西藏高原某工作区水文水井钻探施工技术

罗 龙，牟程江，邓俊峰，罗小龙

（1.中国地质调查局军民融合地质调查中心，四川成都 610036；2.中国地质大学＜武汉＞工程学院，湖北武汉 430074）

因工作任务需要，在西藏高原某工作区开展水文水井钻探施工，使用两套不同设备施工三口水文水井，针对工作区钻探施工技术难题，施工技术人员结合现有水文钻探设备配置，在钻具、施工工艺及方法上探索解决方案，总结施工经验及方法，成功在西藏高原某工作区摸索出一套针对施工区地层的钻进工艺及方法，最终圆满完成钻探任务100m，水文水井钻孔3个，总结了工作区水文水井钻探施工经验，供同行借鉴。

1 概况

1.1 自然地理

工作区隶属于西藏自治区阿里地区，地处西藏西北部，是我国边境城镇之一。平均海拔4500m左右，最高海拔为6800m。城镇境内东西最大横距271km，南北最大纵距354km，边境线长350km，距拉萨市1800km。工作区地处高原亚寒带季风半干旱气候区，空气稀薄，含氧量低；日照时间长，太阳辐射强；早晚温差大；干季与雨季分明：每年10 月至次年5 月为干季，降水量少，大风天气多；6 月至9 月为雨季，降水量占全年的90%以上。工作区多年降水量、蒸发量情况如图1所示。

图1 工作区多年降水量、蒸发量统计图

1.2 地层情况

工作区第四系地层主要由碎石土、砂土、粉土组成，第四系厚度分布不均，同一区域地层变化不大，层理不明显，厚度一般在5～80m。地层粉粘粒含量较少，松散—稍密状，透水性好，稳定性差，力学性质较差；碎块(漂石、卵石)石混砂土，开挖后边坡稳定性差，在陡坡上时有落石现象；风积粉砂土：以砂粒为主，松散，因风力作用，堆积于山前，稳定性差。

2 工程概况及施工技术难题

2.1 工程概况

工作区布设水文水井钻孔3 个，钻探施工任务100m，进行全孔取芯后，再在原位置进行大口径钻进或扩孔成井。首次在工作区采用车载钻机（DPP-300）（该型号钻机主要用于岩芯钻、工程地质钻探施工）和SPJ-400 散装磨盘钻机，及配套设备大口径扩孔成井，采用∅311mm牙轮钻头、刮刀钻头大口径全面钻进。

2.2 施工技术难题

在钻进过程中存在主要问题如下：①大口径扩孔成井时，钻孔口径大，扩孔产生的岩屑较多，采用BW-160 泥浆泵提供冲洗液在通过∅50mm 钻杆时，过水通道偏小，冲洗液上返速度达不到要求，岩屑返出井外较为困难；②在使用牙轮钻头、刮刀钻头钻进时，因卵砾石含量大，有时无法有效进尺；③在砂土层钻进，进尺后井内残留砂粒较多，正常加杆较困难；④工程钻机（DPP-300）施工钻遇卵砾石地层时阻力大，机身跳动厉害，容易损坏钻机钻塔等设备；⑤砂卵石地层钻进时孔壁不稳定，易垮塌，要求泥浆浓度高，制约了后期换浆、下管、填砾、洗井等成井工序，在后期成井作业时增加了工作量；⑥洗井时，由于工程钻机所配套泥浆泵泵量功率小，水量不能有效破坏井壁泥皮，洗井效果差；

3 施工工艺

3.1 钻探设备选择

根据工作区地层情况，在该工作区采用DPP-300车载钻机和SPJ-400散装磨盘钻机[1-2]，钻机及配套设备如表1所示。

表1 钻机及配套设备

（1）车载钻机。在施工ZKSO2、ZKS03 号孔时，采用DPP-300型车载钻机，该钻机重11.9t（含车重），工作外形尺寸7650mm×2520mm×9570mm。主要技术参数及优缺点如表2所示。

表2 车载钻机主要技术参数及优缺点

DPP-300型车载钻机现场施工如图2所示。

图2 DPP-300钻机施工现场

（2）SPJ-400水文钻机。该钻机磨盘直径∅500mm，整装重量9t，采用A 型钻塔，钻塔垂直高度8.6m，钻机重量6.5t，外形尺寸2200mm×6000mm×10000mm。主要技术参数及优缺点如表3所示。

表3 SPJ-400水文钻机主要技术参数及优缺点

DPP-300型车载钻机现场施工如图3所示。

图3 SPJ-400钻机施工现场

3.2 钻具选择

在进行水文水井钻探时，一般采用大口径钻具进行钻探施工[3-5]，此次在工作区施工ZKS01 时采用∅311mm 牙轮钻头，配备1 根∅240mm 钻铤和1 条∅170mm钻铤进行扶正加压钻进，使用∅89mm石油钻杆。ZKS02、ZKS03施工时，在卵砾石地层钻进，为有效排出岩屑，顺利加杆，采用自己加工的钻具，采用长1.5m、壁厚10mm、直径∅278mm钢管制成，在钻具一端焊接变径接头与钻杆连接，另一端在钻具底端圆周每间隔100mm 焊接复合片或者风炮钻头作为钻具钻头，在靠近钻头端内部100mm 处焊接钢丝绳作为钻具内卡簧，加工成一根完整的大口径钻具投入到施工中。自制钻具主要优势如下：①遇大块卵石、砾石通过冲洗液无法有效排出时，可采用此钻具捞取后再进行钻进。②钻具钻头与地层接触面积小，钻头处焊接有复合片，钻进速度明显加快。③当遇卵砾石地层时，由于接触面积小，复合片容易切入卵砾石，减轻钻进时钻具的跳动，有利于钻机、钻塔等设备的保护。④钻具同心度好，有利于控制钻孔弯曲度，下管成井时更加顺畅，成井质量好。加工的钻具如图4所示。

图4 加工的∅278mm钻具

3.3 泥浆

所有的冲洗液对水文钻孔出水量具有一定的影响，只是不同类型的冲洗液对含水层的损害程度不同，对出水量的影响也不同[6]。此次工作区地层以卵砾石地层为主，部分地层含砂量高，含水丰富，地层胶结性极差，在进行护壁工作的同时，重点考虑泥浆的排渣能力。在该工作区，主要采用普通钠质膨润土作为泥浆材料[7-9]。在ZKS02施工时，地层主要以砂土为主，透水性相对较差，使用钠土按水、土5∶1的比例配制泥浆，泥浆粘度控制在15～20Pa·s，基本满足钻孔排砂护壁要求。

在施工ZKS01、ZKS03号孔时，地层以卵砾石为主，卵石最大粒径可达150mm，透水性好，施工时采用水土4∶1比例配制泥浆，使其粘度达到23～30Pa·s,能更好地排出残留卵砾石，排出卵砾石粒径普遍在5～20mm 之间，排砂护壁效果较好。

3.4 成井工艺

成井工作在水文水井施工中比较关键，一般在钻进完成后立即进行，成井的每一步工序应该顺利衔接，否则会给成井工作带来不必要的麻烦，甚至会造成成井失败，前期工作作废，给项目造成损失[10]。

3.4.1 换浆

在该工作区施工，因地层相对松散，在即将钻进至设计孔深时换浆较为适宜。在原泥浆池里逐步加入清水，利用水泵循环，降低泥浆浓度，从而实现逐步换浆。在ZKSO3施工时，由于地层含水丰富，为防止换浆后地层出现垮塌，未有效换浆，泥浆浓度高，下管后砾石无法正常填入，同时造成后期洗孔用时较长,疏通含水层较困难。

3.4.2 安装井管

井管安装在换浆结束后立即进行[11]。在此次钻井施工中，因任务需要，设计钻孔主要以水文地质孔为主，在考虑成本同时，结合当地群众用水需求，按照探采结合方式成井，施工的三个钻孔均采用直径∅168mm，厚度4mm铁管作为井管，采用气割条缝管作为过滤管，连接采用焊接方式。井管由井壁管、过滤管和沉淀管三部分组成。气割条缝过滤管如图5所示。

图5 气割条缝过滤管

3.4.3 填砾

填砾是在滤水管与含水层孔壁之间，填入大于含水层砂粒直径的砾石材料，造成一个人工过滤层，经过洗井和抽水试验后，使砾料颗粒有规律地进行排列，以增大出水量[12]。这一工序必须在下完井管后立即进行，如拖延时间过长，则易造成孔壁坍塌、涌砂、缩径等现象的发生，严重时会造成钻孔报废。由于人工过滤层的形成，可防止含水层中细小砂砾涌进管内,起到挡砂滤水作用，故可延长水井使用寿命。在工作区域施工，按照地层不同，用粒径5～15mm 砾石（砂土地层采用5mm砾石）作为砾料均匀填入，并在井管外包裹100目尼龙网作为过滤器，而卵砾石地层可采用粒径10mm或15mm的砾石作为砾料填入，过滤效果较好。

3.4.4 止水

粘土具有一定粘结力和抗剪强度，压实后具有不透水性。可在一些地下水流量不大的松散地层或基岩中做永久止水材料。其优点是操作方便、成本低、止水效果可靠等[13]。使用时多将粘土搓成直径30～40mm的小球，经阴干后投入孔内、投入厚度一般为3～5m。工作区由于地层松散，在施工过程中，采用条缝过滤管安装在水位以下3～5m 处。粘土止水位置在水位以上3～5m，粘土厚度2～3m；离地面以下2～3m 处再填一次粘土，粘土厚度填与地面平齐。井口用水泥做井台，防止地表水渗入。经过多重止水，从后期洗井以及抽水检验数据来看，止水效果较好。

3.4.5 洗井

洗井工作是成井比较关键的步骤，必须在下完井管、填砾、止水后立即进行，以防因停置时间过长，井壁泥皮硬化，造成洗井困难，影响钻井出水量。此次施工的3 个钻孔，ZKSO2 采用泵送清水洗井，ZKS01 采用空压机洗井，洗井比较成功。ZKS03洗井时，为防止井壁坍塌，在换浆时只加入少量清水，泥浆浓度较高，在采用泵送清水洗井时，由于水泵压力较小，无法有效破坏泥皮，第一次洗井失败。后注入清水浸泡约12h，再采用LT-60A 空压机洗井，在井管内下入∅50mm 钻杆至孔底做送气通道，井口进行密封，使空气从过滤管处冲出破坏井壁泥皮，洗井成功。

4 结论

经在西藏高原某工作区采用2 套不同的钻探设备开展水文水井钻探施工，根据地层情况及现有装备条件，从设备、钻具及工艺、成井等工艺上进行分析和总结，得出以下结论：

（1）SPJ-400钻机利用转盘钻进，扭矩大，在卵砾石地层施工时，机身长，重量大，施工钻进时稳定性较好；SPJ-400 钻机配套使用3PN 立式泥浆泵，对于砂土地层，进尺效果明显，钻进效率最快可达14.1m/h。

（2）在西藏高原卵砾石地层及砂土地层中进行大口径水井施工时，磨盘式钻机配套大流量水泵，施工时在钻进效率上优势明显，工程钻机施工大口径钻孔时钻进能力较弱。

（3）考虑地层、成本等因素，在施工浅井30m 以内且口径在∅400mm 以下的水井，车载DPP-300 钻机也比较适合在该工作区砂土地层中施工，而且效率高、成本低，施工成本相对磨盘钻机约节约30%。

（4）SPJ-400钻机过于笨重，搬迁安装繁琐，需要随车吊辅助，耗时费力，在场地受限及50m以内的钻孔施工成本较高，不建议采用，但施工大口径，且孔深在50m以上钻孔时，可综合考虑采用磨盘钻机。

（5）经在工作区实践证明，牙轮钻头适合该工作区地层（均匀的砂土层）水文水井钻探施工，不易损坏，钻头寿命较长。但成本较高，所施工钻孔同心度相对较差，孔壁粗糙。

（6）加工的大口径取芯钻具适用于该工作区施工，成本低，施工钻孔同心度好，而且可作为打捞工具使用，在该工作区地层条件下，使用DPP-300 和SPJ-400钻机时均可选择该钻具进行钻进，但易磨损，需重复加工使用，钻孔较深时钻头承载能力有限。

（7）换浆时应综合考虑地层稳定性、洗井方法及洗井设备的洗井能力，合理换浆;洗井时应充分考虑地层、换浆、滤管等因数，采用合理的洗井方式，洗井成功率较高。

（8）在该工作区施工时可综合考虑采用普通膨润土作为泥浆材料，根据地层情况适当调整泥浆粘度和比重，携带砾石能力强、效果好且价格实惠，钻孔施工时易形成泥皮，有利于保护孔壁稳定，洗井时比较容易破坏泥皮疏通含水层，对水质影响也很小。