牙轮钻头与筒状钻具在深水井施工中应用

陈文明，徐同鹏，李晓庆

（肥城市水利局，山东 肥城 271600）

1 项目背景及地层结构

施工井位于山西省交口县，地面标高约870～880m，地下水埋深380m左右，该项目设计井深600m，开孔直径426mm，变径4次，分别为426mm、377mm、325mm,终孔 295mm,下钢制井管3套，呈4级倒塔状。设计井孔结构与下护管情况见表1：

表1 设计井孔结构与下护管情况

由于工程地层结构复杂，单纯筒状钻具施工工艺效率极低，在原有施工工艺的基础上加以改进，不但加快了施工进度，对地层的掌握也更加精准。其地层结构如下：

1）第四系上部为黄土、卵砾石易坍塌，下部为青灰色灰岩夹薄层白色泥灰岩，厚度约100m。

2）中奥陶峰峰组一段、上马家沟一段、下马家沟一段岩性为灰、灰白、灰黄色含泥质灰岩与角砾状泥灰岩，不具含水条件。

3）上马家沟二段下部、下马家沟二段与奥陶系下统亮甲山组，岩性为厚层青灰色灰岩、白云质灰岩，溶洞发育，具有含水和储水条件，总厚度约100～120m。

4）奥陶系下统冶里组为白云质灰岩，有石英质燧石结核岩石坚硬，其中段530～570m有洞穴发育，储水量丰富。

针对以上地层情况，采用大直径牙轮钻头与筒状钻具相结合的施工工艺，以解决以下3个方面的问题，保证井孔质量和施工工期：1）在含水层掌握地质构造；2）松散破碎的地层不宜提取岩心，造成费工费料，影响进尺；3）变径下护壁管时必须将护壁管下入完整岩石，用筒状钻具摸清地质构造，取上完整岩心方可下入护壁管，否则会造成无法掌握地质情况、井壁管下口位置不准确，两级井壁管脱节，影响井孔寿命。

2 单井施工工艺过程和效果

2.1 施工过程

2011-11-01钻机进场，11月4日开工。首先采用Φ500mm刺猬钻头钻进，钻进到3.5m第四纪地层以后，进入灰岩地段，岩石变硬，遂改用Φ426mm筒状钻具钻进。钻进到84.65m后，下入相同深度的Φ426mm×9mm钢制螺旋管为一级护壁管，然后，在护壁管外用水泥进行封孔止水。

11月18日，待水泥凝固后改用Φ377mm筒状钻具与Φ406mm牙轮钻头交替钻进，11月25日钻到156m。11月26日改用Φ406mm牙轮钻头钻进，钻进至349m时改换Φ377mm筒状钻具取芯钻进，12月21日钻进至354.1m，取完整岩心5.1m。下入274mΦ377mm×9mm钢制螺旋管作为二级护壁管。由于井斜及下管过程中摩擦等因素，下护壁管前必须疏孔以保证护壁管顺利下入。

12月23日改换Φ345mm牙轮钻头钻进10d后，钻进至451.2m时又改换Φ325mm筒状钻具取芯钻进，直到456.33m，取完整岩心5.3m。下入107mΦ325mm×9mm钢制螺旋管作为三级护壁管。

2012-01-02改换Φ273mm筒状钻具取芯钻进，因岩石松散破碎，又改换Φ295mm牙轮钻头扩孔钻进，2013-01-14终孔，深度达604.41m。

2.2 施工效果

在施工过程中根据不同的孔径和深度，及时调整钻铤的重量以适应钻孔需求，达到以下目的：1）给钻头施加钻压；2）保证压缩条件下的必要强度；3）减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳；4）控制井斜。

本孔在钻进过程中，主要采用牙轮钻头无岩心钻进与筒状钻具取芯钻进相结合的施工工艺。在筒状钻具钻进过程中严格控制回次进尺和洗井液浓度，使岩粉能够顺利地排出，从而减少了对岩溶裂隙的堵塞；在牙轮钻进过程中控制回次进尺，增加捞粉次数，尽量减少岩粉对岩溶裂隙的堵塞，从而为洗井节省了工作量。终孔后洗井证明，在较短的时间内可达到水清沙净，经过严格的抽水试验，单井影响半径均小于30m，动静水位差保持在20cm之内，并且单井出水量都在60m3/h以上，完全达到设计要求。

3 取得的效益

3.1 传统工法

以山西600m深井施工为例：采用单纯筒状钻具的方法施工，每眼井施工工期为180d左右，平均人工费130元/台班、每班4人，三班制，则人工费为28.08万元。在施工研磨材料上，由于溶洞和裂隙等地层特性导致钢粒无法使用，必须使用硬质合金。硬质合金大约300元/盒，一盒60粒，平均每粒5元，粗略计算600m井平均每天进尺3.3m，每班1m左右（由于孔径大、井孔深，不易取岩心，为避免岩粉埋钻事故的发生，大大增加了捞粉次数，造成费工费料影响进尺），按每个钻头镶20粒合金，平均每米合金消耗100元计算，共计消耗6万元。

3.2 牙轮钻头与筒状钻相结合

采用大直径牙轮钻头与筒状钻具相结合的方法施工，每眼井施工工期为70d左右，平均人工费130元/台班、每班4人，三班制，人工费为10.92万元。大直径牙轮钻头 （Φ406mm、Φ345mm、Φ295mm）单价分别为5万元、3.6万元、2.9万元，正常情况下每个钻头可钻进1500m左右，平均每米投入25元，共计投入1.5万元。

3.3 效益比较

1）省料。用牙轮钻头无岩心钻进与筒状钻具取芯钻进相结合施工，减少了筒状钻具的磨损与消耗，节省了大量的研磨材料，单井节约4.5万元左右。

2）省工省时。牙轮钻头无岩心钻进进尺快，减少提下钻的次数，大大节约劳动力，经计算，单井人工费节约17.16万元左右。

3）综合效益。从投资方面，大直径牙轮钻头（Φ406mm、Φ345mm、Φ295mm）单价分别为 5万元、3.6万元、2.9万元一次性投资，长期使用。根据以上案例计算平均每延米节约75元左右的研磨费用。从节支方面看，经计算，在深水井施工中节约打井研磨材料约4.5万元，人工费17.16万元，单井节支费用合计21.66万元。而该井总造价为124万余元，减去各项施工费用，按正常营业利润15%计算，则该井实现利润18万余元。使用该工艺后，大大节约了人力、财力、物力，提高了工程质量，缩短了施工工期，其利润达到了35%，实现利润43万余元。

实践证明，在粗略掌握地质条件的基础上，在非含水层段，大胆摒弃单纯用筒状钻具取芯钻进这种传统钻进方法，采取了用牙轮钻头无岩心钻进与筒状钻具取芯钻进相结合的施工工艺，大大提高了钻进速度，缩短了施工工期，节约了研磨材料，效益显著，在深水井施工中具有较高的推广价值和广阔的发展前景。