贵州喀斯特地层地埋管施工直接成本影响分析

2023-11-20赵华宣贾玉川曾远明

西部探矿工程 2023年11期

赵华宣，陈涛，贾玉川，曾远明

（贵州省地质矿产勘查开发局114地质大队，贵州遵义 563000）

1 概述

贵州省浅层地热能资源赋存量及开发潜力巨大，仅主要城市地表以下100m 深度内浅层地热能总热容量达35.2×1013kJ/℃，赋存地层岩性有碳酸盐岩类灰岩、白云岩、泥质白云岩、泥质灰岩等和碎屑盐岩类泥岩、页岩、砂岩等[1-2]。贵州浅层地热能勘查及开发起步较晚[3-4]，贵州特殊的喀斯特地层，碳酸盐岩地层出露占全省面积60%以上，浅表岩溶裂隙极发育[5-6]及建筑物场地内不同程度的开挖回填等复杂地层，地埋管施工常遇松散无结构回填层、软弱岩溶破碎带的浅表层和岩溶裂隙发育、变化规律性较差的复杂地质条件，钻孔困难、施工难度大、成本较高[7-8]。

地埋管施工直接成本主要为钻探成孔成本、下管（含双UPE管）和回填成本。贵州地埋管埋置深度内地质条件复杂，多存在不同程度开挖回填和软弱破碎带浅表层和下伏岩溶裂隙发育（局部溶洞、岩溶强烈破碎）碳酸盐岩地层而钻进施工孔壁垮塌、掉块、漏失至失返等不良现象[9-10]。钻探施工成本由于岩层可钻性、岩溶特征及钻探工艺差异性而钻探施工成本高、差异大、规律性差。目前贵州地区浅层地埋管工程实例较少、地埋管施工成本类比分析少，承接项目成本风险高。通过工程实例分析岩层可钻性级别、岩溶类型特征及钻探工艺技术对钻探施工成本的影响并总结降低成本风险的措施，对降低同类地层项目承接成本风险、减少地埋管施工成本具有较强的借鉴和参考意义。

2 岩溶类别特征

贵州喀斯特地区浅表层地质条件复杂，地埋管施工常遇松散无结构回填和岩溶软弱夹层的浅表层、局部岩溶裂隙（溶洞）极为发育、岩溶破碎带、冲洗液漏失至全漏—孔内无液面（岩溶疏干）等复杂地层，导致成孔困难、溶洞跑管（PE管）等复杂情况频发。本文为便于喀斯特地层地埋管施工直接成本分析，以地埋管钻探成孔施工钻遇地层结构特征与钻进特征，归纳分为浅表层回填和岩溶软弱夹层、岩溶破碎（漏失）、岩溶溶洞发育、岩溶疏干四类岩溶类别（表1）。

表1 贵州省喀斯特地区岩溶类别及特征表

3 岩溶类型特征、工艺直接成本

地埋管钻探成孔施工是地埋管施工关键环节，钻探工艺效率成本直接影响和决定地埋管施工效率、成本，贵州复杂地质状况使地埋管埋置深度内的岩层可钻性差异大、各区域及同场地各位置的岩溶发育类型特征差异也大，不同岩层可钻性、岩溶类型特征适宜的钻探工艺措施和施工成本不同。应根据不同岩溶类型、岩性特征和钻进特征，采取适宜钻探工艺以提高钻探施工效率、降低钻探成本和地埋管施工直接成本。

3.1 浅表回填及岩溶软弱夹层

贵州地埋管施工浅表均有不同厚度的无结构回填和岩溶软弱夹层，回填及岩溶软弱夹层的物质成分、厚度、松散胶结程度、稳定和漏失情况等地层特征，决定了钻探工艺和对应的钻探成孔困难程度和成本高低。施工中宜根据回填岩溶软弱层岩性特征、厚度及孔壁掉块垮塌情况等采用套管护壁钻进、大径钻进+下管护护壁和偏心潜孔锤跟管钻进技术[11-12]。浅表层为松散无结构、胶结差、垮塌严重致不能成孔地层深度5m 以浅宜采用套管护壁钻进、深度5m以深宜采用偏心潜孔锤跟管，浅表层为碎块石粘土回填、有胶结结构、小漏失及短时间较稳定地层宜采用复合片大径钻进+下管护壁以提高钻探施工效率和降低成本（表2）。

表2 贵州浅表回填及岩溶软弱夹层岩性特征与钻探工艺及效率成本表

3.2 岩溶破碎（漏失）地层与岩层可钻性

贵州喀斯特地层浅表至200m 以浅碳酸盐岩（灰岩、白云层）在地质构造和溶蚀作用下，岩溶裂隙发育、软弱充填。在区域地质构造作用下，局部岩溶破碎（漏失）。地埋管钻探施工宜根据钻遇岩溶破碎（漏失）程度、孔壁掉块垮塌情况、岩层可钻性级别及工程施工其他要求等采用复合片清水钻进、复合片泥浆护璧钻进等工艺措施，以提高钻探施工效率、降低成本。地埋管钻探施工直接成本与岩溶破碎（漏失）程度、厚度、钻探工艺及钻遇岩层可钻性级别密切相关（表3）。

同地层岩性特征、同钻进工艺（三翼复合片）的遵义大酒店地埋管工程，因80～90m 段岩溶强烈破碎、富水等特性，无/固相冲洗液排屑护壁效果好，钻探直接成本降低至82.5～85.2 元/m，钻探成本占地埋管施工成本73%以上。岩层可钻性级别对钻进效率、钻进成本影响大：相似岩溶特征的娄山关白云岩地层，局部含硅质多白云岩（遵义大酒店，可钻性平均7.5级）施工时间较含硅质少白云岩（仁怀炮台巷，可钻性6.4 级）多13h/孔，钻探直接成本高8.7 元/m，钻探成本占地埋管施工成本70%；低可钻性（4.5 级）和低研磨性的砂质泥岩、泥岩、砂岩互层（赤水人民医院地埋管施工）13.1～14.2h/孔、钻探直接成本低至43.9～48.1 元/m、钻探成本占地埋管施工成本50%左右。

3.3 溶洞发育溶疏干地层

贵州浅表层至200m以浅碳酸盐岩（灰岩、白云层）岩溶裂隙（溶洞）发育，局部区域在溶浊、断裂构造及河流深切割作用[13]，呈地埋管埋置深度内无水的岩溶疏干型。地埋管钻探成孔施工全孔段无液面，常规工艺液体冲洗介质随岩溶裂隙全流失导致岩屑不能排出，事故隐患大，宜使用空气潜孔锤钻进。未处理溶洞存在跑管（PE管）、回填困难等技术难题，钻探施工中需根据岩溶裂隙大小、溶洞发育程度（尺寸大小、位置深度）采用水泥砂浆固结封隔溶洞、止浆垫+圆木封隔溶洞、提吊下管及水泥砂浆固结稳固等技术措施[14]，以提高施工效率和质量及确保施工安全，钻探施工成本较高（表4）。

岩溶裂隙、溶洞发育岩溶疏干型地层，地埋管施工唯有空气潜孔锤钻进工艺能确保钻探施工安全和提高施工效率，因裂隙、溶洞漏风影响钻进效率和排屑效果而钻效低、成本较高。钻探施工成本与松散回填及岩溶软弱层厚度和钻探工艺及钻遇岩溶裂隙、溶洞发育程度、尺寸及深度相关：未钻遇溶洞钻孔钻探施工成本82.1～87.0元/m、钻遇中部较大溶洞钻孔成本97.8.0元/m（含溶洞处理）、钻遇底部较大溶洞钻孔成本89.2～91.8元/m（含溶洞处理）等。钻探直接成本占地埋管施工成本的69.6%～75.9%。