牙輪鉆頭與筒狀鉆具在深水井施工中應(yīng)用

陳文明，徐同鵬，李曉慶

（肥城市水利局，山東 肥城 271600）

1 項目背景及地層結(jié)構(gòu)

施工井位于山西省交口縣，地面標(biāo)高約870～880m，地下水埋深380m左右，該項目設(shè)計井深600m，開孔直徑426mm，變徑4次，分別為426mm、377mm、325mm,終孔 295mm,下鋼制井管3套，呈4級倒塔狀。設(shè)計井孔結(jié)構(gòu)與下護(hù)管情況見表1：

表1 設(shè)計井孔結(jié)構(gòu)與下護(hù)管情況

由于工程地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單純筒狀鉆具施工工藝效率極低，在原有施工工藝的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，不但加快了施工進(jìn)度，對地層的掌握也更加精準(zhǔn)。其地層結(jié)構(gòu)如下：

1）第四系上部為黃土、卵礫石易坍塌，下部為青灰色灰?guī)r夾薄層白色泥灰?guī)r，厚度約100m。

2）中奧陶峰峰組一段、上馬家溝一段、下馬家溝一段巖性為灰、灰白、灰黃色含泥質(zhì)灰?guī)r與角礫狀泥灰?guī)r，不具含水條件。

3）上馬家溝二段下部、下馬家溝二段與奧陶系下統(tǒng)亮甲山組，巖性為厚層青灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，溶洞發(fā)育，具有含水和儲水條件，總厚度約100～120m。

4）奧陶系下統(tǒng)冶里組為白云質(zhì)灰?guī)r，有石英質(zhì)燧石結(jié)核巖石堅硬，其中段530～570m有洞穴發(fā)育，儲水量豐富。

針對以上地層情況，采用大直徑牙輪鉆頭與筒狀鉆具相結(jié)合的施工工藝，以解決以下3個方面的問題，保證井孔質(zhì)量和施工工期：1）在含水層掌握地質(zhì)構(gòu)造；2）松散破碎的地層不宜提取巖心，造成費(fèi)工費(fèi)料，影響進(jìn)尺；3）變徑下護(hù)壁管時必須將護(hù)壁管下入完整巖石，用筒狀鉆具摸清地質(zhì)構(gòu)造，取上完整巖心方可下入護(hù)壁管，否則會造成無法掌握地質(zhì)情況、井壁管下口位置不準(zhǔn)確，兩級井壁管脫節(jié)，影響井孔壽命。

2 單井施工工藝過程和效果

2.1 施工過程

2011-11-01鉆機(jī)進(jìn)場，11月4日開工。首先采用Φ500mm刺猬鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到3.5m第四紀(jì)地層以后，進(jìn)入灰?guī)r地段，巖石變硬，遂改用Φ426mm筒狀鉆具鉆進(jìn)。鉆進(jìn)到84.65m后，下入相同深度的Φ426mm×9mm鋼制螺旋管為一級護(hù)壁管，然后，在護(hù)壁管外用水泥進(jìn)行封孔止水。

11月18日，待水泥凝固后改用Φ377mm筒狀鉆具與Φ406mm牙輪鉆頭交替鉆進(jìn)，11月25日鉆到156m。11月26日改用Φ406mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至349m時改換Φ377mm筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)，12月21日鉆進(jìn)至354.1m，取完整巖心5.1m。下入274mΦ377mm×9mm鋼制螺旋管作為二級護(hù)壁管。由于井斜及下管過程中摩擦等因素，下護(hù)壁管前必須疏孔以保證護(hù)壁管順利下入。

12月23日改換Φ345mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)10d后，鉆進(jìn)至451.2m時又改換Φ325mm筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)，直到456.33m，取完整巖心5.3m。下入107mΦ325mm×9mm鋼制螺旋管作為三級護(hù)壁管。

2012-01-02改換Φ273mm筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)，因巖石松散破碎，又改換Φ295mm牙輪鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)，2013-01-14終孔，深度達(dá)604.41m。

2.2 施工效果

在施工過程中根據(jù)不同的孔徑和深度，及時調(diào)整鉆鋌的重量以適應(yīng)鉆孔需求，達(dá)到以下目的：1）給鉆頭施加鉆壓；2）保證壓縮條件下的必要強(qiáng)度；3）減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，使鉆頭工作平穩(wěn)；4）控制井斜。

本孔在鉆進(jìn)過程中，主要采用牙輪鉆頭無巖心鉆進(jìn)與筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)相結(jié)合的施工工藝。在筒狀鉆具鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格控制回次進(jìn)尺和洗井液濃度，使巖粉能夠順利地排出，從而減少了對巖溶裂隙的堵塞；在牙輪鉆進(jìn)過程中控制回次進(jìn)尺，增加撈粉次數(shù)，盡量減少巖粉對巖溶裂隙的堵塞，從而為洗井節(jié)省了工作量。終孔后洗井證明，在較短的時間內(nèi)可達(dá)到水清沙凈，經(jīng)過嚴(yán)格的抽水試驗，單井影響半徑均小于30m，動靜水位差保持在20cm之內(nèi)，并且單井出水量都在60m3/h以上，完全達(dá)到設(shè)計要求。

3 取得的效益

3.1 傳統(tǒng)工法

以山西600m深井施工為例：采用單純筒狀鉆具的方法施工，每眼井施工工期為180d左右，平均人工費(fèi)130元/臺班、每班4人，三班制，則人工費(fèi)為28.08萬元。在施工研磨材料上，由于溶洞和裂隙等地層特性導(dǎo)致鋼粒無法使用，必須使用硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金大約300元/盒，一盒60粒，平均每粒5元，粗略計算600m井平均每天進(jìn)尺3.3m，每班1m左右（由于孔徑大、井孔深，不易取巖心，為避免巖粉埋鉆事故的發(fā)生，大大增加了撈粉次數(shù)，造成費(fèi)工費(fèi)料影響進(jìn)尺），按每個鉆頭鑲20粒合金，平均每米合金消耗100元計算，共計消耗6萬元。

3.2 牙輪鉆頭與筒狀鉆相結(jié)合

采用大直徑牙輪鉆頭與筒狀鉆具相結(jié)合的方法施工，每眼井施工工期為70d左右，平均人工費(fèi)130元/臺班、每班4人，三班制，人工費(fèi)為10.92萬元。大直徑牙輪鉆頭 （Φ406mm、Φ345mm、Φ295mm）單價分別為5萬元、3.6萬元、2.9萬元，正常情況下每個鉆頭可鉆進(jìn)1500m左右，平均每米投入25元，共計投入1.5萬元。

3.3 效益比較

1）省料。用牙輪鉆頭無巖心鉆進(jìn)與筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)相結(jié)合施工，減少了筒狀鉆具的磨損與消耗，節(jié)省了大量的研磨材料，單井節(jié)約4.5萬元左右。

2）省工省時。牙輪鉆頭無巖心鉆進(jìn)進(jìn)尺快，減少提下鉆的次數(shù)，大大節(jié)約勞動力，經(jīng)計算，單井人工費(fèi)節(jié)約17.16萬元左右。

3）綜合效益。從投資方面，大直徑牙輪鉆頭（Φ406mm、Φ345mm、Φ295mm）單價分別為 5萬元、3.6萬元、2.9萬元一次性投資，長期使用。根據(jù)以上案例計算平均每延米節(jié)約75元左右的研磨費(fèi)用。從節(jié)支方面看，經(jīng)計算，在深水井施工中節(jié)約打井研磨材料約4.5萬元，人工費(fèi)17.16萬元，單井節(jié)支費(fèi)用合計21.66萬元。而該井總造價為124萬余元，減去各項施工費(fèi)用，按正常營業(yè)利潤15%計算，則該井實現(xiàn)利潤18萬余元。使用該工藝后，大大節(jié)約了人力、財力、物力，提高了工程質(zhì)量，縮短了施工工期，其利潤達(dá)到了35%，實現(xiàn)利潤43萬余元。

實踐證明，在粗略掌握地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，在非含水層段，大膽摒棄單純用筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)這種傳統(tǒng)鉆進(jìn)方法，采取了用牙輪鉆頭無巖心鉆進(jìn)與筒狀鉆具取芯鉆進(jìn)相結(jié)合的施工工藝，大大提高了鉆進(jìn)速度，縮短了施工工期，節(jié)約了研磨材料，效益顯著，在深水井施工中具有較高的推廣價值和廣闊的發(fā)展前景。