涌水钻孔施工工艺探讨——以新疆苇子沟矿区水文孔施工为例

张春林

(中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039)

0 引言

在施工涌水钻孔时，钻孔中循环的冲洗液会被地层中的涌水稀释，并逐渐为清水所替换[1]。如果钻孔有松散水敏性地层，由于失去了冲洗液的护壁作用，将会发生溃砂塌孔现象，致使钻孔极易发生孔内事故[2-5]。2010年，某地质勘探队在新疆苇子沟矿区进行煤田地质勘探时，就曾因为三个钻孔涌水溃砂而发生钻孔坍塌而报废的事故。

目前，对涌水的处理方法主要是在冲洗液中加入重晶石粉，以提高冲洗液的密度，当冲洗液对含水层的压力超过涌水的压力时，涌水将会受到抑制，不再发生涌水情况[6-8]。但是，随着冲洗液的循环流动，冲洗液会逐渐被涌水稀释，压力降低后，钻孔会重新出现涌水，为了堵漏涌水，只有不断往冲洗液中加入重晶石粉，这样势必造成钻进施工成本大幅增加[9-10]。同时，由于水文孔大部分采用取心钻进，岩心管直径和钻孔直径相差很小，钻具受到涌水浮力较大，导致钻压减小，降低钻进效率[11-13]。本文提出一种封闭式注水泥浆封堵涌水层的工艺方法，在新疆苇子沟矿区施工时，得到了很好的应用。

1 工作区地质条件

工作区位于天山北麓的中低山区，海拔在1 200～2 060m，总体地势南高北低，南北向岭谷相间，山岭挺拔，坡陡路险，沟谷狭小，地形切割强烈。

钻孔揭露地层由老至新描述如下。

1)侏罗系三工河组(J2s)。主要为深灰色泥岩，揭露厚度13.50 m。

2)侏罗系西山窑组(J2x)。主要由灰色、厚层粗砂岩、砂砾岩、中砂岩，灰绿色、紫红色泥岩，粉砂岩组成。该组也是主要的含煤地层。工作区内控制全区可采、大部可采、局部可采煤层6层，自上而下依次编号为B5、B6、B6下、B7、B8上、B8。全区稳定的主要可采煤层为B6、B7、B8。揭露厚度305.53m。

3)侏罗系头屯河组(J2t)。主要由灰绿色、紫红色泥岩和灰白色砂砾岩组成，揭露厚度53.41 m。

4)第四系(Q)。主要由冲洪积砾石、砂、含砾亚砂土组成，揭露厚度18.27 m。

依据岩性组合特征、地层富水性及导水裂隙带将井田共划分了八个含(隔)水层。其主要含水层如下：

1)新生界第四系全新统冲洪积砂砾层。分布于冲沟和现代河床之中，主要由冲洪积砾石、卵石、砂砾组成，分选性差。地下水以孔隙潜水的形式赋存于冲洪积层中，主要接受河沟水的渗漏补给，为孔隙潜水含水层。该段地层在开孔时，由于卵砾石的影响钻进非常困难，易出现塌孔和埋钻事故。

2)中侏罗统西山窑组含水层。出露于工作区的南部，将其细分为两个含水段：①中侏罗统西山窑组上段含水段。主要由砾岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩组成，厚度113.69～300.25m。该段上部主要以泥岩、粉砂岩为主，夹砂岩、砾岩透镜体，为相对隔水层。含水层主要由其底板粗砂岩、砂砾岩组成，为孔隙式胶结，透水性较好，为间接充水含水层。②中侏罗统西山窑组下段含(隔)水段。岩性主要由粗砂岩、细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩及煤组成，厚度69.90～202.79m。含水层与隔水层以互层的形式组成。其中隔水层岩性主要以泥岩、粉砂岩为主，而含水层岩性主要以粗砂岩、砂砾岩为主，孔隙式胶结，少量泥质填隙，透水性较好。此含水段主要接受河沟水、大气降水(雪融水)顺层补给。富水性好，透水性强。

2 钻孔设计及施工

2.1 钻孔结构

钻孔结构示意图见图1。

图1 钻孔结构示意Figure 1 Schematic diagram of borehole configuration

2.2 施工情况

根据新疆呼图壁县苇子沟煤矿勘探情况，该矿区中侏罗统西山窑组含水层富水性较强，对煤炭开采危害很大。在煤田勘探阶段施工的3个水文孔因为涌水施工难度较大，采用的是注水试验方法，根据注水试验成果划分井田含水层富水性强弱，可信度较低，无法满足矿井初步设计对水文地质勘探的要求。鉴于此种情况，我们受业主方委托，对该矿区开展了水文地质补充勘探工作，共施工了三个水文孔：水补1、水补2、水观孔，总工程量约1 530m，以查明西山窑组可采煤层含水层的富水性、流场特征及含水层间的水力联系。水补1、水补2二个钻孔在施工过程中都不同程度出现了涌水情况，其中，水补1孔涌水量最大。水补1、水补2二个钻孔的抽水层位均为西山窑组B5煤层上下各一次。

2.2.1 钻进方法

全孔全部采用回转式钻进，中侏罗统头屯河组以上采用冲洗液钻进，其余地层用清水钻进。钻孔自中侏罗统头屯河组以上无岩心钻进，以下取心钻进。采用牙轮钻头或PDC无心钻头钻进，取心钻进时采用单管取心器取心钻进。

冲洗液配制：清水+膨润土(6%)+高黏纤维素H-CMC(1%)+聚丙烯酰胺PHP(0.3%)+广谱护壁剂GSP(2%)+烧碱NaOH(0.5%)+纯碱Na2CO3(1%)。冲洗液性能：漏斗黏度20～25s(第四系松散层提高至50s)，失水量10～20mL/30min，胶体率>96%，pH值8.5～10，密度1.03～1.15g/cm3，泥皮厚度<1mm，含砂量小于4%。

2.2.2 钻进过程中遇到的难题

在水补1孔钻进到中侏罗统西山窑组,孔深104m时开始出现涌水，涌水量约为18m3/h，随着钻孔深度的增加，涌水量也逐渐增加。当钻进至孔深265m的粗砂岩时，涌水量增大至最高53m3/h。经测量，涌水水头高度高出地表12.47m。在提钻时，地下水从孔口喷出达到钻塔天车高度，曾有一次直接将钻具顶出来，撞到提升大钩上，将钻具顶弯。

由于钻孔涌水，冲洗液循环体系被完全破坏，在侏罗系头屯河组有一层砂砾岩由于失去冲洗液的护壁作用，出现溃砂和塌孔现象，导致孔内复杂情况时有发生，曾两次出现卡钻事故。后来，在冲洗液中加入重晶石粉，提高冲洗液密度至1.2g/cm3，但是，随着冲洗液的不断循环，冲洗液重新被地层的涌水稀释，由于冲洗液压力降低，再次发生涌水情况，通过不断往钻井液中加入重晶石粉，只能维持很少一段时间，问题不能得到很好解决。

在进井场施工时，使用的是TXB-1000A型老式立轴钻机。该型钻机依靠钻具自身质量进行加压钻进。由于钻孔涌水量较大，涌水在水头压力的作用下，对钻具的浮力甚至超过了钻具的质量，导致钻头加不上压，极大降低了钻进速度。

2.3 复杂情况处理措施

2.3.1 解决思路

由于该钻孔为水文孔，需要对涌水层段进行抽水试验。为了保证获得真实、可靠的抽水试验数据，应该保持涌水层段的原始状态，采取的技术处理措施不能对涌水层造成伤害，只能在现有的情况下进行顶水钻进，等涌水层段钻穿，做完抽水试验后，再注入水泥浆对含水层进行封堵，这样可以充分避免抽水试验含水层与下部含水层在进行抽水试验时发生混合，影响抽水试验结果。由于含水层处于涌水状态，注水泥浆时，如果用直接泵注的方式，水泥浆会被水流冲出孔口，导致注浆无法进行。解决措施可以使用封闭孔口，用注浆泵高压注入的方式，水泥浆的注入量应保证水泥凝固后形成的水泥环强度大于涌水地层的水压[14-15]。

2.3.2 处理过程

为了解决涌水导致钻头加不上压的问题，将原来的TXB-1000A钻机替换为XY-44型液压钻机。这种钻机可以使用液压动力头对钻具加压，保证了钻进效率。

在地层不稳定的砂砾层孔段，用Ф190mm牙轮钻头对Ф133mm孔径进行扩孔，下入Ф159mm套管对该复杂地层进行隔离，这样就保证了孔内安全。

为了减少在起下钻过程中钻具浮力过大的问题，将原来的绳索取心S95mm钻具，更换为Ф50mm钻杆+Ф68mm钻铤+Ф89mm钻铤+Ф89mm岩心管+Ф133mm取心钻头的普通取心钻具组合。这样不仅增加了钻具与孔壁的环状间隙，减小了钻具浮力，而且也增加了钻具自身的质量，解决了在起下钻时涌水直接将钻具顶起来的问题。同时，在孔口安装了一个“三通”分水器，使涌水直接在孔口流出，避免了孔口喷水对作业人员的影响。

钻穿上部西山窑组含水地层第一层段后，由于涌水地层没有受到冲洗液侵染的特点，省去了洗井这一环节，可以直接进行抽水试验。抽水试验使用200QJ80/120型潜水电泵，用最大泵量试抽时，水位下降只有3.75m，不能很好满足三次降深抽水试验要求，只好改为放水试验。

在完成西山窑组含水层第一层段放水试验后，还要对西山窑组第二层段做抽水试验，因此需要对西山窑组第一层段进行堵水，以防止两个含水地层在抽水试验时发生混合。

堵水材料使用水泥砂浆。配制方法：水泥∶砂子∶水=1∶1∶0.7。注浆方法：将Ф73mm注浆管下入到涌水地层顶部位置，深度约为103m，然后用法兰盘将Ф73mm注浆管与Ф219mm表层套管进行连接密封。注浆管路在孔口位置安装阀门。水泥砂浆配制时安装两级搅拌箱，使用注浆泵将水泥砂浆注入孔内。钻孔注浆示意图见图2所示。

为了加快水泥凝固时间，在水泥砂浆搅拌过程中，按照质量比例，分别加入0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺。注水泥砂浆完毕后，注入清水将注浆管路内的水泥砂浆全部替换完毕。然后，迅速关闭孔口阀门，憋压候凝。候凝时间达到24h后，打开孔口阀门，开泵注入清水进行试压检验堵涌效果，试压压力为7MPa并保持30min，压力下降不超过0.5MPa，说明涌水被完全止住(图2)。

图2 钻孔注浆示意Figure 2 Schematic diagram of borehole grouting

2.4 施工效果

对西山窑组B5底板以上涌水地层做完抽水试验，用封闭注浆工艺进行堵涌后，下入Ф127mm止水套管并固井后，水泥浆候凝时间72h，下入钻具进行探孔，孔内水泥塞高度为27m，扫开孔内水泥塞，提出扫孔钻具后在管内注满清水，连续观测4h，发现液面下降0.6cm/h，证明止水质量合格，完全达到质量技术要求。说明该工艺应用效果显著，很好解决了钻孔涌水的问题。

3 结语

1)由于含水地层涌水会破坏原来的冲洗液循环体系，如果上部有水敏性不稳定地层，容易造成坍塌掉块等孔内复杂情况发生，因此，在钻孔结构设计时，宜在该段下入套管。

2)在对涌水地层进行注浆封堵时，应首先确定封堵层段，精确计算注浆量，注浆时先做配比试验，以保证水泥砂浆凝固后的强度。注浆时采用封闭孔口注浆，以防止水泥砂浆被涌水冲释。注浆过程应连续进行，禁止中途中断，以防止水泥在注浆管路中凝结。在水泥完全凝固打开孔口密封法兰盘时，如果发现孔口仍有少量水流出，可以重新安装注浆管路进行补注，以满足涌水完全被堵住为止。

3)在含有卵砾石层的地层的钻孔施工时，可以使用此工艺技术进行高压注浆加固，以防止卵砾石层坍塌掉块的情况发生。