高聚物分子不但在孔壁上膠結(jié)巖石形成保護(hù)膜，而且能滲入孔壁周?chē)鷰r石孔隙內(nèi)部產(chǎn)生膠結(jié)，膠結(jié)范圍大。泥漿護(hù)壁主要泥皮，主要作用在孔壁表面，對(duì)孔壁周?chē)纳钐帋r石膠結(jié)作用小。故無(wú)固相沖洗液護(hù)壁效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于泥漿。

（3）有適用于沖孔需要的流變特性：無(wú)固相沖洗液屬于假塑性流體，其流變特性與泥漿相比有較大的可調(diào)范圍，以適應(yīng)不同鉆探工藝的需要。

（4）紊流減阻作用好：這是由于水溶性高分子聚合物具有親水基團(tuán)和長(zhǎng)聯(lián)結(jié)的分子結(jié)構(gòu)的固有特性。

（5）有較強(qiáng)的預(yù)防沖洗液漏失能力和較好的潤(rùn)滑性，同時(shí)減少了機(jī)械磨損。

（6）保持極低比重(近似于1)，大大提高了鉆速和鉆頭進(jìn)尺，鉆速提高1.5~3.5倍。

（7）對(duì)水敏性地層、松散易塌地層有良好的防塌能力。

（8）由于沒(méi)有泥漿污染，提高了巖礦芯質(zhì)量，配制、使用簡(jiǎn)便，容易掌捉推廣，成本低。

無(wú)固相沖洗液配方：

（1）泥巖、煤系地層、粉砂巖采用抑制作用強(qiáng)非分散無(wú)固相泥漿。

泥巖層泥漿配方(按1m3泥漿配比，單位kg/m3)：聚丙烯酰胺∶氯化鉀∶鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)∶腐植酸鉀∶褐煤樹(shù)酯∶瀝青粉∶廣譜護(hù)壁劑=0.5∶7∶5∶6∶6∶4∶4。

（2）在卵、礫、漂石易坍塌掉塊地層鉆進(jìn)時(shí)，采用大密度、低失水量和造壁能力強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)無(wú)固相沖洗液。

卵石層、礫石層泥漿配方(按1m3泥漿配比，單位kg/m3):聚丙烯酰胺∶植物膠∶腐殖酸鉀∶瀝青粉∶鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)=0.8∶5∶3∶3∶3。

3.4 泥漿體系的優(yōu)化

水文孔施工由于成孔孔徑較大，需要較大泵壓和泵量的泥漿泵進(jìn)行孔內(nèi)泥漿循環(huán)，以前使用的NBB250型泥漿泵由于泵量小、泵壓低不能滿(mǎn)足水文孔孔徑較大施工要求，所以現(xiàn)場(chǎng)配備了NBB390泥漿泵，并且泥漿循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化成使用三級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)配備除泥除砂一體機(jī)。

使用三級(jí)循環(huán)池（見(jiàn)圖3），利于泥漿固相含量控制，優(yōu)化循環(huán)泥漿，增加泥漿重復(fù)利用率；使用390泵優(yōu)點(diǎn)額定流量52~390L/min，額定壓力8~11MPa能夠滿(mǎn)足大孔徑工藝孔泥漿循環(huán)的使用需求，主動(dòng)軸和曲軸間采用了人字形齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)噪聲小，扭力大，安全可靠，采用5擋變速箱，變量快捷，可選擇范圍大。

圖3 三級(jí)循環(huán)池

3.5 下管工藝優(yōu)化

套管安裝之前用稀泥漿置換孔內(nèi)的濃泥漿，待孔內(nèi)泥漿濃度達(dá)到下管要求后，依次向孔內(nèi)下入已配置好的沉淀管、過(guò)濾器和套管。以往下管過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)套管進(jìn)行加固，容易出現(xiàn)套管斷裂等情況；并且以往連接套管過(guò)程中孔口使用夾板固定裝置，套管連接時(shí)候非常耽誤時(shí)間，造成下管時(shí)間較長(zhǎng)，還容易出現(xiàn)套管下滑現(xiàn)象，針對(duì)這樣的問(wèn)題，我們對(duì)套管進(jìn)行了加固和使用木馬夾持器。

套管加固方法：套管外焊接拉筋，優(yōu)點(diǎn)：增加套管的連接強(qiáng)度，防止隨著套管增長(zhǎng)，絲扣承受的拉力也隨之增大，防止斷裂；同時(shí)防止投礫和固井時(shí)壓力激增造成側(cè)壓力增大造成的破壞；使用木馬夾持器的優(yōu)點(diǎn)：保證下管過(guò)程中套管在孔口的固定，使用操作簡(jiǎn)單，固定牢固。

3.6 投礫前的管內(nèi)、管外循環(huán)

管內(nèi)循環(huán)：鉆桿在過(guò)濾器頂端位置進(jìn)行循環(huán)，NBB390泥漿泵2擋，循環(huán)6~8h，先用稀泥漿，后用清水進(jìn)行管內(nèi)循環(huán)；同時(shí)鐵管和地層環(huán)狀間隙下投礫管，下到沉淀管末端，下完后（管內(nèi)循環(huán)完畢），進(jìn)行管外循環(huán)2h，由于地層穩(wěn)定，用清水進(jìn)行管外循環(huán)。

3.7 投礫工藝優(yōu)化

水文參數(shù)孔投礫施工過(guò)程中，由于傳統(tǒng)投礫泵在投礫過(guò)程中壓力不足，需要工人一直進(jìn)行投礫操作，投礫設(shè)備效率低下，導(dǎo)致設(shè)計(jì)投礫位置易出現(xiàn)間架橋，在后續(xù)注漿過(guò)程中，水泥漿進(jìn)入間隔段，影響整體水文孔涌水量，所得水文地質(zhì)參數(shù)不夠準(zhǔn)確。投礫工藝優(yōu)化是使用“泥漿泵+投礫罐+投礫管”方式進(jìn)行動(dòng)水投礫。

投礫罐其本身為壓力密閉容器，配有壓力表以及安全閥，罐壓力表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)投礫過(guò)程中投礫管內(nèi)壓力，安全閥起到保護(hù)作用，防止管內(nèi)壓力超差發(fā)生危險(xiǎn)。罐內(nèi)的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內(nèi)，管道主要依靠水射流的作用力將礫料清水混合物沖擊至投礫管中，直至孔底，投礫過(guò)程見(jiàn)圖4。通過(guò)使用發(fā)現(xiàn)，投礫罐在投礫效率及安全性方面較投礫泵有較大改善，且投礫罐維護(hù)保養(yǎng)較為方便。

圖4 投礫過(guò)程示意圖

根據(jù)對(duì)地浸工藝孔投礫泵的傳統(tǒng)投礫裝置一般使用的是引射器結(jié)構(gòu)，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴(kuò)散室組成（見(jiàn)圖5），此設(shè)計(jì)將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點(diǎn)問(wèn)題：①由于噴嘴抽吸效果不好，礫料向孔底注入的流速較低；②投礫過(guò)程中混合室過(guò)于狹窄，容易出現(xiàn)礫料卡堵現(xiàn)象。

圖5 引射器結(jié)構(gòu)圖

基于引射器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問(wèn)題，將噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使用一束從小口徑孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足夠能量，稱(chēng)之為水射流。水射流是由噴嘴流出形成的不同形狀的高速水流束，射流的流速取決于噴嘴出口截面前后的壓力降。水射流是能量轉(zhuǎn)變與應(yīng)用的最簡(jiǎn)單的一種形式。通常，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)泵通過(guò)對(duì)水完成一個(gè)吸、排過(guò)程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量到達(dá)噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達(dá)噴嘴的一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經(jīng)過(guò)噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。射流一旦離開(kāi)噴嘴，它的凝聚段不會(huì)太長(zhǎng)。對(duì)此，射流的速度尤為重要。水經(jīng)過(guò)泵送獲得了壓力，壓力首先驅(qū)動(dòng)水從泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過(guò)噴嘴。利用水射流可以獲得足夠的動(dòng)能，將礫料入口置于噴嘴后端（見(jiàn)圖6），取消狹小的混合室，有效避免了礫料卡堵的現(xiàn)象，提高投礫效率。

圖6 改進(jìn)后水射流噴嘴結(jié)構(gòu)圖

今年通過(guò)對(duì)投礫工藝的優(yōu)化和投射器的改進(jìn)，凈投礫效率得到顯著提高，具體情況見(jiàn)表1。2022年施工水文孔凈投礫效率比2021年以前施工的水文孔凈投礫效率顯著提高，因?yàn)?021 年以前施工水文孔使用的是投礫泵投礫；2022年施工水文孔凈投礫效率比2021年施工水文孔凈投礫效率提高4 倍多，因?yàn)?021 年施工水文孔未優(yōu)化投射器結(jié)構(gòu)。所以可以看出投礫工藝的優(yōu)化和投射器的改進(jìn)，提高了投礫的效率。

表1 近幾年水文參數(shù)孔投礫時(shí)間統(tǒng)計(jì)

3.8 洗井方案設(shè)計(jì)

洗井方案設(shè)計(jì)為鉆桿循環(huán)洗井、拉活塞洗井與空壓機(jī)洗井結(jié)合洗井，綜合作用，使沉砂管和花管通過(guò)洗井清洗干凈，同時(shí)通過(guò)多種洗井方式結(jié)合提高礦層段地層滲透性。

拉活塞洗井設(shè)計(jì)：采用分段拉活塞方案；

空壓機(jī)洗井設(shè)計(jì)：400m位置洗井—過(guò)濾器上部位置洗井—沉淀管上端位置洗井。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)以往施工水文孔遇到的裸眼鉆進(jìn)易出現(xiàn)孔斜超標(biāo)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)鉆頭選擇不當(dāng)進(jìn)尺不快、擴(kuò)孔時(shí)泥漿固相含量高影響礦層滲透性、下管速度緩慢、投礫效率低下等問(wèn)題，通過(guò)工藝優(yōu)化、研究和改進(jìn)，增大了成孔概率和縮短了成井時(shí)間，提高了成井質(zhì)量，建立了一套完整的水文孔施工工藝。