泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝在輻射井豎井施工中的應(yīng)用

陳 霄，李海偉

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.北京中水科工程集團(tuán)有限公司，北京 100048)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，供水方式由分散供水向集中供水、飲用水源地由分散式向集中式轉(zhuǎn)變，擴(kuò)建或新建水源是必然的，而水量充沛、水質(zhì)優(yōu)良的地下水往往作為供水水源的首選。地下水取水建筑物的型式有管井、大口井、滲渠、輻射井及復(fù)合井等，正確地選擇取水建筑物的類型，不僅關(guān)系到能否以最少投資取得最大出水量；同時(shí)，也關(guān)系到水源地建成后能否長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)和取水成本低的問題[1]。輻射井是傍河取水的高效開發(fā)模式，具有單井出水量大、壽命長(zhǎng)、管理方便、維修便利、占地少等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)和廠礦供水[2]。西藏昌都市二水廠輻射井的供水量達(dá)到了20 000 m3/d以上，并受到水廠干部職工的一致好評(píng)，被中央工作組譽(yù)為“昌都奇跡”[3]。中寧黃河灘地傍河水源地完成5眼輻射井，比較輻射井、管井和大口井的穩(wěn)定出水量和降深，表明輻射井是傍河水源地有效的取水方式[4]。

1 輻射井

輻射井是由一口大直徑的集水井和自集水井內(nèi)的任一高程和水平方向向含水層打進(jìn)具有一定長(zhǎng)度的多層、數(shù)根至數(shù)十根水平輻射管所組成。由于水平輻射管分布成輻射狀，故稱為輻射井。

集水井又稱豎井，是水平輻射管施工、集取水和安裝水泵的場(chǎng)所。集水井井徑主要取決于施工輻射管的設(shè)備尺寸、井下施工要求以及水泵抽水要求，井深應(yīng)根據(jù)建設(shè)水源井所在水源地的水文地質(zhì)條件以及施工技術(shù)而定。一般情況下，集水井深度越深，輻射井出水量越大，考慮到施工安全井深一般不超過40 m。

豎井是輻射井成功與否的關(guān)鍵。豎井常采用反循環(huán)鉆進(jìn)成孔、漂浮法下管成井法，其他還有沉井施工法、吊掛壁施工法等方法成井。反循環(huán)鉆進(jìn)成孔具有成孔時(shí)間短、泥漿攜渣能力強(qiáng)、孔壁擾動(dòng)小、成孔質(zhì)量高等特點(diǎn)。

2 泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)

在各種砂層、砂質(zhì)土、粘土、淤泥和卵礫石中，采用反循環(huán)鉆進(jìn)均能取得較好的進(jìn)尺。反循環(huán)鉆進(jìn)可分為泵吸反循環(huán)、壓縮空氣反循環(huán)和噴射反循環(huán)三種方式[5]。泵吸反循環(huán)有成井效率高、鉆頭磨損低、孔底沉碴少、孔壁穩(wěn)定、地層分層清晰、成井質(zhì)量好、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)勢(shì)[6-8]。在一些復(fù)雜地層如含少量漂石的砂卵石地層，采用泵吸反循環(huán)也可取得不錯(cuò)的效果。并可根據(jù)鉆進(jìn)判別的地層巖性，進(jìn)行輻射井水平輻射管的合理布置。

2.1 泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)的工作原理

泵吸反循環(huán)是利用砂石泵的抽吸作用，使鉆桿中的液體上升的反循環(huán)鉆進(jìn)。砂石泵的吸水口通過回水管、提引水龍頭，與鉆桿連接。當(dāng)砂石泵工作時(shí)，其進(jìn)水口處形成負(fù)壓，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆孔內(nèi)的泥漿在壓差的作用下與井底的巖屑經(jīng)鉆頭沿鉆桿內(nèi)腔上升，通過水龍頭和回水管，從砂石泵中排出至沉渣池。巖屑沉淀后，泥漿以自流方式通過循環(huán)水溝流入鉆孔內(nèi)，如此反復(fù)繼續(xù)鉆進(jìn)，見圖1。

1.提引水龍頭，2.轉(zhuǎn)盤，3.鉆具，4.鉆頭，5.砂石泵，6.管路，7.循環(huán)通道，8.泥漿池(沉渣池)

2.2 泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

在第四系松散地層中，采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)成孔有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)鉆進(jìn)過程中，地層巖屑在轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)鉆頭作用下發(fā)生擾動(dòng)，并在砂石泵的作用下，泥漿攜帶著地層中直徑小于鉆桿內(nèi)徑的巖屑排出，在泥漿潤(rùn)滑、冷卻作用下鉆頭磨損小。

(2)循環(huán)液上升流速高，鉆進(jìn)時(shí)排出巖屑能力強(qiáng)，由于鉆桿內(nèi)徑較大，井內(nèi)的大顆粒也可順利排出井口，這就減少了二次重復(fù)破碎的顆粒數(shù)量，因而進(jìn)尺速度較快，鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也較好[5]。

(3)根據(jù)鉆進(jìn)速率、地層滲水情況以及排出的巖屑能較好的分析、判斷地層巖性，有利于水平輻射管的布置更加合理，使水平輻射管達(dá)到最大的鉆進(jìn)長(zhǎng)度，以獲取最大的出水量。

3 鉆進(jìn)工藝

輻射井豎井采用預(yù)制井管，井管外徑3.4 m，為了防止因縮徑、孔斜等原因造成井管下不到位或出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象的發(fā)生，鉆孔孔徑一般大于井管外徑0.4 m以上。根據(jù)取水水源地的水文地質(zhì)條件，輻射井豎井鉆進(jìn)工藝如下。

3.1 孔口護(hù)筒

護(hù)筒具有固定孔位、引導(dǎo)鉆進(jìn)方向、保護(hù)孔口不坍塌、抬高孔內(nèi)水位形成靜水壓力以保持孔壁穩(wěn)定不坍等作用。輻射井護(hù)筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋采用Φ6@200×200網(wǎng)片，厚度15 cm，護(hù)筒內(nèi)徑4.2 m，與上部0.4 m×0.4 m的井字梁連接，梁長(zhǎng)9～12 m，主筋采用4φ16，箍筋采用φ6@200×200，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。

護(hù)筒的埋設(shè)深度對(duì)鉆進(jìn)施工有重要影響。埋設(shè)過淺，容易產(chǎn)生循環(huán)液反竄，造成護(hù)筒底部失穩(wěn)垮孔。豎井鉆進(jìn)過程中，護(hù)筒內(nèi)須保持3.0 m水頭壓力，若地下水位較低，護(hù)筒深度不低于3.0 m；若地下水位較高，需墊高井臺(tái)并逐層夯實(shí)，且護(hù)筒底須進(jìn)入原地層0.5～1.0 m，否則鉆進(jìn)過程中護(hù)筒底四周容易被涮洗掏空造成漏水跑漿、護(hù)筒坍塌。

3.2 泥漿池和循環(huán)通道

泥漿池的大小對(duì)豎井鉆進(jìn)成孔和漂浮法下井管有著重要的影響。泥漿池大小視鉆孔容積大小而定，一般為鉆孔容積的2～3倍以保證鉆孔有足夠的循環(huán)水，防止出現(xiàn)滲透性特別好的地層突發(fā)性滲漏造成井內(nèi)水頭壓力不足而發(fā)生井孔坍塌。泥漿池大有利于排出鉆渣的沉淀，使得回到孔內(nèi)的循環(huán)泥漿水所攜帶的鉆渣少。若地下水位較高時(shí)，由土石堆砌而成或砂卵石地層泥漿池，必須在泥漿池內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜，防止泥漿池垮塌、泥漿滲漏，導(dǎo)致鉆孔出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。

循環(huán)通道是連接井孔與泥漿池、泥漿水循環(huán)利用的通道，長(zhǎng)度為8～10 m，上口寬1.0 m，下口寬1 m，深度1 m，與護(hù)筒澆筑在一起，使回水直接流入井內(nèi)，嚴(yán)防沖淘井口、護(hù)筒失穩(wěn)。

3.3 護(hù)壁措施

隨著鉆孔深度增加，地層巖性、密實(shí)度的不同，保證鉆孔施工過程孔壁的穩(wěn)定極為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界范圍內(nèi)，平均每年由于鉆孔失穩(wěn)所延誤的工期約占整個(gè)工程建設(shè)施工工期的5%～6%，對(duì)鉆孔失穩(wěn)后續(xù)問題的處理費(fèi)用將近數(shù)十億美元[9]。

泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)中孔壁的穩(wěn)定，是以井孔內(nèi)的靜水壓力為主、泥漿為輔來確保的。在輻射井豎井鉆孔直徑3.8 m，鉆進(jìn)過程中要保持井孔內(nèi)的靜水壓力在0.02 MPa以上，即孔內(nèi)水位始終要高出自然地下水位2.0 m以上。由于輻射井取水水源地一般選擇在河流階地或河漫灘，地下水含水層滲透性好，以河流補(bǔ)給為主，地下水與河水水力聯(lián)系較為緊密，因此在實(shí)際施工中保證井孔內(nèi)水位高于自然地下水位3.0 m以上[10]。

在鉆進(jìn)過程中，孔內(nèi)泥漿一面循環(huán)，一面對(duì)孔壁形成一層泥漿膜，需要不時(shí)的攪制泥漿。泥漿護(hù)壁具有施工成本低、取材方便等優(yōu)勢(shì)。泥漿在鉆孔施工中具有固壁作用、攜砂作用、冷卻作用、潤(rùn)滑作用、堵漏作用[11]。泥漿的固壁作用主要表現(xiàn)在泥漿靜水壓力主要、泥皮阻止水流滲透主要、凝膠作用三個(gè)方面。

在鉆進(jìn)過程中，井孔內(nèi)保持孔內(nèi)的水頭高度，隨時(shí)注意井孔孔內(nèi)水位變化，應(yīng)注意及時(shí)向井孔內(nèi)加水，以免水位下降過多、孔內(nèi)水頭跌落，造成孔壁坍塌；井孔內(nèi)泥漿比重要一直保持在1.08以上，需隨時(shí)添加粘土和火堿(或膨潤(rùn)土)，確保泥漿比重，防止?jié)B漏水量過大，補(bǔ)水不及時(shí)而坍孔。

3.4 鉆進(jìn)鉆頭

鉆頭是影響鉆孔鉆進(jìn)效率的重要因素之一，鉆頭的進(jìn)料口以及合金刀的設(shè)計(jì)直接影響鉆頭使用的效果。輻射井鉆孔采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)方法，鉆頭采用帶有合金刀頭的四翼鉆頭，鉆頭直徑為3 800 mm。為了使鉆頭能將鉆屑及時(shí)順利吸入鉆桿內(nèi)，并能攜帶大粒徑的巖屑排入泥漿池，故鉆頭在回轉(zhuǎn)過程中應(yīng)形成一個(gè)中心向內(nèi)凹的錐體，才有利于抽吸鉆屑。根據(jù)吸口管內(nèi)徑，選用三翼狀，吸口以下用一字翼片與中心管焊接，三翼片下方與中心管焊接，上方與導(dǎo)正環(huán)焊接形成錐狀硬質(zhì)合金鉆頭，如圖2。

若砂卵石粒徑較大(大于鉆桿內(nèi)徑)，卵石無法從鉆桿內(nèi)排出，為了能在鉆進(jìn)過程中打撈漂石，在鉆頭前端安裝打撈筒，筒內(nèi)壁裝有Ф32的鋼絲繩，鋼絲繩與筒壁成90°的夾角。由于鋼絲繩具有一定彈性，石頭在鉆頭壓力下，進(jìn)入筒內(nèi)，因鋼絲繩直徑較大，有一定的剛度，在鉆頭提起過程中，石頭可被鋼絲繩擋在筒內(nèi)，見圖3[12]。撈石筒直徑為1.0 m，可撈起直徑小于0.9 m的漂石。在將筒中兜取到的漂石、卵石取出來的過程中，為防止鉆孔發(fā)生坍孔，孔內(nèi)泥漿的水位必須高于地下水為3.0 m以上。筒中可取出直徑小于打撈筒的石頭，打撈漂石的效果非常好。打撈筒的直徑選擇地層中的漂石直徑有關(guān)，另外，當(dāng)增大打撈筒直徑時(shí)，需要相應(yīng)增加鉆機(jī)的扭矩，所以打撈筒的直徑不宜過大。

為了方便撈石，在鉆孔周圍預(yù)制4個(gè)鋼筋混凝土墩，墩高1.2 m，將豎井鉆機(jī)安放在墩上，并與墩中預(yù)埋的型鋼焊接相連，這樣每次需要撈石時(shí)，將鉆頭提起，撈石筒高出鉆孔內(nèi)水位，便于將筒內(nèi)石頭取出。

圖2 撈石鉆頭立面圖

圖3 四翼鉆頭立面圖

3.5 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓：根據(jù)含水層地下條件和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)過程采用輕壓慢鉆，通過鉆頭及鉆桿自重加壓；若含水層粒徑較密實(shí)，須提鉆減壓慢鉆。

鉆速：鉆井水源地處于第四紀(jì)松散地層，鉆進(jìn)過程中要保持適當(dāng)?shù)你@進(jìn)速度，鉆進(jìn)太快，不利于孔壁泥皮的形成，滲水過快，補(bǔ)水不及時(shí)，造成坍孔；鉆孔直徑大，鉆頭直徑大，鉆速過快，鉆頭扭矩過大容易造成鉆具以及鉆機(jī)配件的損壞。由于鉆孔直徑3.8 m，鉆進(jìn)過程扭矩大，選取導(dǎo)致最大轉(zhuǎn)矩的最小轉(zhuǎn)速，鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速通常在4～8 r/min。

泵量：鉆進(jìn)速度，主要取決于砂石泵的排渣能力，考慮到鉆孔直徑大，不同地層選擇不同泵組：砂卵石地層，采用8BC砂石泵組抽吸量為400 m3/h；砂礫石粒徑以下地層，采用6BC砂石泵組抽吸量為180 m3/h；砂卵石、含少量漂石地層，采用12吋反循環(huán)鉆機(jī)，砂石泵組抽吸量為1 000 m3/h。

4 鉆進(jìn)技術(shù)工程應(yīng)用

4.1 大唐呼倫貝爾化肥有限公18萬 t合成氮、30萬 t尿素工程水源地供水工程

工程水源地位于海拉爾區(qū)海拉爾河北岸，井深30 m，地層巖性主要為卵石、圓礫、中粗砂，最大粒徑35 mm，層厚22.9～26.3 m，透水性較好，穩(wěn)定水位埋深3.0～3.5 m。地層結(jié)構(gòu)松散、粒徑分部均勻，鉆機(jī)采用6吋反循環(huán)鉆機(jī)，鉆頭采用圖2鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆頭具有進(jìn)料口大，地層松散合金刀切削巖屑輕松，對(duì)鉆頭的損壞小，鉆進(jìn)效率高。在鉆進(jìn)過程中，通過鉆頭及鉆桿的自重情況下，能很好的擾動(dòng)含水層松散的砂卵石，排料暢通迅速。通常豎井鉆進(jìn)成孔時(shí)長(zhǎng)在7～10 d。

鉆進(jìn)須堆筑施工平臺(tái)提高井內(nèi)水位以保證3.0 m水頭，鉆孔進(jìn)尺速度較快，須注意井內(nèi)滲水、漏漿情況，及時(shí)向進(jìn)內(nèi)補(bǔ)水、泥漿。

4.2 旗下營(yíng)工業(yè)園區(qū)1#水源地供水工程

水源地位于在大黑河支流拐角鋪溝的右岸階地，地層結(jié)構(gòu)上部為第四系松散沉積物，層厚約為20.0～30.0 m，水位埋深1.0～9.0 m，巖性主要以卵石、漂石、砂礫石組成，局部含有透鏡體。該水源地地層漂石多、結(jié)構(gòu)松散，鉆機(jī)采用8吋反循環(huán)鉆機(jī)，采用傳統(tǒng)圖2鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，由于鉆桿內(nèi)徑的限制，粒徑大于200 mm的漂石無法通過鉆桿排出，以及外形不規(guī)則的卵石被吸入后，容易堵塞吸收口或堵在水龍頭導(dǎo)致無法排出；漂卵石的粒徑大、強(qiáng)度高，造成鉆頭磨損嚴(yán)重，并且在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)蹩鉆、跳鉆，造成變速箱與轉(zhuǎn)盤之間的傳動(dòng)軸疲勞損傷，在集水井鉆進(jìn)過程中都會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸的斷裂。

經(jīng)過改進(jìn)后，采用圖4撈石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，通過鉆頭及鉆桿自重將含水層中的漂石擠進(jìn)撈石筒中，并通過鋼絲繩兜住漂石防止漏掉，能很好的將無法經(jīng)過鉆桿排出的漂石，打撈出來的漂石最大直徑為1.20 m，鉆進(jìn)效果非常好的，通常豎井鉆進(jìn)成孔時(shí)長(zhǎng)在45～50 d。

鉆進(jìn)過程中易出現(xiàn)跳鉆、蹩鉆、鉆頭切削扭矩大、鉆機(jī)負(fù)荷大，可采用二次擴(kuò)孔鉆進(jìn)或多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)，以減小鉆機(jī)損壞、提高鉆進(jìn)效率，須注意鉆進(jìn)中出現(xiàn)孔壁局部坍塌，擴(kuò)孔鉆進(jìn)須用黏性土將鉆孔回填至井口。

4.3 清水河流域城鄉(xiāng)供水工程(水工部分)一標(biāo)段輻射井工程8#輻射井

該井位位于黃河沖積平原黃河南岸濕

地地帶，井深35 m，地層巖性以砂卵礫石為主，卵磨圓較好，分選性差，粒徑一般1～15 cm，最大可達(dá)30 cm，卵礫石含量70%以上，細(xì)砂充填。沖積砂卵礫石粒徑自上到下逐漸變細(xì)，地層中含泥量較大，滲透系數(shù)較小，一般8～12 m/d。該井位地層以砂卵礫石為主、少量漂石，鉆機(jī)采用12吋反循環(huán)鉆機(jī)，采用圖3撈石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)效率高，個(gè)別不能通過鉆桿內(nèi)腔的漂石通過將撈石筒提出井外，鉆進(jìn)成孔時(shí)長(zhǎng)15 d左右。

地層結(jié)構(gòu)松散，進(jìn)尺速度較快，鉆進(jìn)過程應(yīng)注意井中水位、泥漿密度變化，防止地層滲漏嚴(yán)重、補(bǔ)水不及時(shí)出現(xiàn)局部孔壁坍塌或塌孔；地層中黏土夾層或透鏡體容易出現(xiàn)縮徑，應(yīng)注意鉆頭直徑，接續(xù)鉆桿時(shí)須緩慢旋轉(zhuǎn)提鉆。

5 結(jié)語(yǔ)

輻射井是傍河取水的高效開發(fā)模式，豎井是水平輻射管施工、集取水和安裝水泵的場(chǎng)所，是成井的前提條件。泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)以其具有鉆進(jìn)效率高、鉆頭損壞小、反映地層地質(zhì)情況等優(yōu)點(diǎn)，在各種砂層、砂質(zhì)土、粘土、淤泥和細(xì)粒徑卵礫石中都能取得較好的進(jìn)尺。隨著輻射井技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，通過改進(jìn)鉆頭形式、施工方法，對(duì)于砂卵石、票卵石等富水性良好的含水層將得到有效的開發(fā)利用，并擴(kuò)大了泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用地層。