水文參數(shù)鉆孔成建孔工藝優(yōu)化

閆立鵬，王紅軍，菅 凱，江海宇

（核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古包頭 014010）

1 水文參數(shù)孔簡介

水文參數(shù)孔施工工藝比較復(fù)雜（圖1），其中成井工藝（圖2）是水文參數(shù)孔能否施工成功的重要影響因素之一，而在成井工藝中擴(kuò)孔、下管、投礫等關(guān)鍵工序又是成井工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是否控制擴(kuò)孔泥漿固相含量直接影響后續(xù)水文地質(zhì)試驗(yàn)所得水文地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確性。

圖1 水文參數(shù)孔結(jié)構(gòu)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(biāo)、擴(kuò)孔進(jìn)尺不快、擴(kuò)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(yōu)化

3.1 孔斜控制

以往施工現(xiàn)場裸眼段一般使用的?110mm 鉆頭+?68mm 鉆鋌+?60mm 鉆桿進(jìn)行裸眼鉆進(jìn)，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(jì)算，經(jīng)常出現(xiàn)孔斜超標(biāo)情況，為了鉆孔偏斜達(dá)標(biāo)，特在裸眼鉆井段進(jìn)行鉆具級配優(yōu)化。

鉆具級配：?110mm復(fù)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(yōu)點(diǎn)：

（1）增加鉆桿柱的剛度，減少產(chǎn)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(jìn)；

（4）利于泥漿的上返循環(huán)和減少鉆具折斷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 擴(kuò)孔工藝優(yōu)化

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

（1）三牙輪鉆頭旋轉(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，適合礫石層使用；

（2）三牙輪鉆頭即公轉(zhuǎn)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(jìn)比較平穩(wěn)，利于鉆孔的防斜。

優(yōu)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(kuò)孔段泥漿固相控制

擴(kuò)孔段以往施工均使用含有膨潤土的低固相泥漿或優(yōu)質(zhì)中固相泥漿，泥漿中固相含量高，降低鉆速，影響泥漿的護(hù)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(kuò)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(yōu)點(diǎn)：

（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(fā)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(fā)揮，從而降低了清洗孔底、攜巖粉的能力，使鉆速下降。

（2）護(hù)壁性能強(qiáng)：無固相沖洗液中的高聚物分子不但在孔壁上膠結(jié)巖石形成保護(hù)膜，而且能滲入孔壁周圍巖石孔隙內(nèi)部產(chǎn)生膠結(jié)，膠結(jié)范圍大。泥漿護(hù)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(jié)作用小。故無固相沖洗液護(hù)壁效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diào)范圍，以適應(yīng)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(tuán)和長聯(lián)結(jié)的分子結(jié)構(gòu)的固有特性。

（5）有較強(qiáng)的預(yù)防沖洗液漏失能力和較好的潤滑性，同時減少了機(jī)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(jìn)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(zhì)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(qiáng)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(hù)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(jìn)時，采用大密度、低失水量和造壁能力強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)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(yōu)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(jìn)行孔內(nèi)泥漿循環(huán)，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(xiàn)場配備了NBB390泥漿泵，并且泥漿循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化成使用三級循環(huán)系統(tǒng)，同時配備除泥除砂一體機(jī)。

使用三級循環(huán)池（見圖3），利于泥漿固相含量控制，優(yōu)化循環(huán)泥漿，增加泥漿重復(fù)利用率；使用390泵優(yōu)點(diǎn)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(huán)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(huán)池

3.5 下管工藝優(yōu)化

套管安裝之前用稀泥漿置換孔內(nèi)的濃泥漿，待孔內(nèi)泥漿濃度達(dá)到下管要求后，依次向孔內(nèi)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(jìn)行加固，容易出現(xiàn)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(xiàn)套管下滑現(xiàn)象，針對這樣的問題，我們對套管進(jìn)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(yōu)點(diǎn)：增加套管的連接強(qiáng)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(cè)壓力增大造成的破壞；使用木馬夾持器的優(yōu)點(diǎn)：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(nèi)、管外循環(huán)

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

3.7 投礫工藝優(yōu)化

水文參數(shù)孔投礫施工過程中，由于傳統(tǒng)投礫泵在投礫過程中壓力不足，需要工人一直進(jìn)行投礫操作，投礫設(shè)備效率低下，導(dǎo)致設(shè)計(jì)投礫位置易出現(xiàn)間架橋，在后續(xù)注漿過程中，水泥漿進(jìn)入間隔段，影響整體水文孔涌水量，所得水文地質(zhì)參數(shù)不夠準(zhǔn)確。投礫工藝優(yōu)化是使用“泥漿泵+投礫罐+投礫管”方式進(jìn)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(shí)時監(jiān)測投礫過程中投礫管內(nèi)壓力，安全閥起到保護(hù)作用，防止管內(nèi)壓力超差發(fā)生危險(xiǎn)。罐內(nèi)的礫料與清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道內(nèi)，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(fā)現(xiàn)，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(hù)保養(yǎng)較為方便。

圖4 投礫過程示意圖

根據(jù)對地浸工藝孔投礫泵的傳統(tǒng)投礫裝置一般使用的是引射器結(jié)構(gòu)，引射器一般由噴嘴、引射入口、吸入室、混合室與擴(kuò)散室組成（見圖5），此設(shè)計(jì)將礫料口置于噴嘴后方，在使用中存在如下幾點(diǎn)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(xiàn)礫料卡堵現(xiàn)象。

圖5 引射器結(jié)構(gòu)圖

基于引射器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問題，將噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，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(zhuǎn)變與應(yīng)用的最簡單的一種形式。通常，動力驅(qū)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(dá)噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小得多，因此到達(dá)噴嘴的一定量的水要想流出噴嘴孔，必須加速。這樣，經(jīng)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(jīng)過泵送獲得了壓力，壓力首先驅(qū)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(xiàn)象，提高投礫效率。

圖6 改進(jìn)后水射流噴嘴結(jié)構(gòu)圖

今年通過對投礫工藝的優(yōu)化和投射器的改進(jìn)，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?yàn)?021 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?yàn)?021 年施工水文孔未優(yōu)化投射器結(jié)構(gòu)。所以可以看出投礫工藝的優(yōu)化和投射器的改進(jìn)，提高了投礫的效率。

表1 近幾年水文參數(shù)孔投礫時間統(tǒng)計(jì)

3.8 洗井方案設(shè)計(jì)

洗井方案設(shè)計(jì)為鉆桿循環(huán)洗井、拉活塞洗井與空壓機(jī)洗井結(jié)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(jié)合提高礦層段地層滲透性。

拉活塞洗井設(shè)計(jì)：采用分段拉活塞方案；

空壓機(jī)洗井設(shè)計(jì)：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(jié)束語

本文對以往施工水文孔遇到的裸眼鉆進(jìn)易出現(xiàn)孔斜超標(biāo)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)鉆頭選擇不當(dāng)進(jìn)尺不快、擴(kuò)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(yōu)化、研究和改進(jìn)，增大了成孔概率和縮短了成井時間，提高了成井質(zhì)量，建立了一套完整的水文孔施工工藝。