水文参数钻孔成建孔工艺优化

闫立鹏，王红军，菅 凯，江海宇

（核工业二〇八大队，内蒙古包头 014010）

1 水文参数孔简介

水文参数孔施工工艺比较复杂（图1），其中成井工艺（图2）是水文参数孔能否施工成功的重要影响因素之一，而在成井工艺中扩孔、下管、投砾等关键工序又是成井工艺中的关键环节之一，是否控制扩孔泥浆固相含量直接影响后续水文地质试验所得水文地质参数准确性。

图1 水文参数孔结构示意图

图2 水文孔施工流程

2 以往施工水文孔遇到的问题

以往施工水文孔往往会遇到裸眼孔斜超标、扩孔进尺不快、扩孔使用的固相泥浆影响矿层段渗透性、下管速度缓慢、投砾效率低下等问题。

3 工艺优化

3.1 孔斜控制

以往施工现场裸眼段一般使用的∅110mm 钻头+∅68mm 钻铤+∅60mm 钻杆进行裸眼钻进，很难满足水文孔孔斜偏斜要求：轴线最大偏斜的水平距离为每100m 不超过1.5m，并按照孔深递增计算，经常出现孔斜超标情况，为了钻孔偏斜达标，特在裸眼钻井段进行钻具级配优化。

钻具级配：∅110mm复合片钻头+∅89mm岩芯管+∅89mm/∅83mm变径接手+∅83mm钻铤+∅73mm钻杆+变径接手+主动钻杆。

相比于之前使用的∅60mm 钻具，使用∅73mm 钻具控制孔斜等的优点：

（1）增加钻杆柱的刚度，减少产生的挠度和弯曲，控制孔斜；

（2）更符合钻具级配的塔式要求；

（3）增加钻杆柱自重，更利于垂直钻进；

（4）利于泥浆的上返循环和减少钻具折断风险。

3.2 扩孔工艺优化

以往水文孔扩孔是比较耗费时间的一道工序，尤其是在砾石层使用复合片扩孔钻孔+∅68mm钻铤+∅60mm钻杆级配，经常出现崩齿、孔径缩小、钻具折断和损伤钻机等情况，往往需要二次扩孔，增加了扩孔难度和降低扩孔效率，针对这些问题，在扩孔时候使用球齿牙轮钻头，和优化钻具级配进行扩孔，效果明显。

相比于之前的在砾石层使用其他钻头相比，在砾石层使用球齿牙轮钻头的优点：

（1）三牙轮钻头旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎岩石的作用，牙齿与井底的接触面积小、比压高、工作扭矩小、工作刃总长度大等优点，适合砾石层使用；

（2）三牙轮钻头即公转与自传、纵振、滑动更利于砾石层的碎岩；

（3）三牙轮钻头抗磨性能良好同时钻进比较平稳，利于钻孔的防斜。

优化钻具级配：

抽水孔：∅245mm 球齿牙轮钻头+变径接手+∅83mm 钻铤+∅73mm钻杆+变径接手+主动钻杆。

观测孔：∅190mm 球齿牙轮钻头+变径接手+∅83mm钻铤+∅73mm钻杆+变径接手+主动钻杆。

3.3 扩孔段泥浆固相控制

扩孔段以往施工均使用含有膨润土的低固相泥浆或优质中固相泥浆，泥浆中固相含量高，降低钻速，影响泥浆的护壁性能和紊流减阻作用，同时增加了矿层段的泥浆污染，影响到矿层段的渗透性。为了更好地控制扩孔工序的泥浆固相含量，特使用无固相泥浆。

使用无固相泥浆优点：

（1）钻速高：固相含量为0%时，钻速最高，随着固相含量增加，钻速显著下降。胶体颗粒增多影响钻速的主要原因是由于泥浆的流变特性发生变化，塑性粘度增加，剪切稀释作用降低，水泵功率不能充分发挥，从而降低了清洗孔底、携岩粉的能力，使钻速下降。

（2）护壁性能强：无固相冲洗液中的高聚物分子不但在孔壁上胶结岩石形成保护膜，而且能渗入孔壁周围岩石孔隙内部产生胶结，胶结范围大。泥浆护壁主要泥皮，主要作用在孔壁表面，对孔壁周围的深处岩石胶结作用小。故无固相冲洗液护壁效果远远好于泥浆。

（3）有适用于冲孔需要的流变特性：无固相冲洗液属于假塑性流体，其流变特性与泥浆相比有较大的可调范围，以适应不同钻探工艺的需要。

（4）紊流减阻作用好：这是由于水溶性高分子聚合物具有亲水基团和长联结的分子结构的固有特性。

（5）有较强的预防冲洗液漏失能力和较好的润滑性，同时减少了机械磨损。

（6）保持极低比重(近似于1)，大大提高了钻速和钻头进尺，钻速提高1.5~3.5倍。

（7）对水敏性地层、松散易塌地层有良好的防塌能力。

（8）由于没有泥浆污染，提高了岩矿芯质量，配制、使用简便，容易掌捉推广，成本低。

无固相冲洗液配方：

（1）泥岩、煤系地层、粉砂岩采用抑制作用强非分散无固相泥浆。

泥岩层泥浆配方(按1m3泥浆配比，单位kg/m3)：聚丙烯酰胺∶氯化钾∶钠羧甲基纤维素(Na-CMC)∶腐植酸钾∶褐煤树酯∶沥青粉∶广谱护壁剂=0.5∶7∶5∶6∶6∶4∶4。

（2）在卵、砾、漂石易坍塌掉块地层钻进时，采用大密度、低失水量和造壁能力强的优质无固相冲洗液。

卵石层、砾石层泥浆配方(按1m3泥浆配比，单位kg/m3):聚丙烯酰胺∶植物胶∶腐殖酸钾∶沥青粉∶钠羧甲基纤维素(Na-CMC)=0.8∶5∶3∶3∶3。

3.4 泥浆体系的优化

水文孔施工由于成孔孔径较大，需要较大泵压和泵量的泥浆泵进行孔内泥浆循环，以前使用的NBB250型泥浆泵由于泵量小、泵压低不能满足水文孔孔径较大施工要求，所以现场配备了NBB390泥浆泵，并且泥浆循环系统优化成使用三级循环系统，同时配备除泥除砂一体机。

使用三级循环池（见图3），利于泥浆固相含量控制，优化循环泥浆，增加泥浆重复利用率；使用390泵优点额定流量52~390L/min，额定压力8~11MPa能够满足大孔径工艺孔泥浆循环的使用需求，主动轴和曲轴间采用了人字形齿轮传动，传动噪声小，扭力大，安全可靠，采用5挡变速箱，变量快捷，可选择范围大。

图3 三级循环池

3.5 下管工艺优化

套管安装之前用稀泥浆置换孔内的浓泥浆，待孔内泥浆浓度达到下管要求后，依次向孔内下入已配置好的沉淀管、过滤器和套管。以往下管过程中，没有对套管进行加固，容易出现套管断裂等情况；并且以往连接套管过程中孔口使用夹板固定装置，套管连接时候非常耽误时间，造成下管时间较长，还容易出现套管下滑现象，针对这样的问题，我们对套管进行了加固和使用木马夹持器。

套管加固方法：套管外焊接拉筋，优点：增加套管的连接强度，防止随着套管增长，丝扣承受的拉力也随之增大，防止断裂；同时防止投砾和固井时压力激增造成侧压力增大造成的破坏；使用木马夹持器的优点：保证下管过程中套管在孔口的固定，使用操作简单，固定牢固。

3.6 投砾前的管内、管外循环

管内循环：钻杆在过滤器顶端位置进行循环，NBB390泥浆泵2挡，循环6~8h，先用稀泥浆，后用清水进行管内循环；同时铁管和地层环状间隙下投砾管，下到沉淀管末端，下完后（管内循环完毕），进行管外循环2h，由于地层稳定，用清水进行管外循环。

3.7 投砾工艺优化

水文参数孔投砾施工过程中，由于传统投砾泵在投砾过程中压力不足，需要工人一直进行投砾操作，投砾设备效率低下，导致设计投砾位置易出现间架桥，在后续注浆过程中，水泥浆进入间隔段，影响整体水文孔涌水量，所得水文地质参数不够准确。投砾工艺优化是使用“泥浆泵+投砾罐+投砾管”方式进行动水投砾。

投砾罐其本身为压力密闭容器，配有压力表以及安全阀，罐压力表可以实时监测投砾过程中投砾管内压力，安全阀起到保护作用，防止管内压力超差发生危险。罐内的砾料与清水混合后依靠重力的作用滑入罐底管道内，管道主要依靠水射流的作用力将砾料清水混合物冲击至投砾管中，直至孔底，投砾过程见图4。通过使用发现，投砾罐在投砾效率及安全性方面较投砾泵有较大改善，且投砾罐维护保养较为方便。

图4 投砾过程示意图

根据对地浸工艺孔投砾泵的传统投砾装置一般使用的是引射器结构，引射器一般由喷嘴、引射入口、吸入室、混合室与扩散室组成（见图5），此设计将砾料口置于喷嘴后方，在使用中存在如下几点问题：①由于喷嘴抽吸效果不好，砾料向孔底注入的流速较低；②投砾过程中混合室过于狭窄，容易出现砾料卡堵现象。

图5 引射器结构图

基于引射器结构产生的问题，将喷嘴结构进行改进，使用一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足够能量，称之为水射流。水射流是由喷嘴流出形成的不同形状的高速水流束，射流的流速取决于喷嘴出口截面前后的压力降。水射流是能量转变与应用的最简单的一种形式。通常，动力驱动泵通过对水完成一个吸、排过程，将一定量的水泵送到高压管路，使其以一定能量到达喷嘴。而喷嘴的孔径要求比高压管路直径小得多，因此到达喷嘴的一定量的水要想流出喷嘴孔，必须加速。这样，经过喷嘴孔加速凝聚的水就形成了射流。射流一旦离开喷嘴，它的凝聚段不会太长。对此，射流的速度尤为重要。水经过泵送获得了压力，压力首先驱动水从泵至喷嘴，又使其以给定的速度通过喷嘴。利用水射流可以获得足够的动能，将砾料入口置于喷嘴后端（见图6），取消狭小的混合室，有效避免了砾料卡堵的现象，提高投砾效率。

图6 改进后水射流喷嘴结构图

今年通过对投砾工艺的优化和投射器的改进，净投砾效率得到显著提高，具体情况见表1。2022年施工水文孔净投砾效率比2021年以前施工的水文孔净投砾效率显著提高，因为2021 年以前施工水文孔使用的是投砾泵投砾；2022年施工水文孔净投砾效率比2021年施工水文孔净投砾效率提高4 倍多，因为2021 年施工水文孔未优化投射器结构。所以可以看出投砾工艺的优化和投射器的改进，提高了投砾的效率。

表1 近几年水文参数孔投砾时间统计

3.8 洗井方案设计

洗井方案设计为钻杆循环洗井、拉活塞洗井与空压机洗井结合洗井，综合作用，使沉砂管和花管通过洗井清洗干净，同时通过多种洗井方式结合提高矿层段地层渗透性。

拉活塞洗井设计：采用分段拉活塞方案；

空压机洗井设计：400m位置洗井—过滤器上部位置洗井—沉淀管上端位置洗井。

4 结束语

本文对以往施工水文孔遇到的裸眼钻进易出现孔斜超标、扩孔钻进钻头选择不当进尺不快、扩孔时泥浆固相含量高影响矿层渗透性、下管速度缓慢、投砾效率低下等问题，通过工艺优化、研究和改进，增大了成孔概率和缩短了成井时间，提高了成井质量，建立了一套完整的水文孔施工工艺。