內(nèi)蒙古中部大口徑地下水監(jiān)測井鉆探技術(shù)

李春生

摘 要：該文在結(jié)合區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況、鉆井工程特點及難點情況下，通過優(yōu)化水井成井工藝，嚴格控制成井工藝中換漿、破壁、下管、填礫、止水、洗井、下泵、抽水試驗等重要工作環(huán)節(jié)，合理使用鉆頭及沖洗液，并對關(guān)鍵技術(shù)點進行了控制，有效地預防了復雜地層容易發(fā)生的孔壁坍塌、掉塊、擠、卡鉆事故，取得了良好的環(huán)境及經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測井 工程特點 工藝設(shè)計 鉆探技術(shù)

中圖分類號：P64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0049-03

Drilling Technology of Large Diameter Underground Water Monitoring Well in the Middle of Inner Mongolia

Li Chunsheng

（The Ningxia Hui Autonomous Region Institute of Geology and mineral resources，Yinchuan Ningxia，750021，China）

Abstract：This paper combined with regional geological and hydrological and geological conditions，drilling engineering characteristics and difficulties，through the optimization of well drilling technology， strictly controlled in well drilling technology for pulp，broken，pipe，filling gravel，sealing，wash wells，pumps，pumping test and other important aspects of the work，the rational use of the bits and flushing fluid and the key technical points control，effectively prevent complex formation of the hole wall collapse，dropping block，squeeze，sticking accidents，and achieved good economic and environmental benefit.

Key Words：Monitoring well；Engineering characteristics，Process design；Drilling technology

內(nèi)蒙古地下水監(jiān)測井工程是為適應(yīng)新形勢下地下水資源管理的要求。內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳根據(jù)全區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測實際情況，在現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進一步完善監(jiān)測體系，建立科學、合理、功能齊全的地下水監(jiān)測井網(wǎng)，及時掌握自治區(qū)地下水超采區(qū)、供水水源區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)以及水資源管理和保護重點區(qū)等地下水動態(tài)變化特征，為地下水資源的科學管理、合理利用和及時保護提供準確全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)施工設(shè)計，筆者單位在內(nèi)蒙古中部烏蘭察布市涼城縣岱海周圍施工了若干眼監(jiān)測井，以掌握岱海及其周邊地下水補排情況、滿足中長期地下水監(jiān)測的任務(wù)。在鉆探施工中，遇到了基巖上覆第四系復雜地層，如卵石層、松散風化破碎坍塌、掉塊、漏水層等情況，該文主要結(jié)合該鉆探工程施工控制技術(shù)，總結(jié)了鉆探技術(shù)經(jīng)驗，以期為相似鉆探工程提供可借鑒的技術(shù)對策。

1 水文及地質(zhì)概述

1.1 地質(zhì)條件

涼城縣呈北東向展布于蠻汗山系與馬頭山系之間，由于劉家夭-雙古城及新堂東新斷層，形成地塹式斷陷盆地。出露的地層主要有太古界桑干群的古老變質(zhì)巖系地層、上覆古-新近系地層、第四系地層。

太古界（Ar）：為一套深變質(zhì)的片麻巖系地層，巖性主要為含矽線石、石榴子石的花崗片麻巖，其間在不同地區(qū)穿插有輝綠巖、石英巖等新老巖脈。該套地層的出露，受岱海盆地主控斷裂的控制，沿SW-NE向呈條帶狀展布。古-新近系地層（N+E）：以大面積的玄武巖為特征，局部地區(qū)有殘積紅土出露。

本內(nèi)第四系（Q）地層成因類型復雜，包括如下。

上更新統(tǒng)（Q3al+pl）：分布于盆地周圍河谷地帶，構(gòu)成沿河流出山口沖洪積扇，巖性以砂礫石層、卵石層與粉土、粉質(zhì)粘土層互層為主，分布在河流兩岸階地地帶，巖性為粉質(zhì)粘土、粘土夾砂礫石透鏡體，大孔性和垂直節(jié)理發(fā)育，可見厚度20～30 m。

全新統(tǒng)（Q4opl）：坡洪積層，分布于山前地帶，形成坡洪積裙，巖性為粉土、粉質(zhì)粘土夾碎石，角礫等。

1.2 水文地質(zhì)條件

該區(qū)的區(qū)域水文地質(zhì)條件主要受氣候、地貌、巖性、構(gòu)造及地理環(huán)境控制，尤以地質(zhì)構(gòu)造控制作用更為強烈。該區(qū)受新構(gòu)造運動的影響，在古近系以來明顯的差異性升降運動中，形成了封閉的內(nèi)陸岱海湖盆。

岱海盆地呈北東向展布于蠻汗山系與馬頭山系之間，由于劉家夭-雙古城及新堂東新斷層，形成地塹式斷陷盆地，周邊主要的含水層為砂卵石、中粗砂，粉砂，由盆地邊緣向湖濱顆粒逐漸變細。地下水位由深而淺，由50 m而漸變到小于2 m，由潛水逐漸變?yōu)槌袎核?。湖積淤泥質(zhì)粘土層為良好的隔水層，在濱湖地帶形成自流水。在盆地東北部的慶福店、下毫慶蘇木一帶山前洪積扇的中上部含水層為卵礫石，在60 m的深度內(nèi)有2～3個含水層，地下水不具承壓，一般水位埋深15～40 m，水量豐富。圍繞岱海近湖濱地帶的麥胡圖鄉(xiāng)、北部三蘇木鄉(xiāng)義和村、新堂等地為古岱海的邊緣沉積地帶，含水層為第四系中粗砂、卵礫石，地下水比較豐富，而岱海南部城卜子一帶，下部為古岱海之湖積物，上部為洪積物較薄，地下水不豐富。盆地四周的基巖裂隙水是盆地潛水、承壓水的補給區(qū)。岱海湖是地下水和地表水的共同匯集區(qū)，由此形成一個完整的補給、徑流、排泄系統(tǒng)的閉合盆地水文地質(zhì)單元。

2 工程特點及技術(shù)難點

監(jiān)測井施工設(shè)計井深為60 m，由于上覆蓋層成因復雜，主要由山前洪積物及河流沖積物及砂質(zhì)粘土混合構(gòu)成，卵礫石層分布較廣，結(jié)構(gòu)松散，巖土膠結(jié)性較差，其中卵礫石及砂層容易出現(xiàn)坍塌，出現(xiàn)“大肚子”現(xiàn)象，水敏性硬塑粘土容易縮頸。在鉆井施工中極易發(fā)生孔壁坍塌，擠、卡鉆等現(xiàn)象。

施工區(qū)位于岱海周邊，地下水資源較為豐富，水文地質(zhì)情況特殊，鉆進工程中可能發(fā)生地下水漏水或涌水情況。

復雜地層巖性及地下水造成效率低，事故多，造成鉆探成本增加。許多泥漿含有油、化合物等，如果采取的鉆井液成分含量較大則污染地下水，對地下水監(jiān)測不利。

3 鉆井工藝設(shè)計

3.1 鉆探

該項目鉆進施工采用Φ400 mm螺旋鉆頭泵吸反循環(huán)清水鉆進成孔至設(shè)計孔深，在粘土層鉆進時，適當加快鉆進速度，到砂層后考慮到砂層不易造泥漿，則放慢鉆進速度；砂卵碎石層鉆進時，旋轉(zhuǎn)鉆機進尺不明顯，改換備用的壓輪鉆頭和套筒鉆頭，提高鉆進速度。鉆進過程中，孔內(nèi)必須保持穩(wěn)定的水位，缺水時需及時補水，以維持孔內(nèi)水頭差，以防坍孔。并用撈篩撈取鉆碴作地層巖性鑒別，核對設(shè)計地質(zhì)資料。

鉆進至設(shè)計深度時立即進行水文物探視電阻率測井，測井深度不小于設(shè)計深度。通過視電阻率法測井進一步確定地層巖性，從而確定含水層及需止水的位置，為后續(xù)的排管及成井提供準確依據(jù)。

3.2 井管配置與安裝

根據(jù)鉆進中取得的地層巖性便路資料及電測井結(jié)果，核定監(jiān)測井井壁管、過濾管、沉淀管的長度和下置位置。該工程采用 Φ200 mm球墨鑄鐵井管，下管方法根據(jù)管材強度、下置深度和起重設(shè)備能力等因素，采用提吊下管法，提吊下管時穩(wěn)拉慢放，如遇到阻力，不得猛墩或壓入，避免井管損傷或造成井管彎曲變形。

井壁管安裝在監(jiān)測井的頂部，均采用實管。井壁管高出監(jiān)測井附近地面300 mm。沉淀管安裝在監(jiān)測井的底部，均采用實管，底部進行封底。沉淀管長度為3 m。濾管介于井壁管和沉淀管之間，含水層全部安裝過濾管，均采用纏絲包網(wǎng)過濾器。濾水管的開孔率管為25%～30%，開孔方式為圓孔且呈梅花形排列。

井管的連接做到對正接直、封閉嚴密，井管采用焊接連接，焊口處需設(shè)加勁鋼板，焊逢必須平整、無砂眼及夾渣，焊接過程中要保證管材同心、垂直。焊縫必須牢固，滿足抗拉要求并不得加有沙眼，要確保焊接質(zhì)量。為保證井管垂直、同心、防止靠壁，在濾水管的中、下部位，分別安裝導正器。過濾器安裝位置的上下偏差不超過300 mm。井管的頂角偏斜不超過1°。

3.3 填礫、封閉和止水效果檢查；

（1）井管安裝到位后，根據(jù)地層巖性，濾料選取粒徑1～3 mm磨圓度良好的砂和砂礫石，濾料自鉆進深度處充填至濾水管頂端以上10 m處；填礫時必須連續(xù)、均勻、速度適當，嚴防棚堵，隨時觀測填礫的實際高度，核對數(shù)量，濾料不含土和雜物。

（2）選取半干狀粘土球，對止水層段進行封閉止水，止水厚度為5 m。通過測量管內(nèi)外水位高度進行止水效果檢查，確保止水效果可靠。

3.4 固孔及洗井

填礫至設(shè)計高度經(jīng)止水檢查合格后，將止水部位以上的孔段用粘土球徹底封死、填實，防止機井在使用過程中出現(xiàn)地面塌陷或地表水滲入。

洗井及井底沉淀物厚度均小于規(guī)范要求。

3.5 抽水試驗

按照設(shè)計要求對該孔進行抽水試驗。抽水試驗采用單孔穩(wěn)定流抽水試驗，此次抽水試驗進行3次將深。（其中最大降深值可接近孔內(nèi)的設(shè)計動水位，其余2次下降值分別為最大降深值的1/3和 2/3）。抽水試驗時，動水位和出水量觀測的時間，在抽水開始后的第5、10、15、20、25、30 min各測一次，以后每隔30 min測一次；抽水試驗的穩(wěn)定延續(xù)時間符合（卵石、圓礫和粗砂含水層為8 h）；水位的觀測，在同一試驗中采用同一方法和工具。此次抽水孔的水位測量讀數(shù)到厘米；出水量采用1 m3的三角堰箱，測堰口水珠高度。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)與控制措施

4.1 鉆探設(shè)備選擇與事故處理

建國以來，我國的水井鉆探工藝及設(shè)備已經(jīng)有了長足的進步， 但受制于體制及成本制約，目前許多鉆探施工仍以硬質(zhì)合金或剛粒鉆進、泥漿正循環(huán)洗井的傳統(tǒng)工藝為主。許多施工均采用“小徑鉆、大徑擴” 的施工方法，該方法費時費力，且泥漿洗井工藝，需水量大，在旱區(qū)只能靠運水鉆進。此次工作區(qū)水井鉆探的鉆孔口徑大， 所鉆地層多為第四紀的松散卵礫石層、砂礫石層以及砂土、粘土、砂等地層。施工采用了SPJ-200反循環(huán)鉆機，其優(yōu)點是： 排粉效果好，速度快，鉆井效率高；口徑和深度匹配性較好；在復雜層、卵礫石層鉆進效率較高。其中，擴孔鉆頭應(yīng)具有超前導向結(jié)構(gòu)，在第四系及松軟地層擴孔，宜選用螺旋翼片鉆頭；在卵礫石層和基巖中應(yīng)選用牙輪鉆頭。擴孔鉆壓：在第四系砂土地層為 0.25～0.5 kn/cm，粘土層為0.3～0.6 kn/cm。擴孔線速度：粘土層為1.5～2.5 m/s，砂土層為1.5～2 m/s。在擴孔鉆井中采用大泵量擴孔，沖洗液上返速度保持大于0.1 m/s。采用Φ400 mm螺旋鉆頭泵吸反循環(huán)清水鉆進成孔時，粘土層鉆進時，加快了鉆進速度，到砂層后考慮到砂層不易造泥漿，則放慢了鉆進速度；砂卵碎石層鉆進時，旋轉(zhuǎn)鉆機進尺不明顯，改換備用的壓輪鉆頭和套筒鉆頭，提高了鉆進速度。

在個別孔鉆進時遇卡鉆現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)鉆具回轉(zhuǎn)遇阻時，立即上下活動鉆具，使得鉆桿不抱死，并送入沖洗液，堅持半小時后成功解決。

由于地層較為復雜特殊，造成鉆孔孔壁坍塌是常有的事情，在幾個鉆孔發(fā)生坍塌情況均有前兆，即巖心破碎、松散，鉆進時泵壓異常，孔內(nèi)回轉(zhuǎn)阻力增大，嚴重的出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。立即提高沖洗液的濃度，加入防塌、護壁性能較好的處理劑，不斷小幅變換泵量進行泥漿循環(huán)，進行排渣護壁，后循環(huán)數(shù)小時后，恢復正常鉆進。

此次施工鉆孔出現(xiàn)涌漏水是常見的，涌水發(fā)生時，由于地下水的入侵，泥漿性能被破壞，護壁功能喪失，引起孔壁的坍塌。處理方法采用加大泥漿密度、水泥灌注封堵，在加大泥漿密度無效的情況下，用灌注水泥漿的方法處理。漏水時，在水泥漿液中加入惰性材料，減少大裂隙地層堵漏漿液的漏失。并在孔內(nèi)鉆桿提出后，對上主動鉆桿，泵入適量的清水或泥漿，憋壓治涌水泥漿液一夜后再進行掃孔便可成功。

4.2 鉆井液選擇及其特點

在松散復雜地層中鉆進，目前沿用高固相細分散性泥漿為主要的沖洗介質(zhì)。這種洗井介質(zhì)會造成一些弊病，水文鑿井時在井壁上形成泥皮，影響含水層的出水，洗井不徹底有可能會影響含水層的判斷；此次Φ400 mm大口徑鑿井，排粉效果低下，在卵礫石層有涌、漏水的可能；高固相泥漿的配備操作要較高，一旦操作不好，造成事故，延長成井周期，增加成本，降低了效率。傳統(tǒng)的固相細分散泥漿不能完全滿足水文水井鉆進的需要，因此要在固相細分散泥漿基礎(chǔ)上維持加重泥漿體系的穩(wěn)定，從而保持泥漿壓力鉆孔圍壓平衡，又要有利于鉆粉排除，保證安全鉆進。此次使用延安某公司生產(chǎn)的光譜護壁劑Ⅲ型，適量加入高粘防塌劑和高粘堵漏劑。在漏水嚴重時加入膨脹堵漏王，有效地解決了鉆井液問題。

5 結(jié)語

內(nèi)蒙古地下水資源的監(jiān)測與保護鑿井工程以鉆井施工為主體工程，需要先進的鉆探裝備及技術(shù)經(jīng)驗。針對內(nèi)蒙古中部環(huán)岱海周邊復雜地層特點，在鉆井施工中采用反循環(huán)鉆機，空氣洗井鉆井法及合適的沖洗液工藝，取得了預期的效果。證明該設(shè)計施工工藝及鉆探技術(shù)能夠滿足地下水監(jiān)測鑿井技術(shù)要求。

參考文獻

[1] 王志強，周北沈，田公偉，等.第四紀松散層大口徑水井成井工藝[J].吉林地質(zhì)，2009，28（2）：74-76.

[2] 王運美，李琛，馬建民.反循環(huán)鉆井技術(shù)在淺層氣開發(fā)中的應(yīng)用[J].石油機械，2007，35（5）：59-61.

[3] 黃恒杰，謝常茂，殷關(guān)虎.廣西巖溶石山區(qū)水文水井鉆探施工難點及其技術(shù)對策[J].探礦工程：巖土掘進工程，2005（4）：50-53.

[4] 王金志，李修剛，顏廷福，等.提高水文水井成井質(zhì)量的幾點體會[J].吉林地質(zhì)，2009，28（3）：61-62.

[5] 張寧，郝彥昌.農(nóng)用機井施工淺析[J].科技致富向?qū)В?012（26）：196.