水文參數鉆孔成建孔工藝優化

閆立鵬，王紅軍，菅 凱，江海宇

（核工業二〇八大隊，內蒙古包頭 014010）

1 水文參數孔簡介

水文參數孔施工工藝比較復雜（圖1），其中成井工藝（圖2）是水文參數孔能否施工成功的重要影響因素之一，而在成井工藝中擴孔、下管、投礫等關鍵工序又是成井工藝中的關鍵環節之一，是否控制擴孔泥漿固相含量直接影響后續水文地質試驗所得水文地質參數準確性。

圖1 水文參數孔結構示意圖

圖2 水文孔施工流程

2 以往施工水文孔遇到的問題

以往施工水文孔往往會遇到裸眼孔斜超標、擴孔進尺不快、擴孔使用的固相泥漿影響礦層段滲透性、下管速度緩慢、投礫效率低下等問題。

3 工藝優化

3.1 孔斜控制

以往施工現場裸眼段一般使用的?110mm 鉆頭+?68mm 鉆鋌+?60mm 鉆桿進行裸眼鉆進，很難滿足水文孔孔斜偏斜要求：軸線最大偏斜的水平距離為每100m 不超過1.5m，并按照孔深遞增計算，經常出現孔斜超標情況，為了鉆孔偏斜達標，特在裸眼鉆井段進行鉆具級配優化。

鉆具級配：?110mm復合片鉆頭+?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點：

（1）增加鉆桿柱的剛度，減少產生的撓度和彎曲，控制孔斜；

（2）更符合鉆具級配的塔式要求；

（3）增加鉆桿柱自重，更利于垂直鉆進；

（4）利于泥漿的上返循環和減少鉆具折斷風險。

3.2 擴孔工藝優化

以往水文孔擴孔是比較耗費時間的一道工序，尤其是在礫石層使用復合片擴孔鉆孔+?68mm鉆鋌+?60mm鉆桿級配，經常出現崩齒、孔徑縮小、鉆具折斷和損傷鉆機等情況，往往需要二次擴孔，增加了擴孔難度和降低擴孔效率，針對這些問題，在擴孔時候使用球齒牙輪鉆頭，和優化鉆具級配進行擴孔，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點：

（1）三牙輪鉆頭旋轉時具有沖擊、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、工作刃總長度大等優點，適合礫石層使用；

（2）三牙輪鉆頭即公轉與自傳、縱振、滑動更利于礫石層的碎巖；

（3）三牙輪鉆頭抗磨性能良好同時鉆進比較平穩，利于鉆孔的防斜。

優化鉆具級配：

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

觀測孔：?190mm 球齒牙輪鉆頭+變徑接手+?83mm鉆鋌+?73mm鉆桿+變徑接手+主動鉆桿。

3.3 擴孔段泥漿固相控制

擴孔段以往施工均使用含有膨潤土的低固相泥漿或優質中固相泥漿，泥漿中固相含量高，降低鉆速，影響泥漿的護壁性能和紊流減阻作用，同時增加了礦層段的泥漿污染，影響到礦層段的滲透性。為了更好地控制擴孔工序的泥漿固相含量，特使用無固相泥漿。

使用無固相泥漿優點：

（1）鉆速高：固相含量為0%時，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揮，從而降低了清洗孔底、攜巖粉的能力，使鉆速下降。

（2）護壁性能強：無固相沖洗液中的高聚物分子不但在孔壁上膠結巖石形成保護膜，而且能滲入孔壁周圍巖石孔隙內部產生膠結，膠結范圍大。泥漿護壁主要泥皮，主要作用在孔壁表面，對孔壁周圍的深處巖石膠結作用小。故無固相沖洗液護壁效果遠遠好于泥漿。

（3）有適用于沖孔需要的流變特性：無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范圍，以適應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和長聯結的分子結構的固有特性。

（5）有較強的預防沖洗液漏失能力和較好的潤滑性，同時減少了機械磨損。

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

（7）對水敏性地層、松散易塌地層有良好的防塌能力。

（8）由于沒有泥漿污染，提高了巖礦芯質量，配制、使用簡便，容易掌捉推廣，成本低。

無固相沖洗液配方：

（1）泥巖、煤系地層、粉砂巖采用抑制作用強非分散無固相泥漿。

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∶褐煤樹酯∶瀝青粉∶廣譜護壁劑=0.5∶7∶5∶6∶6∶4∶4。

（2）在卵、礫、漂石易坍塌掉塊地層鉆進時，采用大密度、低失水量和造壁能力強的優質無固相沖洗液。

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行孔內泥漿循環，以前使用的NBB250型泥漿泵由于泵量小、泵壓低不能滿足水文孔孔徑較大施工要求，所以現場配備了NBB390泥漿泵，并且泥漿循環系統優化成使用三級循環系統，同時配備除泥除砂一體機。

使用三級循環池（見圖3），利于泥漿固相含量控制，優化循環泥漿，增加泥漿重復利用率；使用390泵優點額定流量52~390L/min，額定壓力8~11MPa能夠滿足大孔徑工藝孔泥漿循環的使用需求，主動軸和曲軸間采用了人字形齒輪傳動，傳動噪聲小，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 三級循環池

3.5 下管工藝優化

套管安裝之前用稀泥漿置換孔內的濃泥漿，待孔內泥漿濃度達到下管要求后，依次向孔內下入已配置好的沉淀管、過濾器和套管。以往下管過程中，沒有對套管進行加固，容易出現套管斷裂等情況；并且以往連接套管過程中孔口使用夾板固定裝置，套管連接時候非常耽誤時間，造成下管時間較長，還容易出現套管下滑現象，針對這樣的問題，我們對套管進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，優點：增加套管的連接強度，防止隨著套管增長，絲扣承受的拉力也隨之增大，防止斷裂；同時防止投礫和固井時壓力激增造成側壓力增大造成的破壞；使用木馬夾持器的優點：保證下管過程中套管在孔口的固定，使用操作簡單，固定牢固。

3.6 投礫前的管內、管外循環

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

3.7 投礫工藝優化

水文參數孔投礫施工過程中，由于傳統投礫泵在投礫過程中壓力不足，需要工人一直進行投礫操作，投礫設備效率低下，導致設計投礫位置易出現間架橋，在后續注漿過程中，水泥漿進入間隔段，影響整體水文孔涌水量，所得水文地質參數不夠準確。投礫工藝優化是使用“泥漿泵+投礫罐+投礫管”方式進行動水投礫。

投礫罐其本身為壓力密閉容器，配有壓力表以及安全閥，罐壓力表可以實時監測投礫過程中投礫管內壓力，安全閥起到保護作用，防止管內壓力超差發生危險。罐內的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內，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，投礫過程見圖4。通過使用發現，投礫罐在投礫效率及安全性方面較投礫泵有較大改善，且投礫罐維護保養較為方便。

圖4 投礫過程示意圖

根據對地浸工藝孔投礫泵的傳統投礫裝置一般使用的是引射器結構，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴散室組成（見圖5），此設計將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點問題：①由于噴嘴抽吸效果不好，礫料向孔底注入的流速較低；②投礫過程中混合室過于狹窄，容易出現礫料卡堵現象。

圖5 引射器結構圖

基于引射器結構產生的問題，將噴嘴結構進行改進，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。水射流是能量轉變與應用的最簡單的一種形式。通常，動力驅動泵通過對水完成一個吸、排過程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量到達噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達噴嘴的一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經過噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。射流一旦離開噴嘴，它的凝聚段不會太長。對此，射流的速度尤為重要。水經過泵送獲得了壓力，壓力首先驅動水從泵至噴嘴，又使其以給定的速度通過噴嘴。利用水射流可以獲得足夠的動能，將礫料入口置于噴嘴后端（見圖6），取消狹小的混合室，有效避免了礫料卡堵的現象，提高投礫效率。

圖6 改進后水射流噴嘴結構圖

今年通過對投礫工藝的優化和投射器的改進，凈投礫效率得到顯著提高，具體情況見表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，因為2021 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，因為2021 年施工水文孔未優化投射器結構。所以可以看出投礫工藝的優化和投射器的改進，提高了投礫的效率。

表1 近幾年水文參數孔投礫時間統計

3.8 洗井方案設計

洗井方案設計為鉆桿循環洗井、拉活塞洗井與空壓機洗井結合洗井，綜合作用，使沉砂管和花管通過洗井清洗干凈，同時通過多種洗井方式結合提高礦層段地層滲透性。

拉活塞洗井設計：采用分段拉活塞方案；

空壓機洗井設計：400m位置洗井—過濾器上部位置洗井—沉淀管上端位置洗井。

4 結束語

本文對以往施工水文孔遇到的裸眼鉆進易出現孔斜超標、擴孔鉆進鉆頭選擇不當進尺不快、擴孔時泥漿固相含量高影響礦層滲透性、下管速度緩慢、投礫效率低下等問題，通過工藝優化、研究和改進，增大了成孔概率和縮短了成井時間，提高了成井質量，建立了一套完整的水文孔施工工藝。