新疆復雜地層水文地質鉆探施工常規解決方法論述

杜江巖　陳和軍　師德揚　曹阿楠　李林

摘要：水文地質鉆探的技術目的是通過鉆探技術手段獲取礦區地層的各項物性參數、水文地質、水化學參數。水文地質鉆探常涉及含水層施工鉆井液漏失、塌孔、縮頸等復雜施工情況，含水層持力層多不穩定，卡、埋鉆等鉆探事故頻發。且此類鉆探事故處理周期長，報廢概率高。為了安全、高效、高質量地進行水文鉆探施工，總結新疆漢水泉煤田水文地質勘查中30多個水文鉆孔的勘探成果，提出隨鉆進深度多梯次分孔徑施工、采用套管結合高黏性鉆進液防漏失的水文鉆探方法，為后續水文地質鉆探工作高效施工，總結一些成熟經驗。

關鍵詞：水文鉆探;防治;措施

隨著我國水文地質事業的發展，新疆水文地質勘探相繼啟動了大規模的煤田供水勘探，區域水文地質、環境地質項目，煤田供水研究及不同類型的水文地質、環境地質工程勘察項目對下伏第四系地層的鉆探施工有著不同的工程要求，因而提供準確無誤的地質勘察資料顯得非常重要。隨著水文地質由區域普查到礦區詳查精度的不斷提高，與水文地質相關的第四系地層水文鉆探工作量和工作質量要求不斷提高，要求取芯具備更高的完整性和原裝性，取芯直徑和取芯進尺要求不斷提高。但按照往期的水文地質鉆探規程施工，完成現行水文地質技術勘查精度要求存在較大難度，前人水文鉆探方法存在取芯率原狀性差和費效比低等多種問題。隨著新疆漢水泉煤田水文地質勘查工作的開展，我們項目組結合單位水文鉆探機械配置，不斷總結鉆探施工方法、調整摸索解決方案，加深了對調查區下伏地質情況的了解。按照由簡單至復雜的工作部署方案部署，實施水文鉆探32眼，孔深112～350 m，孔徑450～650 mm，通過總結鉆探中遇到復雜地層時的技術問題，合理設計解決方案，最終完工水文鉆探孔32眼，獲得了一些水文地質鉆探施工經驗，總結如下。

1? ? 對項目區復雜地層的性質分析

項目區水文地質鉆探揭露的下伏復雜地層有兩種：第一種是在復雜構造應力作用下形成的破碎地層，此類地層普遍膠結性差、結構松散、較為破碎且強度不高、有次生節理裂隙發育，在水文大口徑施工過程中，常發生塌孔、卡鉆等鉆探事故。第二種是第四系松散堆積的復雜沉積層，由第四系風積物、流水沉積物、洪積物、冰磧物等混合組成，此類巖層天然物性較為松散，有易于膨脹濕陷的黏土、流沙，易于松散墜落的砂卵礫石、漂石，成層性差，結構疏松、層級規律差、層間硬度變化大、沉積物分選不良，在水文鉆井沉井過程中，易墜落塌落，致使巖性采取率低，巖性原裝性變差，同時易出現塌孔、卡鉆等鉆探事故;且上述兩種破碎地層多為含水層，孔隙裂隙發育，易造成鉆井液漏失或鉆孔突水事故。水文地質鉆探在上述復雜地層沉井施工普遍存在“三難”——沉井施工難、護壁保液難、取芯取樣難[1]。

2? ? 預防措施

2.1 采用大于常規口徑水文鉆孔的多梯次分孔徑施工

綜合分析物探、區域地質、水文地質資料，設計施工可能碰到上述復雜破碎地層的鉆孔，首先使用大于要求口徑350 mm的鉆孔口徑開孔，形成多梯次孔徑逐級施工，可以分級使用薄壁塑料外套管（一級），內套管（二級），沉井鉆具（三級），由大口徑鉆頭開孔，逐級減少鉆頭口徑繼續鉆進時，仍能保證采取巖心的直徑符合要求。

以新疆漢水泉煤田水文地質ZK14取芯孔為例。設計終孔孔徑φ275 mm，取芯采用單動雙管鉆具，開孔鉆頭口徑φ550 mm（孔徑φ610 mm），開孔隨即下人φ608 mm的孔口薄壁塑料套管。Φ608 mm的孔口套管下入至55 m后，揭穿洪積層，進入細顆粒地層，換φ250 mm鉆頭，保持單動雙管鉆具進尺55～300 m，鉆進遇礫石含水層，鉆井液漏失嚴重，換用堵漏泥漿快速穿過，同時下入φ325 mm套管，持力層選擇在相對穩定致密的黏土細顆粒地層時下入。

同樣，如果水文觀測孔要求使用取心鉆具為φ159 mm繩索取芯或φ166 mm雙管單動取芯，成孔直徑不小于φ191 mm。

2.2 大孔徑水文深孔不可小徑“一徑到底”

大孔徑水文深孔，一般指設計孔深為500～1000 m的水文鉆孔。小徑指φ150 mm的繩索取芯口徑或φ89 mm的普通雙管口徑。鑒于要通過水文試驗采取下部水文地質參數，一般水文地質勘查規范要求沉井孔徑≮159 mm（原則上不允許采用φ89 mm的口徑）。

經過本項目施工經驗在大孔徑水文深孔施工中，不建議在設置孔口管后，直接換成小孔徑鉆具轉入常規口徑鉆進，并一徑到底，為保證成井質量和可靠性，建議多梯次分孔徑施工，每一梯次孔徑間差距≮90 mm。

主要原因在于，鉆進遇到破碎復雜地層，如果一徑到底沉井施工，缺少套管保護和施工套管的梯級孔徑空間，重點在200～300 m的施工深度，若沒有多梯次分孔徑施工下套管隔離，孔段太長，后續水文孔擴孔沉井難度極大，極易報廢現有井孔，造成經濟損失，同時后續下管沉井過程中，上部孔段沒有套管保護對沉井井管的下入也會形成事故隱患。

其實道理很簡單，在各類巖芯鉆探、工勘鉆探、大口徑水文鉆探護孔堵漏措施里下入套管隔離上部地層是最穩妥有效的方法，多梯次分孔徑施工，不再小徑“一徑到底”也是現行最可靠的大水文孔大口徑沉井技術手段。

2.3 鉆井液選配

大水文孔大口徑沉井在地下水出露區施工，一般使用清水鉆探。清水作為鉆井液，可以有效減少鉆進阻力，提高鉆井速度，減少對原含水層的污染破壞，采取下部水文樣品的置換周期和準確性也較高。但碰到復雜破碎地層大水文孔大口徑沉井施工難度極高，也不提倡清水鉆進，建議選用低固相泥漿，同時還要收集分析施工區域的各類地質、工勘鉆孔沉井施工資料，結合地下水類型、礦化度等水文地質參數有對應性地選取鉆井液配置方法。

適合大水文孔大口徑沉井的鉆井液配方有：SM—KHm超低固相泥漿、SM植物膠泥漿、普通黏土泥漿。SM—KHm超低固相泥漿物性穩定，比重浮力大，流動性攜帶性好，護壁強度高，可有效保證第四系松散層施工的取芯率和沉井率。SM植物膠泥漿適用于結構松散，孔壁穩定性差，涉含水層施工，自然造漿嚴重易出現縮徑現象的粗細顆粒混雜地層。普通黏土泥漿易于沉井清洗，穩定性好，流動性攜帶性較好，護壁強度較高，在本項目深孔勘查項目中也取得了良好的效果[2-4]。

3? ? 治理措施

大水文孔大口徑沉井中，即使有嚴格的施工應急預案也會受到破碎地層和復雜沉積層對施工進度的影響。這兩種情況成因不同，應該分而治之。

3.1 破碎地層

破碎地層指各類地質作用下形成的松散地層，此種地層出現的層位通過物探等技術手段可以預測，但很難準確預判。碰到此類地層，應順序調整施工工序：換用高性能泥漿護壁→加快鉆井速度快速穿過→套管隔離→向下繼續鉆井。

以新疆漢水泉煤田供水勘查工程16線為例，16線5個鉆孔所揭露地層：0～27 m為沙礫石層，27～33 m為卵礫石層，33～57 m為沙礫石層，57～81m為含瑪瑙礫巖、81～202 m為砂巖層，27～81 m就是該孔的破碎地層。

開孔采用傳統的清水鉆進，在采芯要求嚴格的情況下，31～34m進尺取芯揭露的卵礫石層，同時通過建議水文地質觀測發現鉆井液漏失嚴重，換用SM植物膠鉆井液，配比4.2%，黏度大于30 S，確保后續取出膠結成柱狀的松散巖心同時具有較高的流動性，確保了鉆井液快速通過，減少了鉆井液漏失。

項目多孔施工結果表明，在不憋泵的前提下，采用這種鉆井液處理方法是較為有效的，未發生過掉塊、卡鉆事故。

新疆地礦局第二水文工程地質大隊多梯次分孔徑施工采用多層護壁套管，有效防止了破碎地層可能的鉆探事故，同時外部薄壁套管成本低，內部鋼質套管易拔取，套管下孔前應采取相應的潤滑技術措施及成果圖見圖1。

3.2 復雜沉積層

復雜沉積層是指第四系搬運堆積運動作用下形成的復雜沉積地層。其中地層中孔隙裂隙發育連通性好，鉆井液的漏失導致鉆孔孔壁護壁失壓、塌孔、卡鉆，鉆井液漏失地層又分為孔底漏失與孔側層段漏失。其中孔底漏失多發生在天然裂縫、溶洞或者原有采空區地層的勘探區，發生原因是地下的復雜壓力環境或者孔洞被鉆孔揭露，一般水文地質大孔徑鉆探不易碰到。而孔側層段漏失有成層性漏失與小范圍地層漏失2種形式。

3.2.1 成層性漏失

以新疆漢水泉煤田供水勘查工程ZK2孔施工情況為例，該孔存在45～65 m，95～107 m2個卵石地層，在兩個巖層出現漏失、少量返漿或完全不返漿現象時，提鉆會發生塌孔縮徑，再下鉆下不去或找不到原孔;停鉆后，有涌水現象，鉆井液被稀釋。

漏失發生后現場逐步實施了兩種處理方案：一是換用傳統黏土泥漿，密度為1.17g/cm3，黏度>38 S，可使鉆孔漏失量減少，塌孔縮徑有所改善，便于鉆井工作繼續向下開展。二是換用無固相泥漿，泥漿配方為聚丙烯酰胺0.16%，纖維素0.35%。此種泥漿送返巖屑效力提升顯著，鉆探效率明顯提高，未再發生鉆孔漏失、塌孔縮徑。

這種明顯與周邊地層連通的漏失地層的治理步驟與破碎地層相同，但首先要及時更換鉆井液堵漏，以免造成后續更大的鉆探事故。

3.2.2 小范圍地層漏失

孔段中小范圍地層的漏失，也多發生在復雜沉積層。此種漏失的表征較為明顯，表現為突發性的鉆井液大量漏失，同時鉆孔多伴有一定程度的縮徑，對鉆孔沉井質量影響大，且鉆井液漏失量如果較大，容易影響后續對下部地層水文參數的確定。較為典型的特點是大口徑水文鉆孔發生小范圍地層漏失時，如果提鉆，會伴有較為明顯的井噴現象。建議首先改用普通黏土泥漿，密度1.02 g/cm3左右，黏度30 s左右，也可在提鉆孔后采用灌注法灌注水泥漿，封堵區段地層，確保后續鉆探工作順利進行[5-8]。

4? ? 結論

（1）部署大孔徑水文鉆孔孔位時，應盡量避開復雜破碎地層，確定是目的含水層的，一定要制定多梯次分孔徑施工，分級套管封堵。

（2）遇到復雜情況，要辨清漏失類別，采取相應對策。

（3）不同鉆井液配比及使用，決定大孔徑水文鉆孔的施工沉井效率，應結合施工進程及時開展簡易水文觀測，并根據取芯揭露情況及時選取或更換適當鉆井液類型。

參考文獻

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