地下水勘探钻进关键技术运用

  1.项目概况

  某水利枢纽中心，周边区域范围内降水稀少、生态环境脆弱、水资源长期短缺，已成为制约当地区域经济发展和生态环境保护的重要因素之一；该水利枢纽中心的建设，能够为区域经济发展与建设提供有效可靠的水资源支撑。建设期间对场地进行的地下水勘查项目中，通过采用先进的地下水勘查钻探技术，先后施工完成了9眼80oITI～1000m深度范围的水文地质勘探孔，为掌握该区域地下水的情况获得了重要原始实测资料。

  2.场地地质条件

  该施工场地周围开阔平坦，海拔大致处于1300rn～1500m范围内，是典型的黄土塬区地貌。区域内地层时代跨度相对广泛，但主要以第四系、白垩系和寒武系分布最广，具体如下。

  1)寒武系：为浅红色及紫红色岩性的砂砾岩、石英砂岩，可见厚度约800m～1000rll。

  2)白垩系：白垩系在整个场地范围内均有广泛分布，以鲜红色粗砂砾红层和杂色岩石为主。

  3)第四系：第四系土层自下而上主要分布有风成黄土与河流冲洪积物，根据其相应的岩性特征及时代特性可将其依次分为：①风积黄土层，主要包括：马兰黄土、离石黄土、及午城黄土等，土层最大厚度约为260m。其中，马兰黄土层的岩性主要以土黄色和黄灰色的亚砂土为主，结构相对较疏松，垂向节理发育较好，发育有少许细小孔隙和裂隙；离石黄土层的岩性主要为淡红色和灰黄色的亚砂土和亚粘土为主，中间夹杂有少量的多层古土壤；午城黄土层的岩性主要以褐色、桔黄、桔红色的亚粘土为主；②冲洪积层，主要分布于区域范围内流经河流的河谷阶地和较深沟谷中，上部表层土层主要以粉土为主，厚度一般处于5m～10m，较深层土层则主要以圆砾、卵石层为主，厚度一般处于10rn～20m。

  3.关键钻进技术与工艺

  3．1设备选型与使用工序

  根据该区域地下水勘查钻孔设计深度和相应的地层结构特质，施工过程中选用的机械设备主要为：AS24—50型钻塔，TSJ一6／660B型钻机，BW一600／30型泥浆泵，NJ一600型泥浆搅拌机，发电功率为200kW的柴油发电机组。根据地下水勘查孔结构特点和钻孔施工定深取芯的要求，实际施工过程中采用的钻进工艺具体如下：采用直径为500mm的钻头进行开孔，待钻进土层至孑L深20m以上(以揭穿第四系土层为准)，再套人直径为gO426mm，厚度为9mm的钢管作为表层套管，同时安装好相应的井口防喷装置；再采用直径为d0250．8innl的三牙轮型钻头自上端固井段以下一直钻进至地下水勘查设计规定的深度位置。其中，施工过程中的定深取芯采样段采用直径为150mm的钻具进行取芯施工即可，抽水试验段需采用直径为dP374．5mm的扩孔钻具进行扩孔，之后插入直径为qb273mrtl，厚度为9lnn'l的无缝钢管进行永久性止水处理。

  3．2防喷装置安装

  由于该水利枢纽中心区域范围部分场地内的地下水承压水头相对较高，在勘查孔钻进施工的前期施工过程中，曾出现在钻进过程中钻孔内喷出的水头过高，影响正常的钻进施工，甚至由于喷出的水头过高水量较大而将钻孔施工场地附近淹没导致轻微沉陷的事故。为防止钻孔井喷事故的可能发生，在后期施工过程中专门安装了相应的简易防喷导流装置。实际安装时其具体要求如下：在套人上表层套管时将该防喷导流装置安装于井口，同时在装置两侧各接上一个直径中168mln，厚度为7mm的钢管至钻塔底座外，在距离钻孔口适当距离处安装配套闸阀，并采用PVC圆管或地沟将其中一个钢管接至离钻孔施工场地的排水出处；在另一个钢管的适当位置也接上闸阀，用作导流泥浆，以备钻孔过程中发生井喷关闭或作导流用。

  3．3加重泥浆的配置与使用

  在整个钻孔施工过程中，采用经过特定配置的加重泥浆，是防止钻进施工过程中发生井喷事故的重要措施之一。

  3．3．1基础泥浆的配置

  该项目实际实施过程中，采用了膨润土、水、纯碱和高粘度纤维素等材料专门配置了基础泥浆，其密度p为1．06g／cm3，基础泥浆配置时采用的粘土计算公式具体如公式(1)：W=V．P2(pl—p3)，(92一p)(1)其中：Pl=1．06g／em；pz=2．2g／em；P3=1．0m3。式中：w为施工时所需的粘土总重量，单位为t；V为施工时所需配制的泥浆总体积，单位为m3；p为施工时所需配制的泥浆密度，单位为g／era3；P2为采用的粘土密度，p为采用的水密度。

  3．3．2加重泥浆的配置

  将预先配置的密度p=1．06rn，的基础泥浆或孔内相应密度的钻孑L泥浆，通过另外添加适量的活性重晶石粉(或活性铁粉)，调至钻孔施工所需的泥浆密度，其外加重晶石粉或活性铁粉等材料的计算公式具体如公式(2)：Wo=Vo【Pz—p1)，(Pa-P2)(2)式中：w为应加入的重晶石粉或活性铁粉等加重剂的重量，单位为g；Vo为参与钻孔施工泥浆循环的液体总体积，单位为m3；p．为原浆密度，单位为g，cm]；P2为加重后的泥浆密度，单位为g／em；p，为加重剂的平均密度。其中，重晶石密度为4．20g，cm]，石灰石密度为2．73m3，铁粉密为7．86m。在施工时套入426×9的表层套管后，应采用密度约1．2m3的加重泥浆，并实时监测钻钻孔内循环流出泥浆的密度变化，并根据施工要求进行相应的调整。值得注意的是，待勘查孔钻进深度超过500rrI后的孔段钻进施工，其地下水压力相对更大，施工过程中更应加强对加重泥浆的使用。

  4.并喷的判断与处理

  4．1井喷的判断

  在地下水勘查钻孔施工过程中，出现井喷时主要包括以下情况。

  1)钻孔进人承压水钻进施工阶段，未及时发现循环泥浆出现的稀释现象，提钻过程中由于提钻引起了较大的抽吸力作用，有助于地下承压水的上升，引起井喷；或者发现循环泥浆稀释后但没有及时调整加重泥浆的密度和粘度，使得地下承压水喷出的水量不断增多，导致最后无法采取有效措施而引起的井喷事故。

  2)勘查孑L正常钻进过程中，循环泥浆没有达到设计的指标要求，即加重泥浆的密度作用没有抵消地下承压水产生的上升喷力作用而引起的井喷事故。

  3)勘查孔钻进施工完成后注水洗井导致井喷。因为洗井时注入了大量的净水，把加重泥浆变稀了，短时内无法压住地下承压水产生的上喷力而产生了井喷。

  4．2井喷处理措施

  1)在有较大地下承压水的深土层进行钻孔施工过程中，对加重泥浆的使用和泥浆密度及稠度的控制非常重要，应综合考虑机械钻进能力和设备钻进效率。加重泥浆密度一般的取用范围为1．2g，cm3～1I3m]。

  2)在地下水勘查孔钻进施工现场，储备密度为1I3rn3的加重泥浆至少5m，以应付钻孔施工过程中一旦发现井喷时，可及时将预备的重密度加重泥浆压人钻孔内，有效节约了泥浆的搅拌时间，防止在使用紧张的情况下搅拌泥浆未达到使用要求就注入孔内的情况。

  3)钻孔施工时一旦发生井喷，及时关闭井口安装的防喷导流装置，将喷出的地下承压水通过导流装置侧向引出，同时测算井喷水头高度和钻进深度，快速注入符合要求密度的加重泥浆，及时控制地下承压水导致的井喷现象。

  5.结语

  在该水利枢纽中心地下水勘查钻孑L施工过程中，形成并总结了一整套地下承压水勘查孔钻进施工工艺，特别是防喷导流装置的安装和加重泥浆的配置与使用，确保了后阶段钻孔施工过程的顺利完成，为该地区地下水资源的大规模开发和利用奠定了一定的应用基础。