泵吸反循环钻进工艺在辐射井竖井施工中的应用

陈 霄，李海伟

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京中水科工程集团有限公司，北京 100048)

0 引言

随着社会经济的快速发展和城镇化建设步伐的加快，供水方式由分散供水向集中供水、饮用水源地由分散式向集中式转变，扩建或新建水源是必然的，而水量充沛、水质优良的地下水往往作为供水水源的首选。地下水取水建筑物的型式有管井、大口井、渗渠、辐射井及复合井等，正确地选择取水建筑物的类型，不仅关系到能否以最少投资取得最大出水量；同时，也关系到水源地建成后能否长期运转和取水成本低的问题[1]。辐射井是傍河取水的高效开发模式，具有单井出水量大、寿命长、管理方便、维修便利、占地少等特点，广泛应用于城镇和厂矿供水[2]。西藏昌都市二水厂辐射井的供水量达到了20 000 m3/d以上，并受到水厂干部职工的一致好评，被中央工作组誉为“昌都奇迹”[3]。中宁黄河滩地傍河水源地完成5眼辐射井，比较辐射井、管井和大口井的稳定出水量和降深，表明辐射井是傍河水源地有效的取水方式[4]。

1 辐射井

辐射井是由一口大直径的集水井和自集水井内的任一高程和水平方向向含水层打进具有一定长度的多层、数根至数十根水平辐射管所组成。由于水平辐射管分布成辐射状，故称为辐射井。

集水井又称竖井，是水平辐射管施工、集取水和安装水泵的场所。集水井井径主要取决于施工辐射管的设备尺寸、井下施工要求以及水泵抽水要求，井深应根据建设水源井所在水源地的水文地质条件以及施工技术而定。一般情况下，集水井深度越深，辐射井出水量越大，考虑到施工安全井深一般不超过40 m。

竖井是辐射井成功与否的关键。竖井常采用反循环钻进成孔、漂浮法下管成井法，其他还有沉井施工法、吊挂壁施工法等方法成井。反循环钻进成孔具有成孔时间短、泥浆携渣能力强、孔壁扰动小、成孔质量高等特点。

2 泵吸反循环钻进

在各种砂层、砂质土、粘土、淤泥和卵砾石中，采用反循环钻进均能取得较好的进尺。反循环钻进可分为泵吸反循环、压缩空气反循环和喷射反循环三种方式[5]。泵吸反循环有成井效率高、钻头磨损低、孔底沉碴少、孔壁稳定、地层分层清晰、成井质量好、经济效益显著等优势[6-8]。在一些复杂地层如含少量漂石的砂卵石地层，采用泵吸反循环也可取得不错的效果。并可根据钻进判别的地层岩性，进行辐射井水平辐射管的合理布置。

2.1 泵吸反循环钻进的工作原理

泵吸反循环是利用砂石泵的抽吸作用，使钻杆中的液体上升的反循环钻进。砂石泵的吸水口通过回水管、提引水龙头，与钻杆连接。当砂石泵工作时，其进水口处形成负压，转盘驱动钻杆回转钻进，钻孔内的泥浆在压差的作用下与井底的岩屑经钻头沿钻杆内腔上升，通过水龙头和回水管，从砂石泵中排出至沉渣池。岩屑沉淀后，泥浆以自流方式通过循环水沟流入钻孔内，如此反复继续钻进，见图1。

1.提引水龙头，2.转盘，3.钻具，4.钻头，5.砂石泵，6.管路，7.循环通道，8.泥浆池(沉渣池)

2.2 泵吸反循环钻进的优点

在第四系松散地层中，采用泵吸反循环钻进成孔有以下优点：

(1)钻进过程中，地层岩屑在转盘驱动钻头作用下发生扰动，并在砂石泵的作用下，泥浆携带着地层中直径小于钻杆内径的岩屑排出，在泥浆润滑、冷却作用下钻头磨损小。

(2)循环液上升流速高，钻进时排出岩屑能力强，由于钻杆内径较大，井内的大颗粒也可顺利排出井口，这就减少了二次重复破碎的颗粒数量，因而进尺速度较快，钻进的经济指标也较好[5]。

(3)根据钻进速率、地层渗水情况以及排出的岩屑能较好的分析、判断地层岩性，有利于水平辐射管的布置更加合理，使水平辐射管达到最大的钻进长度，以获取最大的出水量。

3 钻进工艺

辐射井竖井采用预制井管，井管外径3.4 m，为了防止因缩径、孔斜等原因造成井管下不到位或出现塌孔等现象的发生，钻孔孔径一般大于井管外径0.4 m以上。根据取水水源地的水文地质条件，辐射井竖井钻进工艺如下。

3.1 孔口护筒

护筒具有固定孔位、引导钻进方向、保护孔口不坍塌、抬高孔内水位形成静水压力以保持孔壁稳定不坍等作用。辐射井护筒采用钢筋混凝土结构，钢筋采用Φ6@200×200网片，厚度15 cm，护筒内径4.2 m，与上部0.4 m×0.4 m的井字梁连接，梁长9～12 m，主筋采用4φ16，箍筋采用φ6@200×200，混凝土强度等级为C20。

护筒的埋设深度对钻进施工有重要影响。埋设过浅，容易产生循环液反窜，造成护筒底部失稳垮孔。竖井钻进过程中，护筒内须保持3.0 m水头压力，若地下水位较低，护筒深度不低于3.0 m；若地下水位较高，需垫高井台并逐层夯实，且护筒底须进入原地层0.5～1.0 m，否则钻进过程中护筒底四周容易被涮洗掏空造成漏水跑浆、护筒坍塌。

3.2 泥浆池和循环通道

泥浆池的大小对竖井钻进成孔和漂浮法下井管有着重要的影响。泥浆池大小视钻孔容积大小而定，一般为钻孔容积的2～3倍以保证钻孔有足够的循环水，防止出现渗透性特别好的地层突发性渗漏造成井内水头压力不足而发生井孔坍塌。泥浆池大有利于排出钻渣的沉淀，使得回到孔内的循环泥浆水所携带的钻渣少。若地下水位较高时，由土石堆砌而成或砂卵石地层泥浆池，必须在泥浆池内铺设塑料薄膜，防止泥浆池垮塌、泥浆渗漏，导致钻孔出现危险状况。

循环通道是连接井孔与泥浆池、泥浆水循环利用的通道，长度为8～10 m，上口宽1.0 m，下口宽1 m，深度1 m，与护筒浇筑在一起，使回水直接流入井内，严防冲淘井口、护筒失稳。

3.3 护壁措施

随着钻孔深度增加，地层岩性、密实度的不同，保证钻孔施工过程孔壁的稳定极为重要。据统计，在世界范围内，平均每年由于钻孔失稳所延误的工期约占整个工程建设施工工期的5%～6%，对钻孔失稳后续问题的处理费用将近数十亿美元[9]。

泵吸反循环钻进中孔壁的稳定，是以井孔内的静水压力为主、泥浆为辅来确保的。在辐射井竖井钻孔直径3.8 m，钻进过程中要保持井孔内的静水压力在0.02 MPa以上，即孔内水位始终要高出自然地下水位2.0 m以上。由于辐射井取水水源地一般选择在河流阶地或河漫滩，地下水含水层渗透性好，以河流补给为主，地下水与河水水力联系较为紧密，因此在实际施工中保证井孔内水位高于自然地下水位3.0 m以上[10]。

在钻进过程中，孔内泥浆一面循环，一面对孔壁形成一层泥浆膜，需要不时的搅制泥浆。泥浆护壁具有施工成本低、取材方便等优势。泥浆在钻孔施工中具有固壁作用、携砂作用、冷却作用、润滑作用、堵漏作用[11]。泥浆的固壁作用主要表现在泥浆静水压力主要、泥皮阻止水流渗透主要、凝胶作用三个方面。

在钻进过程中，井孔内保持孔内的水头高度，随时注意井孔孔内水位变化，应注意及时向井孔内加水，以免水位下降过多、孔内水头跌落，造成孔壁坍塌；井孔内泥浆比重要一直保持在1.08以上，需随时添加粘土和火碱(或膨润土)，确保泥浆比重，防止渗漏水量过大，补水不及时而坍孔。

3.4 钻进钻头

钻头是影响钻孔钻进效率的重要因素之一，钻头的进料口以及合金刀的设计直接影响钻头使用的效果。辐射井钻孔采用泵吸反循环钻进方法，钻头采用带有合金刀头的四翼钻头，钻头直径为3 800 mm。为了使钻头能将钻屑及时顺利吸入钻杆内，并能携带大粒径的岩屑排入泥浆池，故钻头在回转过程中应形成一个中心向内凹的锥体，才有利于抽吸钻屑。根据吸口管内径，选用三翼状，吸口以下用一字翼片与中心管焊接，三翼片下方与中心管焊接，上方与导正环焊接形成锥状硬质合金钻头，如图2。

若砂卵石粒径较大(大于钻杆内径)，卵石无法从钻杆内排出，为了能在钻进过程中打捞漂石，在钻头前端安装打捞筒，筒内壁装有Ф32的钢丝绳，钢丝绳与筒壁成90°的夹角。由于钢丝绳具有一定弹性，石头在钻头压力下，进入筒内，因钢丝绳直径较大，有一定的刚度，在钻头提起过程中，石头可被钢丝绳挡在筒内，见图3[12]。捞石筒直径为1.0 m，可捞起直径小于0.9 m的漂石。在将筒中兜取到的漂石、卵石取出来的过程中，为防止钻孔发生坍孔，孔内泥浆的水位必须高于地下水为3.0 m以上。筒中可取出直径小于打捞筒的石头，打捞漂石的效果非常好。打捞筒的直径选择地层中的漂石直径有关，另外，当增大打捞筒直径时，需要相应增加钻机的扭矩，所以打捞筒的直径不宜过大。

为了方便捞石，在钻孔周围预制4个钢筋混凝土墩，墩高1.2 m，将竖井钻机安放在墩上，并与墩中预埋的型钢焊接相连，这样每次需要捞石时，将钻头提起，捞石筒高出钻孔内水位，便于将筒内石头取出。

图2 捞石钻头立面图

图3 四翼钻头立面图

3.5 钻进参数

钻压：根据含水层地下条件和泵吸反循环钻进工艺，钻进过程采用轻压慢钻，通过钻头及钻杆自重加压；若含水层粒径较密实，须提钻减压慢钻。

钻速：钻井水源地处于第四纪松散地层，钻进过程中要保持适当的钻进速度，钻进太快，不利于孔壁泥皮的形成，渗水过快，补水不及时，造成坍孔；钻孔直径大，钻头直径大，钻速过快，钻头扭矩过大容易造成钻具以及钻机配件的损坏。由于钻孔直径3.8 m，钻进过程扭矩大，选取导致最大转矩的最小转速，钻进转速通常在4～8 r/min。

泵量：钻进速度，主要取决于砂石泵的排渣能力，考虑到钻孔直径大，不同地层选择不同泵组：砂卵石地层，采用8BC砂石泵组抽吸量为400 m3/h；砂砾石粒径以下地层，采用6BC砂石泵组抽吸量为180 m3/h；砂卵石、含少量漂石地层，采用12吋反循环钻机，砂石泵组抽吸量为1 000 m3/h。

4 钻进技术工程应用

4.1 大唐呼伦贝尔化肥有限公18万 t合成氮、30万 t尿素工程水源地供水工程

工程水源地位于海拉尔区海拉尔河北岸，井深30 m，地层岩性主要为卵石、圆砾、中粗砂，最大粒径35 mm，层厚22.9～26.3 m，透水性较好，稳定水位埋深3.0～3.5 m。地层结构松散、粒径分部均匀，钻机采用6吋反循环钻机，钻头采用图2钻头进行钻进，钻头具有进料口大，地层松散合金刀切削岩屑轻松，对钻头的损坏小，钻进效率高。在钻进过程中，通过钻头及钻杆的自重情况下，能很好的扰动含水层松散的砂卵石，排料畅通迅速。通常竖井钻进成孔时长在7～10 d。

钻进须堆筑施工平台提高井内水位以保证3.0 m水头，钻孔进尺速度较快，须注意井内渗水、漏浆情况，及时向进内补水、泥浆。

4.2 旗下营工业园区1#水源地供水工程

水源地位于在大黑河支流拐角铺沟的右岸阶地，地层结构上部为第四系松散沉积物，层厚约为20.0～30.0 m，水位埋深1.0～9.0 m，岩性主要以卵石、漂石、砂砾石组成，局部含有透镜体。该水源地地层漂石多、结构松散，钻机采用8吋反循环钻机，采用传统图2钻头进行钻进，由于钻杆内径的限制，粒径大于200 mm的漂石无法通过钻杆排出，以及外形不规则的卵石被吸入后，容易堵塞吸收口或堵在水龙头导致无法排出；漂卵石的粒径大、强度高，造成钻头磨损严重，并且在钻进过程中经常会出现蹩钻、跳钻，造成变速箱与转盘之间的传动轴疲劳损伤，在集水井钻进过程中都会导致传动轴的断裂。

经过改进后，采用图4捞石钻头进行钻进，通过钻头及钻杆自重将含水层中的漂石挤进捞石筒中，并通过钢丝绳兜住漂石防止漏掉，能很好的将无法经过钻杆排出的漂石，打捞出来的漂石最大直径为1.20 m，钻进效果非常好的，通常竖井钻进成孔时长在45～50 d。

钻进过程中易出现跳钻、蹩钻、钻头切削扭矩大、钻机负荷大，可采用二次扩孔钻进或多次扩孔钻进，以减小钻机损坏、提高钻进效率，须注意钻进中出现孔壁局部坍塌，扩孔钻进须用黏性土将钻孔回填至井口。

4.3 清水河流域城乡供水工程(水工部分)一标段辐射井工程8#辐射井

该井位位于黄河冲积平原黄河南岸湿

地地带，井深35 m，地层岩性以砂卵砾石为主，卵磨圆较好，分选性差，粒径一般1～15 cm，最大可达30 cm，卵砾石含量70%以上，细砂充填。冲积砂卵砾石粒径自上到下逐渐变细，地层中含泥量较大，渗透系数较小，一般8～12 m/d。该井位地层以砂卵砾石为主、少量漂石，钻机采用12吋反循环钻机，采用图3捞石钻头进行钻进，钻进效率高，个别不能通过钻杆内腔的漂石通过将捞石筒提出井外，钻进成孔时长15 d左右。

地层结构松散，进尺速度较快，钻进过程应注意井中水位、泥浆密度变化，防止地层渗漏严重、补水不及时出现局部孔壁坍塌或塌孔；地层中黏土夹层或透镜体容易出现缩径，应注意钻头直径，接续钻杆时须缓慢旋转提钻。

5 结语

辐射井是傍河取水的高效开发模式，竖井是水平辐射管施工、集取水和安装水泵的场所，是成井的前提条件。泵吸反循环钻进以其具有钻进效率高、钻头损坏小、反映地层地质情况等优点，在各种砂层、砂质土、粘土、淤泥和细粒径卵砾石中都能取得较好的进尺。随着辐射井技术的进一步推广应用，通过改进钻头形式、施工方法，对于砂卵石、票卵石等富水性良好的含水层将得到有效的开发利用，并扩大了泵吸反循环钻进技术的应用地层。