岩土工程地质勘查中水文工程地质问题研究

李成林,罗其海,敖书赛

(湖北省地质局第二地质大队,湖北 恩施 445000)

0 引言

随着岩土工程数量与规模的不断提升,对岩土工程地质勘查环节也提出了更高的要求。水文工程作为地质勘查中的关键组成部分,与整体勘查之间有着紧密的关联性,故在岩土工程施工前必须做好水文工程的地质勘查,对工程所在地区的水文环境进行精准高效的分析,明确工程地区环境基础,为后续施工建设提供坚实的保障。针对不同的水文工程地质问题,应制定不同的解决方案,明确施工技术及流程。岩土工程地质勘查是针对工程项目实际开展的位置进行地质条件的调查勘测,分析其中存在的地质问题,对可能给工程项目造成的负面影响进行分析,为工程施工建设提供基础保障[1],工作内容比较复杂,包括地质测绘与勘探、土样试验、现场检测及原位测试等,涉及水文地质、支护结构、工持地质及岩土力学等知识,需要结合工程地区的实际情况制定完善的科学方案。

以某岩土地质勘查工程为例,指出了其中的水文工程地质问题,明确地区矿区储量及上部含水层的水文地质环境,利用水文地质钻探及降压试验等手段进行数据收集与分析,对矿层厚度及顶底板位置情况进行探究,为矿区储量计算分析提供数据支持,为地质环境的勘测评价提供支持。

1 水文工程特征要求及难点

1.1 地质特征与要求

工程钻探设计及底层结构特征情况如表1所示。

表1 钻探设计及底层结构特征情况Tab.1 Drilling design and underlying structure characteristics

工程地质要求如下:①水文地质勘查的主要目的是第7组钻进施工结束后进行降压试验,在获得水文地质相关数据后再展开矿层钻进施工。②孔深设计为950 m,浅部碳酸岩层孔段的孔径控制在φ21.9 cm以上,下管进行止水处理。第7组孔段的孔径控制在φ12.2 cm以上,最终孔的孔径控制在φ7.5 cm以上,控制钻孔的弯曲度在1°/100 m以下。各矿层进行连续取芯操作。③地质勘察段的采取率控制在70%以上,取芯率控制在85%以上,矿层底板与顶部的3～5 m对应的取芯率控制在80%以上。

1.2 施工难点

矿层上部孔段深度与孔径较大,钻杆与孔壁环状间隙较大,钻杆在运行过程中容易发生折断问题,需要利用复合型钻进工艺技术进行钻进施工,其中包括绳索取芯钻进技术、牙轮/PDC钻头钻进技术及空气潜孔锤钻进技术等。水文工程勘察与底层结构比较复杂,深度及孔径较大,对于取芯率要求较高,利用单一的岩芯钻机或水井钻机无法保障工程施工需求。工程地质条件比较复杂,工程设计标准较高,需要钻孔结构具有多级变径功能。

2 水文工程案例分析

2.1 钻孔结构与钻探设备

钻孔结构。依据地质设计要求与水文工程地质勘查、钻进揭露底层结构及岩土工程地质勘查施工规范等内容,选用的钻孔结构如图1所示。

图1 钻孔结构Fig.1 Borehole structure

地表管深度控制在0～9.17 m,孔径设计为φ31.1 cm,主要功能是打通第四系结构进入稳定岩层,钻进深度在3.17 m内,下部直径φ为27.3 cm×0.6 cm的套管,使用水泥进行止水固结处理。一开深度控制在9.17～325.94 m,孔径设计为φ24.5 cm,主要功能是钻进第4组的粉砂岩隔水层结构,钻进深度在5.94 m范围内,下部直径φ为21.9 cm×1 cm的型号为J55的石油套管,使用水泥材料进行止水固结处理,避免上部岩层裂缝中的水流进孔内,对勘查目的层结构的水文地质参数造成干扰。二开深度控制在325.94～882.85 m,孔径设计为φ17.8 cm,主要功能是钻进第6组的页岩结构,进而进入第七组白云岩结构,钻进深度在9 m范围内,下部直径φ为14.6 cm×0.75 cm的型号为J55的石油套管,使用水泥材料进行固井护壁处理。三开深度控制在882.85～985.43 m,孔径设计为φ12.5 cm,钻进深度达到985.43 m时展开洗井处理及降压试验。四开深度控制在985.43～996.16 m,主要功能是为取芯技术进行试验操作,孔径设计为φ11.4 cm。五开深度控制在996.16～1065 m,主要功能是为绳索取芯钻进技术进行试验操作,孔径设计φ7.75 cm。

钻探设备。利用XY6钻机与TSJ2000钻机进行钻进施工,最大钻进深度分别为1500 m、2000 m。其余辅助设备如下:型号为BW-500和BW-320的泥浆机各1台;型号为寿力1400和XHP1170的空压机共3台;型号为BW250的泡沫泵1台;规格为150 kW和200 kW的发电机组各1台;型号为HS27-75的钻塔1部。

2.2 施工六法及参数

牙轮钻进施工,表层段的深度在9.17 m左右,主要利用直径为31.1 cm的牙轮钻头进行施工。

一开段的深度在9.17～320 m,主要为灰岩与白云岩,具有岩溶裂缝相对发育且含水量较高的特点。为了保证施工效果,提高钻孔速度,防止因裂缝因素导致井漏问题,利用直径为24.5 cm的空气潜孔锤进行钻进施工,利用2台或3台空压机(功率为2.4 MPa)进行组合送风,利用塔式钻具进行辅助施工[2],具体钻进参数如下:钻孔速度为48 r/min;送风量为66 m3/min或99 m3/min(结合施工时的具体情况合理选择),风压控制在1.1～2.4 MPa,钻进压力控制在10～20 kN。

二开段的深度为325.94～882.85 m,主要为具有较高的水敏性及孔壁稳定性能较差的泥岩、粉砂岩及碳质泥岩结构,利用直径为17.78 cm的PDC钻头进行钻进施工,利用具有较强抑制性及防塌性能的聚合物进行护壁处理,具体配方如下:纯碱1500～2000 g、水1 m3、包被剂2000～2500 g、钠土粉40～50 kg、无荧光防塌润滑剂3000 g、铵盐2500 g[3]。性能指标如下:密度控制在1.04～1.06 g/cm3,黏度控制在35～40 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。利用塔式钻具展开组合防斜处理,具体钻进参数为:钻进压力控制在20～40 kN,钻进速度控制在48 r/min,泵量控制在14 L/s。

三开段的深度为882.85～985.43 m,是本工程中的主要勘查段,主要使用直径为12.5 cm的PDC钻头进行钻进施工。岩层结构为孔壁稳定性相对良好、局部结构裂缝相对发育的白云岩。为了避免钻井液导致来水通道系统出现堵塞,降低洗井操作难度,选择使用低至无固相钻井液,配方如下:纯碱1000 g、水1 m3、高黏度羧甲基纤维素CMC 4000～5000 g、钠土粉10～15 kg、聚丙烯酰胺PAM 2500 g。性能指标如下:密度控制在1.01～1.02 g/cm3,黏度控制在32～35 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。

四开段和五开段为本工程的最终勘查段,岩层结构具有破碎性、硬脆性,对于采芯率要求比较高。为保证岩层采芯率能够达到工程标准要求,采用高强度的石油套管束缚支撑工艺与绳索取芯钻进施工技术相结合的方法。

高强度石油套管束缚支撑。工程选用金刚石+绳索取芯钻进施工技术,为保证技术的实际应用效果,需要对上部大口径井眼进行适当的调整变动,使其与绳索取芯施工要求的小口径井眼相契合,从而保证钻杆在高速钻进施工时具有良好的安全性与稳定性[4]。利用具有较高抗折断性能及抗拉断性能的束缚支撑管柱,其主要由高强度的扶正支撑和N80级别的石油套管组成,石油套管直径为9.5 cm×0.65 cm,套管接箍直径为10.8 cm,内径为8 cm,孔壁间隙与套管接箍之间的焊接应保证尺寸合适,能够对支撑装置起到有效的扶正作用,确保管柱的稳定性与居中性。孔口管与钢板托盘之间焊接良好,不出现漏缝问题,避免其他杂物进入其中对钻进施工造成影响。具体情况如图2所示。

图2 套管束缚支撑Fig.2 Casing shackle support

绳索取芯钻进。绳索取芯钻进设备为HXY6型岩芯钻机和BW320泥浆机,绳取钻杆直径为7.1 cm,钻具为S75型单动双管,钻头为金刚石。在钻进施工时,将钻进效率控制在1.1 m/h,每日钻进尺达到12 m左右,与传统的钻进施工相比显著提高了钻进效率,降低了人工作业强度。钻取的岩芯为柱状结构,如图3所示[5]。矿层采芯率为95%～99%,矿层底板与顶部采芯率为89%～99%,与工程设计要求相符。

图3 柱状岩芯Fig.3 Cylindrical core

3 施工效果分析

工程最终钻进深度达到1065 m左右,全面钻进进尺达到985 m左右,钻芯取尺约为80 m。工程施工周期80 d,台月效率约为400 m/月。空气潜孔锤的钻进进尺约为317 m,平均钻井速度达到7.9 m/h,与常规钻进方法相比提升了10倍的钻进效率。而钻进施工过程中的成本与效率因素受到涌水情况的明显影响,涌水量约为90 m3/h。PDC钻头钻进施工,二开进尺约为557 m,平均钻进速度达到1.4 m/h左右。三开进尺约为102 m,平均钻井速度达到0.46 m/h。主要原因是硅质结构影响导致钻进效率低下。高强度的石油套管束缚支撑与绳索取芯钻进技术解决了施工中存在的上部孔径大及孔径不匹配等问题,保障了取芯钻进施工的安全性。金刚石钻进施工进尺约为69 m,平均钻进速度达到1.1 m/h,大幅度提高了钻进施工质量及效率[6]。

在水文工程地质勘查时需进行两次降压试验,保证施工具有良好的止水及固井效果,提升了水文工程地质参数的真实性及精准性,使各项参数指标均符合岩土工程地质勘测的需求。本工程的钻进施工孔斜为7.9°,钻孔倾斜角的变化率为0.74°/100 m,与工程设计要求相契合。