新疆复杂地层水文地质钻探施工常规解决方法论述

杜江岩　陈和军　师德扬　曹阿楠　李林

摘要：水文地质钻探的技术目的是通过钻探技术手段获取矿区地层的各项物性参数、水文地质、水化学参数。水文地质钻探常涉及含水层施工钻井液漏失、塌孔、缩颈等复杂施工情况，含水层持力层多不稳定，卡、埋钻等钻探事故频发。且此类钻探事故处理周期长，报废概率高。为了安全、高效、高质量地进行水文钻探施工，总结新疆汉水泉煤田水文地质勘查中30多个水文钻孔的勘探成果，提出随钻进深度多梯次分孔径施工、采用套管结合高黏性钻进液防漏失的水文钻探方法，为后续水文地质钻探工作高效施工，总结一些成熟经验。

关键词：水文钻探;防治;措施

随着我国水文地质事业的发展，新疆水文地质勘探相继启动了大规模的煤田供水勘探，区域水文地质、环境地质项目，煤田供水研究及不同类型的水文地质、环境地质工程勘察项目对下伏第四系地层的钻探施工有着不同的工程要求，因而提供准确无误的地质勘察资料显得非常重要。随着水文地质由区域普查到矿区详查精度的不断提高，与水文地质相关的第四系地层水文钻探工作量和工作质量要求不断提高，要求取芯具备更高的完整性和原装性，取芯直径和取芯进尺要求不断提高。但按照往期的水文地质钻探规程施工，完成现行水文地质技术勘查精度要求存在较大难度，前人水文钻探方法存在取芯率原状性差和费效比低等多种问题。随着新疆汉水泉煤田水文地质勘查工作的开展，我们项目组结合单位水文钻探机械配置，不断总结钻探施工方法、调整摸索解决方案，加深了对调查区下伏地质情况的了解。按照由简单至复杂的工作部署方案部署，实施水文钻探32眼，孔深112～350 m，孔径450～650 mm，通过总结钻探中遇到复杂地层时的技术问题，合理设计解决方案，最终完工水文钻探孔32眼，获得了一些水文地质钻探施工经验，总结如下。

1    对项目区复杂地层的性质分析

项目区水文地质钻探揭露的下伏复杂地层有两种：第一种是在复杂构造应力作用下形成的破碎地层，此类地层普遍胶结性差、结构松散、较为破碎且强度不高、有次生节理裂隙发育，在水文大口径施工过程中，常发生塌孔、卡钻等钻探事故。第二种是第四系松散堆积的复杂沉积层，由第四系风积物、流水沉积物、洪积物、冰碛物等混合组成，此类岩层天然物性较为松散，有易于膨胀湿陷的黏土、流沙，易于松散坠落的砂卵砾石、漂石，成层性差，结构疏松、层级规律差、层间硬度变化大、沉积物分选不良，在水文钻井沉井过程中，易坠落塌落，致使岩性采取率低，岩性原装性变差，同时易出现塌孔、卡钻等钻探事故;且上述两种破碎地层多为含水层，孔隙裂隙发育，易造成钻井液漏失或钻孔突水事故。水文地質钻探在上述复杂地层沉井施工普遍存在“三难”——沉井施工难、护壁保液难、取芯取样难[1]。

2    预防措施

2.1 采用大于常规口径水文钻孔的多梯次分孔径施工

综合分析物探、区域地质、水文地质资料，设计施工可能碰到上述复杂破碎地层的钻孔，首先使用大于要求口径350 mm的钻孔口径开孔，形成多梯次孔径逐级施工，可以分级使用薄壁塑料外套管（一级），内套管（二级），沉井钻具（三级），由大口径钻头开孔，逐级减少钻头口径继续钻进时，仍能保证采取岩心的直径符合要求。

以新疆汉水泉煤田水文地质ZK14取芯孔为例。设计终孔孔径φ275 mm，取芯采用单动双管钻具，开孔钻头口径φ550 mm（孔径φ610 mm），开孔随即下人φ608 mm的孔口薄壁塑料套管。Φ608 mm的孔口套管下入至55 m后，揭穿洪积层，进入细颗粒地层，换φ250 mm钻头，保持单动双管钻具进尺55～300 m，钻进遇砾石含水层，钻井液漏失严重，换用堵漏泥浆快速穿过，同时下入φ325 mm套管，持力层选择在相对稳定致密的黏土细颗粒地层时下入。

同样，如果水文观测孔要求使用取心钻具为φ159 mm绳索取芯或φ166 mm双管单动取芯，成孔直径不小于φ191 mm。

2.2 大孔径水文深孔不可小径“一径到底”

大孔径水文深孔，一般指设计孔深为500～1000 m的水文钻孔。小径指φ150 mm的绳索取芯口径或φ89 mm的普通双管口径。鉴于要通过水文试验采取下部水文地质参数，一般水文地质勘查规范要求沉井孔径≮159 mm（原则上不允许采用φ89 mm的口径）。

经过本项目施工经验在大孔径水文深孔施工中，不建议在设置孔口管后，直接换成小孔径钻具转入常规口径钻进，并一径到底，为保证成井质量和可靠性，建议多梯次分孔径施工，每一梯次孔径间差距≮90 mm。

主要原因在于，钻进遇到破碎复杂地层，如果一径到底沉井施工，缺少套管保护和施工套管的梯级孔径空间，重点在200～300 m的施工深度，若没有多梯次分孔径施工下套管隔离，孔段太长，后续水文孔扩孔沉井难度极大，极易报废现有井孔，造成经济损失，同时后续下管沉井过程中，上部孔段没有套管保护对沉井井管的下入也会形成事故隐患。

其实道理很简单，在各类岩芯钻探、工勘钻探、大口径水文钻探护孔堵漏措施里下入套管隔离上部地层是最稳妥有效的方法，多梯次分孔径施工，不再小径“一径到底”也是现行最可靠的大水文孔大口径沉井技术手段。

2.3 钻井液选配

大水文孔大口径沉井在地下水出露区施工，一般使用清水钻探。清水作为钻井液，可以有效减少钻进阻力，提高钻井速度，减少对原含水层的污染破坏，采取下部水文样品的置换周期和准确性也较高。但碰到复杂破碎地层大水文孔大口径沉井施工难度极高，也不提倡清水钻进，建议选用低固相泥浆，同时还要收集分析施工区域的各类地质、工勘钻孔沉井施工资料，结合地下水类型、矿化度等水文地质参数有对应性地选取钻井液配置方法。

适合大水文孔大口径沉井的钻井液配方有：SM—KHm超低固相泥浆、SM植物胶泥浆、普通黏土泥浆。SM—KHm超低固相泥浆物性稳定，比重浮力大，流动性携带性好，护壁强度高，可有效保证第四系松散层施工的取芯率和沉井率。SM植物胶泥浆适用于结构松散，孔壁稳定性差，涉含水层施工，自然造浆严重易出现缩径现象的粗细颗粒混杂地层。普通黏土泥浆易于沉井清洗，稳定性好，流动性携带性较好，护壁强度较高，在本项目深孔勘查项目中也取得了良好的效果[2-4]。

3    治理措施

大水文孔大口径沉井中，即使有严格的施工应急预案也会受到破碎地层和复杂沉积层对施工进度的影响。这两种情况成因不同，应该分而治之。

3.1 破碎地层

破碎地层指各类地质作用下形成的松散地层，此种地层出现的层位通过物探等技术手段可以预测，但很难准确预判。碰到此类地层，应顺序调整施工工序：换用高性能泥浆护壁→加快钻井速度快速穿过→套管隔离→向下继续钻井。

以新疆汉水泉煤田供水勘查工程16线为例，16线5个钻孔所揭露地层：0～27 m为沙砾石层，27～33 m为卵砾石层，33～57 m为沙砾石层，57～81m为含玛瑙砾岩、81～202 m为砂岩层，27～81 m就是该孔的破碎地层。

开孔采用传统的清水钻进，在采芯要求严格的情况下，31～34m进尺取芯揭露的卵砾石层，同时通过建议水文地质观测发现钻井液漏失严重，换用SM植物胶钻井液，配比4.2%，黏度大于30 S，确保后续取出胶结成柱状的松散岩心同时具有较高的流动性，确保了钻井液快速通过，减少了钻井液漏失。

项目多孔施工结果表明，在不憋泵的前提下，采用这种钻井液处理方法是较为有效的，未发生过掉块、卡钻事故。

新疆地礦局第二水文工程地质大队多梯次分孔径施工采用多层护壁套管，有效防止了破碎地层可能的钻探事故，同时外部薄壁套管成本低，内部钢质套管易拔取，套管下孔前应采取相应的润滑技术措施及成果图见图1。

3.2 复杂沉积层

复杂沉积层是指第四系搬运堆积运动作用下形成的复杂沉积地层。其中地层中孔隙裂隙发育连通性好，钻井液的漏失导致钻孔孔壁护壁失压、塌孔、卡钻，钻井液漏失地层又分为孔底漏失与孔侧层段漏失。其中孔底漏失多发生在天然裂缝、溶洞或者原有采空区地层的勘探区，发生原因是地下的复杂压力环境或者孔洞被钻孔揭露，一般水文地质大孔径钻探不易碰到。而孔侧层段漏失有成层性漏失与小范围地层漏失2种形式。

3.2.1 成层性漏失

以新疆汉水泉煤田供水勘查工程ZK2孔施工情况为例，该孔存在45～65 m，95～107 m2个卵石地层，在两个岩层出现漏失、少量返浆或完全不返浆现象时，提钻会发生塌孔缩径，再下钻下不去或找不到原孔;停钻后，有涌水现象，钻井液被稀释。

漏失发生后现场逐步实施了两种处理方案：一是换用传统黏土泥浆，密度为1.17g/cm3，黏度>38 S，可使钻孔漏失量减少，塌孔缩径有所改善，便于钻井工作继续向下开展。二是换用无固相泥浆，泥浆配方为聚丙烯酰胺0.16%，纤维素0.35%。此种泥浆送返岩屑效力提升显著，钻探效率明显提高，未再发生钻孔漏失、塌孔缩径。

这种明显与周边地层连通的漏失地层的治理步骤与破碎地层相同，但首先要及时更换钻井液堵漏，以免造成后续更大的钻探事故。

3.2.2 小范围地层漏失

孔段中小范围地层的漏失，也多发生在复杂沉积层。此种漏失的表征较为明显，表现为突发性的钻井液大量漏失，同时钻孔多伴有一定程度的缩径，对钻孔沉井质量影响大，且钻井液漏失量如果较大，容易影响后续对下部地层水文参数的确定。较为典型的特点是大口径水文钻孔发生小范围地层漏失时，如果提钻，会伴有较为明显的井喷现象。建议首先改用普通黏土泥浆，密度1.02 g/cm3左右，黏度30 s左右，也可在提钻孔后采用灌注法灌注水泥浆，封堵区段地层，确保后续钻探工作顺利进行[5-8]。

4    结论

（1）部署大孔径水文钻孔孔位时，应尽量避开复杂破碎地层，确定是目的含水层的，一定要制定多梯次分孔径施工，分级套管封堵。

（2）遇到复杂情况，要辨清漏失类别，采取相应对策。

（3）不同钻井液配比及使用，决定大孔径水文钻孔的施工沉井效率，应结合施工进程及时开展简易水文观测，并根据取芯揭露情况及时选取或更换适当钻井液类型。

参考文献

[1] 梁子山.南流江出海口海上工程地质钻探施工方法[J].南方国土资源，1992（1）：89-93.

[2] 梁子山，黄登安.泵吸反循环钻进工艺在松散地层水井钻探中的应用[J].南方国土资源，1993（1）：73-77.

[3] 陈延兴.都匀电厂卵石漂石层的钻探方法[J].电力勘测，1996（3）：34-36.

[4] 牛京义.达拉特电厂砂层钻进工艺探索[J].电力勘测，1996（3）：24-26.

[5] 王志强，周北沈，田公伟，等.第四纪松散层大口径水井成井工艺[J].吉林地质，2009，28（2）：74.

[6] 王金志，李修刚，颜廷福，等.提高水文水井成井质量的几点体会[J].吉林地质，2009，28（3）：61-62.

[7] 李修刚，王守奎，王金志，等.正确使用泥浆，提高水文地质钻探效率[J].吉林地质，2009，28（4）：1001-2427.

[8] 孙满军，冯基东，杨振雷，等.浅谈第四系复杂地层钻探技术[J].吉林地质，2010，29（2）：151-152.