大口径绳索取心工艺在水文地质钻探中的应用

王 杰，张 昭，李立湘，蔡 隽，贺前平，付 宇

（中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410600）

通过大口径取心的方式进行水文地质钻探，一方面是为了获取地层情况，如地层的岩性、结构、地质构造和含水层的埋藏深度、厚度、性质等。另一方面是在取得水文地质资料的基础上，为合理开发地下水，满足工农业或居民用水需要，将已取得资料的孔移交生产部门使用，作为开发井，同时在开采生产中进一步取得地下水的资料［1］。这样的孔既满足收集水文地质资料的要求又满足水资源开采生产对水质、水量、卫生的要求。

1 工程地质概况

作者所参与的“东江—韩江流域水文地质调查”及“大别山区西段生态修复支撑调查”两个项目均涉及水文钻探施工。东江项目钻探工作区主要位于江西省赣州市寻乌县境内，基岩以花岗岩为主，摩氏硬度在6～7度左右，结晶颗粒较粗，对钻头研磨性较强；大别山项目钻探工作区位于河南信阳罗山县境内，基岩以变质岩和花岗岩为主，变质岩结晶颗粒较细，岩石较为完整，对孕镶金刚石钻头研磨性较弱，钻头自磨出刃效果较差。

2 钻探工艺方法

2.1 施工设备

根据施工需要，配备主要设备见表1。

表1 主要设备配置

2.2 钻孔结构设计

水文、水井钻孔结构是高效施工和优质钻进的前提，也是获取完整的水文地质资料的保证。两个项目均以探采基岩裂隙水为主，终孔孔径要求不小于150 mm，根据前期取得的资料，覆盖层厚度均在20 m以内，结合实际情况及现有设备、管材情况，设计钻孔结构图见图1。

图1 钻孔设计结构图

孔深0～3 m左右，采用Φ220 mm的硬质合金钻头钻进，提钻后合金钻头更换为管靴重新下入井内当井口管使用。经多个孔试验后效果较差，主要原因是：（1）井口管在井内没有支撑受力点，钻到第四系土层上容易造成套管往下跑。（2）井口无固定，受冲洗液冲刷容易造成井口豁口，Φ220 mm套管井壁环状间隙随钻具振动越来越大，井内泥沙出井口后容易堆积在井口，流入套管环状间隙或者套管与井壁间隙中，后期起拔套管阻力较大。经综合分析，改成在开孔前人工开挖井口，长宽约0.6 m×0.6 m，深0.5 m左右，用水泥沙浆浇灌成中间高两边低的凸台体形状，并高于循环槽高度10 cm左右。主要优点在于：（1）开钻后套管能牢牢固定在水泥中，不晃动，井口干净。（2）井口水泥台阶部位中间高，周围低能有效疏导井内岩屑排到循环槽内而不堆积在井口，后期起拔套管阻力小［2］。

孔深3 m基岩深度时，采用Φ197 mm硬质合金钻进，主要目的是隔开第四系泥土层，减少钻井液对井壁的冲刷。

钻进到基岩后，改用Φ168 mm钻到适当深度的相对完整基岩，下入Φ168 mm套管。目的一方面是为了防止套管往下跑，另一方面是下入Φ168 mm套管能起到导向管的作用，保证钻孔垂直，封闭上部无用的含水层，或防止不稳定的松散岩石层发生漏失，在钻进下部岩层时约束钻具进行导向。

从相对完整基岩地层到钻孔设计孔深采用Φ150 mm绳索取心钻进，此段为基岩裂隙水主要开采段。

2.3 钻探工艺参数的选择

结合实际情况，本次施工采用连云港黄海机械厂的XY⁃44塔机一体钻机，受设备性能参数影响，钻机最大加压在30 kN左右，转速为80～960 r／min。

2.3.1 钻头选型

钻头选用唐山金石出厂的K系列绳索取心钻头，由于受钻机所能提供加压能力限制，并且由于绳索取心钻头底唇面较厚，在钻进花岗岩地层时，钻头自出刃效果较差，经多次试用选择胎体硬度小，底唇面面积最小的K11副水口钻头，以提高底唇面压强，并适合高速回转钻进，底唇面形状见图2。

图2 副水口钻头底唇面图

2.3.2 冲洗液选择

应根据地层岩性、钻进方法和施工条件选择合适冲洗液，保持井壁稳定，减少对含水层渗透性和水质的影响，提高钻进效率。根据实际情况采用冲洗液体系如下：

上部第四系黏土层钻进时，可采用清水钻进，清水与黏土混合并分散形成自然造浆体系。

入岩后，在完整和孔壁稳定的地层采用清水作冲洗液；岩粉较多，钻孔较深，孔内憋钻时可采用水解聚丙烯酰胺（PHP）无固相冲洗液。主要作用是絮凝孔内劣质土和钻屑，返回地表沉淀清除，保持冲洗液低固相和良好的剪切稀释性能，在机台具体操作时，一定要将聚丙烯先在水中充分水解后才能加入冲洗液中。未充分水解的聚丙烯结构成团，携屑效果较差。

在松散地层或基岩不稳定地层钻进时，宜采用优质泥浆＋纯碱形成细分散泥浆体系，有利于松散及破碎地层孔壁稳定，提高破碎地层钻进效率。该泥浆体系无毒无害，成井洗井后对地下水水质及含水层渗透性影响较小［3］。

2.3.3 技术参数选择

技术参数选择主要包括钻压、转数及泵量。钻进技术参数选择合理能有效提高钻进效率及钻具的使用寿命。由于S系列大口径绳索取心钻头比N、H系列小口径钻头直径大了一倍左右，因而各类钻进技术参数对比会有明显不同。S系列与H系列钻进工艺参数选择详见表2。

表2 钻进工艺参数选择

（1）钻压选择。钻头底唇面压强与钻头底唇面面积大小成反比，在相同岩性地层，因S系列口径的底唇面面积是H系列口径钻头的底唇面的2倍多，孕镶钻头单位碎岩压力是一定的，为0.4～0.8 kN／cm2，所以S系列钻头的钻压要比H系列的钻头钻压相应增加，S系列口径钻头钻压建议选择16～20 kN。

（2）转速选择。孕镶钻头底唇面的线速度范围为1.5～3.0 m／s，在相同转速条件下，S口径钻头的线速度是H口径的1.5倍，所以为保持孕镶钻头的合理线速度，S口径的转速要比相应H口径要低。在实践中，机台操作人员由于长期从事小口径绳索取心钻进，习惯了高转速钻进，在大口径施工过程中沿用相同的转速施工钻进，容易造成进尺过快，岩粉过多，散热冷却不足而出现钻头拉槽，内径磨损严重等现象，降低了钻头的使用寿命。

（3）泵量选择。泵量直接关系到冲洗液的上返速度，大口径正循环钻进而言，钻井液的上返速度推荐值为0.3～0.9 m／s；可根据下式来确定冲洗液的泵量：

式中：Q为泥浆泵排量，m3／min；v为钻井液在外环空间的上返速度，m／min；D为钻孔直径，m；d为钻杆外径，m；m为由于孔壁、孔径不规则引起的上返速度不均匀系数，m取1.03～1.1。

从式（1）中可以得出，当井内环空间隙面积一定时，钻井液的上返速度与泥浆泵的排量成正比。扩孔器外径151 mm，所以钻孔直径D取151 mm；钻杆外径d为142.7 mm；由于上部多级成井，m取1.1；钻井液采用清水钻进，携带岩屑能力较差，v取上限值0.9 m／s。代入到（1）式得到泵量为113.67 L／min，根据实际情况选用BW250泵，流量可调范围在52～250 L／min之间，符合实际情况需要［4］。

综上所述，参照《地质调查岩心钻探技术规程》，S150口径钻进工艺参数选择详见表2。

3 应用效果

通过两个项目水文钻井施工中不同施工工艺对比，表明大口径绳索取心钻进具有一定优势，效果较为显著。

（1）提高了钻进的效率。SQ150绳索取心钻进在基岩地层一次钻进成孔，不必采用空压机扩孔成井；同时绳索取心钻进可以实现较长井段内不提钻连续取心钻进，从而显著降低了钻进时起下钻时间，提高钻进效率。通过东江项目绳索钻进与单管钻进施工效率对比，钻进效率提高近一倍，大大缩短了施工工期，数据见表3。

表3 绳索取心与单管取心效率对比

（2）有利于复杂地层钻进。在遇到破碎掉块地层时，减少了提钻次数，对孔壁的扰动减小；同时Φ150 mm绳索钻杆可起到套管的作用，有利于护壁，维持孔壁稳定，有利于钻头快速穿过不稳定地层。

（3）降低劳动强度。由于水文地质水井钻探孔径大，钻具重量重，钻进产生岩屑多，劳动强度大。采用单管钻进时，每次取心均要提钻，工序复杂，需要4～5人配合才能完成，而绳索取心大大减少了起下钻次数，从而降低了劳动强度，正常绳索取心施工中，3人配合即可完成施工。

4 几点体会和建议

4.1 钻头参数调整

钻头参数是绳索取心的核心参数，包括钻头胎体硬度、金刚石目数、金刚石浓度、金刚石品级等。钻头参数的选择影响钻头进尺速度和钻头寿命。通过总结多个钻孔施工过程后，对钻头参数进行了调整，主要包括提高金刚石浓度，提高胎体硬度，增加底唇面厚度等。调整前胎体硬度太低，金刚石浓度太低，金刚石出刃后有效工作时间太短，在硬脆碎地层金刚石极易脱落而影响钻进效率，改进后调整胎体硬度为HRC5，能有效防止底唇面金刚石脱落，增加出刃金刚石有效工作时间，提高了钻进进尺速度和钻头寿命。底唇面厚度增加也在一定程度上增加了工作寿命，改进前单个钻头寿命只有40 m左右，改进后能达到100 m。钻头型号改进参数见表4。

表4 钻头型号参数表

4.2 坚硬致密岩层钻头自出刃效果较差现象

江西赣南地区花岗岩地层石英含量较高，结晶颗粒较粗，对钻头研磨性较强。采用软胎体K11副水口钻头钻进效率虽高，但钻头寿命较短，单个钻头寿命只有20～30 m。这种情况下可采用胎体硬度较高的K7或K9钻头，采用投磨料增加金刚石自出刃效果，克服石英地层打滑现象，单个钻头进尺能达到50～60 m。

河南信阳地区致密变质岩地层岩石硬度不高，但结晶颗粒很小，对钻头研磨性很弱，金刚石自出刃效果差，造成钻进打滑现象，这种情况下可以用软胎体K11钻头采用投石英磨料的方法施工钻进，投磨料前钻头唇面已出刃金刚石耗损完后，钻头打滑不进尺，投磨料能有效增加钻头金刚石颗粒自出刃，钻进效率达到20 m／d，且地层研磨性较差，钻头使用寿命较长，单个钻头进尺能达到100 m左右。

图3 井内磨钻头石英颗粒

4.3 破碎地层合理控制钻进参数

Φ150 mm扩孔器外径151 mm，Φ150 mm钻头内径101 mm，孔壁与岩心之间环状截面面积高达9 891 mm2，而岩心横截面面积只有8 007 mm2，钻进过程中岩粉的体积要比相对应岩心的体积还要大，所以在钻进过程中会产生大量岩屑岩粉，如果不合理控制钻速和泵量，极易造成孔底岩粉堆积，造成卡钻，埋钻等井故。

在相对松散的破碎地层钻进时，进尺较快，岩粉较多，孔壁坍塌，通过井壁环状间隙上反阻力较大，需及时排出岩粉保持井底干净，以达到高效率地钻进。主要途径包括加大泵量和调整冲洗液状态。大泵量主要是提高岩屑上返速度避免岩屑积压井底堵塞环状间隙；调整冲洗液应该由清水钻进及时改成水解聚丙烯酰胺（PHP）无固相冲洗液，主要作用包括携带岩屑清洁孔底及润滑钻具。

4.4 钻机施工能力

本次施工的钻机为连云港黄海勘探技术有限公司生产的XY⁃44T塔机一体式岩心钻机，该系列塔机一体式钻机既保留了原钻机结构紧凑、布局合理，重量轻、可拆解性好，转速范围合理，操作、维护方便等优点以外，塔机一体式布置，钻机具备液压油缸起塔和平移滑轮机构、液压操控方便灵活，在机台搭建过程中省却了搭建四角钻塔的过程；缺点是卷扬和天车提升能力有限，在遇到井内卡钻等故障时处理井故的能力有限，特别是采用单绳提升时遇到孔内岩粉较多挤压钻杆时，孔深130 m左右卷扬就有可能提不动钻杆，XY⁃44T基本参数如表5。S150绳索取心钻杆每米25 kg，卷扬单绳最大提升力45 kN，对应最大只能提升180 m绳索取心钻杆，且由于钻机老化，卷扬制带磨损等因素，提升能力会相应削减。在实际施工过程中可以通过加装游动滑车动滑轮，提高卷扬提升力。

表5 XY⁃44T基本参数

目前两个项目探采结合井设计孔深均在150 m内，均在钻机的设计施工能力范围内。从项目发展及长远规划来说，如果想提升大口径绳索取心钻进施工能力，需要在钻机及钻塔发面提升装备实力。大口径深孔钻进时钻塔建议改成四角钻探或者两脚钻塔，两者均承载能力高，稳定性好；建议采用XY⁃5及以上型号钻机或水井钻机，以提高钻机施工能力。