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1、沿黄地下水凿井工程气举反循环钻进技术应用顾孝同(河南省建设工程质量监督总站 ,河南 郑州 450014)摘 要 :运用黄河郑州段“九五 ”滩地下水工程实例 ,介绍了气举反循环钻井的施工技术 、成井工艺 ,从主要技术经济指标对比情况看 ,泵吸反循环钻进共完成 15眼井 ,成井进尺 1 024. 38 m ,平均时效 4. 92 m;气举反循环钻进共完成 5眼井 ,成井进尺 525. 23 m ,平均时效 4. 27 m。与正循环钻进相比 ,气举反循环时效提高 0. 781. 04倍 ,综合成井效率提高 1. 52. 0倍 ,其技术经济效果十分显著 。建议在黄河下游开采沿黄地下水时应优先采用气举反
2、循环钻井施工技术 。关 键 词 : 气举反循环技术 ; 地下水 ; 黄河下游中图分类号 : TV67; TV882. 1文献标识码 : B文章编号 : 1000 1379 ( 2006) 08 0070 02郑州市目前开采利用沿黄地下水计 30 万 t / d,分别布置在黄河“九五 ”滩和北郊沿黄地带 。其中黄河“九五 ”滩地下水工 程位于黄河京广铁路桥 花园口河段南岸滩地内 , 东西长 11 km ,面积约 28 km2 ,单排 (局部双排 ) 浅 ( 80 m ) 、中深 ( 80 150 m )井结合布置 46眼 ,其中浅井 28眼 ,井距 400 m ,设计开采规 模为 10万 t /
3、 d。该工程于 1995年建成投产 ,至今运行良好 ,社 会 、经济 、环境效益显著 ,为促进郑州城市经济建设的发展发挥 了重要作用 1 。郑州市位于黄河下游冲积扇顶部南翼 ,沿黄地下水丰富 、埋藏浅 、水质好 。同时 ,沿黄地下水含水层颗粒细 、 流速大 ,要求钻进技术高 、成井工艺复杂 。现结合郑州市开采沿黄地下水建设工程实际 ,谈谈开采沿黄地下水凿井工程气举反循环钻进技术的应用 。于低能系统的钻进方法 (空压机的额定风压一般在 1 M Pa 左右 ,风量也不大 ) ,与其他钻进方法相比 ,还有功率消耗低的优 点等 。1. 2 应用( 1 )钻进 。黄河郑州段“九五 ”滩地下水凿井工程 (
4、中深 井 )采用气举反循环钻进在浅孔段 ( 15 m )效率较低 ,采用正 循环钻进浅孔段 ; 15 m 以下采用气举反循环钻进 ,先用 250 m 合金钻头钻进引孔 ,后分级快速扩孔成孔 。钻进参数以中钻 压 ( 2025 kN ) 、中低转速 ( 70 120 r /m in ) 、中风压 ( 0. 45 0. 90 M Pa) 、中 高 沉 没 比 ( 0. 60 0. 95 ) 和 中 风 量 ( 5 10 m3 /m in)为主 。钻进钻具组合为 (由下至上 ) : 250 mm 六翼 合金钻头 + 12 l mm 钻铤 + 89 mm 钻杆 +混合器 + SHB -127 /87m
5、m 双臂钻杆 +双臂主动钻杆 +气水龙头 ; 扩孔工具组 合为 (由下至上 ) : 350、500、650、750 mm 六翼合金钻头+ 12 l mm 钻铤 + 89 mm 钻杆 +混合器 + SHB - 127 /87 mm 双臂钻杆 +双臂主动钻杆 +气水龙头 。( 2 )钻进冲洗液 。气举反循环钻进采用低固相泥浆作冲洗液 ,其具有黏度低 、密度小 、固相颗粒少 、固孔壁作用快 、渗透性 好 、可实现钻孔的快速堵漏、携屑排屑能力强 、易洗井等特点 , 同时可 缩 短 倒 风 管 时 间 , 提 高 钻 进 效 率 。泥 浆 配 制 为 : 水( 89. 0% 93. 8 % ) + 黏
6、土 粉 ( 5% 8% ) + 纯 碱 ( 0. 5 % 1. 0% ) +烧碱 ( 0. 5% 1. 5% ) +水解聚丙烯酰胺 ( 0. 2% 0. 5% ) 。性能控制如下 : 体积质量 , 1. 02 1. 10 kg /m3 ; 黏度 , 1822 s; pH 值 , 910; 失水量 , 20 30 mL / h ( 0. 7 M Pa) 。冲洗液 循环系统由一个沉淀池 、一个泥浆供给池及循环槽构成 ,池规 格为 6 m 5 m 2 m ( 2个 ) ,槽规格为 10 m 0. 8 m 1 m。钻 进过程中泥浆靠自身流动性流入孔内。1 气举反循环钻进技术应用1. 1 原理及优点气举
7、反循环钻进是我国 20 世纪 90 年代引进推广的新型 钻进技术 ,是利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后形成的低 密度气液混合物 ,以较高速度向上流动 ,从而将孔底的岩屑连续不断地带出地表 。黄河郑州段“九五 ”滩地下水凿井工程(中深井 )首次采用气举反循环钻进技术施工 。 实践表明这种钻进与常规的正循环 (或泵吸反循环 )钻进方法相比有如下优点 : 气举反循环钻进空压机的工作介质是 空气 ,钻进可靠性高 ,与泵吸反循环钻进中所用的泥浆泵 、砂石 泵相比 ,事故明显减少 ; 气举反循环钻进时 ,钻具内各处均不 存在负压 (压力都不大于 0. 1 M Pa) ,不会因钻具密封不良而不 能工作 ,
8、也不存在气蚀损坏水力机械现象 ,而泵吸反循环钻进 时 ,钻具内处于负压状态 ,如果钻具密封不严出现漏气现象 ,则 会导致冲洗液停止循环而不能继续钻进 ,严重时甚至可能造成 事故 ; 气举反循环钻进不仅可以在孔内未完全充满液体 (只 要孔内有稳定水位 )的条件下工作 ,而且可以钻进中深孔和深 孔 ,这种情况下泵吸反循环则很难实现 ; 气举反循环钻进属收稿日期 : 2006 07 26作者简介 :顾孝同 ( 1954 ) ,男 , 河南郸城人 ,高级工程师 ,河南省建设工程质量监督总站副站长 。71第 8期顾孝同 :沿黄地下水凿井工程气举反循环钻进技术应用( 3 )冲孔 。气举反循环泥浆钻进至设计
9、孔深后及时冲孔 ,由于孔内泥浆黏度大 , 含砂量较高 ,因此应及时向孔内注入钻 进配制的泥浆 ,替换出孔内的原有泥浆 ,以保证下管过程中孔 内泥浆不产生岩屑沉淀 ,使井管顺利下到预定位置 ,同时防止 堵塞滤水管的孔隙 。换浆一般以孔口返出泥浆和送入孔内泥 浆的性能接近时为宜 ,时间为 4 6 h。换浆冲孔过程中 ,保持 泥浆性能逐渐由稠变稀 ,防止泥浆性能突变 ,导致粗颗粒沉淀 或孔壁坍塌 。同时要经常转动钻具 ,以防泥浆在孔内上返时产 生“串流 ”现象 ,影响换浆效果 。( 4 ) 下管 。选择井滤管质量要求 : 抗拉强度不小于 150N /mm2 ,弯曲公差不大于 2. 5 mm /m ,
10、 内外径公差不大于 1 mm ,内壁不得有沟和铸瘤 ,外壁水纹深度不得超过 2 mm ,铸瘤 高度不超过 3 mm ,在每端丝扣长度内砂眼数量不得超过 3 个 并不得连通 。缠丝间距 0. 75 1. 00 mm ,孔隙率不小于 20 % 。 选定邯郸铸铁井滤管 (国标管 ) 。下管方法 :因供水井成井较浅( 150 m ) ,管柱总重量小于升降机 、钻塔等设备起重能力和井 管自身抗拉强度 ,故采用一次提吊法下管 。下管操作的程序 , 一般同常规下管方法 。下管过程中应稳拉 、慢放 , 严防紧急刹 车 ;下管遇到阻力时不得猛墩 , 下到滤水管时应保持井滤管内 外泥浆压力平衡 ,以防止挤破缠丝滤
11、网造成大量进砂 。扶正器 为木质 (规格为 350 mm 50 mm 150 mm ) ,在距两端 80 mm 处钻孔穿铁丝固定于井管接头处 ,每组 4 块 ,并依实测地层资 料安装在比较稳定的黏土层和亚砂土层 。( 5 )填砾 。砾料选用直径 13 mm 浑圆度较好的石英砂 , 严禁使用尖角碎石 ,不合格砾料含量不能超过 10% 15 % 。填 砾方法 :泵吸反循环施工的浅孔因使用清水钻进 , 故采用静水 填砾 ;气举反循环泥浆钻进 ,孔较深 ,孔壁泥皮较厚 ,采用泵压 法填砾。填砾速度一般控制在 1015 m3 / h,砾料一次填完 ,中 途不能停歇 ,以免造成砾料分选和孔壁坍塌 ,填砾厚
12、度达 187. 5 mm。( 6 )止水 。止水材料 : 黄河郑州段“九五 ”滩供水工程 46眼供水管井 ,设计与实际均需要永久隔离地表水渗透 ,故选用 经济 、耐久 、性能可靠的优质黏土 (取自密县侯寨 ) 。止水方法 : 黏土球和黏土碎块围填止水 ,止水位置在 0 14 m 左右 ,黏土 球加工采用黏土加黏土粉混配 ,揉实风干 ,直径 15 40 mm 不 等 ,投入速度不宜太快 ,以防架桥堵塞 ,以大小不同规格混杂投 入 ,以缩小黏土球间的空隙 ,投完黏土球后 (投入黏土球高度 4 m 左右 ) ,上部投入黏土碎块 ,以使其遇水溶化后充填黏土球间 空隙 ,增强止水效果 。( 7 )洗井
13、。先采用空压机洗井 , 排出管内泥浆直至变清 。80 m 以上井段采用具有强力破壁兼排浆作用的活门抽筒活塞 升降机单绳提拉 ; 80 m 以下井段用双盘胶皮活塞钻杆提拉 ,空 压机 、大泵量深井潜水泵交替进行 ;洗井顺序自上而下 ,直至水 清砂净 。洗井后 ,经试抽单位涌水量均无反常现象 , 含砂量均 小于 1 106 。2 气举反循环泥浆钻井工程质量经检测和抽水对比验证 ,钻孔倾斜度每百米不大于 1,含砂量不大于 1 25 000 (合同 ) ,单位涌水量增大不超过 5 % ,动 水位升降不超过水位下降值的 1% 。最大降深的稳定流抽水试 验表明 ,降深值不超过设计要求 (最大降深 15 m
14、 ) ,稳定时间大 于 24 h;单井日出水量 (设计降深 ) 2 400 m3 ,各项指标都达 到或超过设计精度 。3 主要技术经济指标及效果分析3. 1 主要技术经济指标对比钻探主要技术经济指标综合反映了生产水平和技术水平 ,主要技术经济指标对比见表 1。表 1钻探主要技术经济指标钻孔深度 /m钻孔数 /个工作量 /m台月数 /个台月效率 / (m /台月 )钻月数 /个钻月效率 / (m /钻月 )平均时效 / (m h - 1 )开动钻机 /台钻进方法泵吸反循环气举反循环 正 循 环80. 00 80. 0580. 29 144. 09112 15 l15591 204. 38525.
15、 231 087. 680. 960. 502. 581 254. 561 055. 46421. 602. 301. 206. 21523. 64437. 69175. 154. 924. 272. 4 l3233. 2 效果分析( 1 )正循环钻进 。大口径水文水井钻探施工中 , 正循环钻 进泥浆携带岩屑 ,钻杆与孔壁间隙大 ,液流上返速度小 ,经计算 孔径为 750 mm ,钻杆直径为 89 mm (外径 ) , BW 600 /30 往复泵 进行循环 ,其上返流速仅 0. 023 m / s,远远低于冲洗液携带岩屑 流速的下限 ( 0. 4 m / s) ,这样岩屑不能及时排出 ,钻进
16、时发生重 复破碎 ,井内阻力大 ,钻进效率低 。正循环钻进共完成 9 眼井 , 成井进尺 1 087. 68 m ,平均时效 2. 41 m。( 2 )气举反循环钻进 。泵吸反循环钻进和气举反循环钻进 携带岩屑的冲洗液沿钻杆内土返到地面沉淀池 ,以较大流量获 得较高的上返流速 ( 1. 22. 8 m / s) ,排屑能力大 ,钻进时不发生 重复破碎 。泵吸反循环钻进共完成 15眼井 ,成井进尺 1 024. 38 m ,平均时效 4. 92 m;气举反循环钻进共完成 5 眼井 ,成井进尺525. 23 m ,平均时效 4. 27 m。与正循环钻进相比 , 时效提高0. 781. 04倍 ,综合成井效率提高 1. 5 2. 0 倍 ,其技术经济效 果十分显著 。因此 ,开采沿黄地下水凿井工程施工应优先选用 气举反循环低固相泥浆钻进工艺 。该工程 1996年被评为国家地质矿产部优秀工程勘察一等 奖 , 1999年被评为河南省城乡建设优秀勘察设计一等奖 。1995 年建成以来的抽水运行证明 , 气举反循环泥浆钻井工程质量 优良 。参考文献 : 1 顾孝同. 开采沿黄地下水的环境影响预测及防治 J . 中 国勘察与岩土工程 , 2000 , ( 5 ) .【责任编辑翟戌亮 】