多節取粉管結合跟管鉆進在龍川江盆地涌水鉆孔施工過程中的應用

姚海平，李柏軍，孫澤軒，張亮，鄒亞輝

（1.核工業二八〇研究所，四川 廣漢 618300；2.中國核工業地質局，北京 100013；3.核工業二四〇研究所，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、下具有穩定的隔水層。特別是滇西地區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。

2 施工區概況

2.1 地質概況

龍川江盆地基底與蝕源區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芒棒組（N2m）陸相碎屑巖系、第四系全新統（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，換徑繼續鉆進。

圖3 多節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，揭露到穩定的隔水層或不承壓的砂巖后下φ108 mm套管，后續采用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，暫時不配置多節取粉管鉆具。

工藝流程：鉆穿覆蓋層，為確保孔壁穩定，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，孔內沉砂太多，采用φ110 mm/φ94 mm多節取粉管打撈巖粉鉆具組合，反復打撈孔內沉沙。后續在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，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生。

6 結語

1）采用多節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，鉆孔優質率達到95%。