摘 要：该文在结合区域地质及水文地质状况、钻井工程特点及难点情况下，通过优化水井成井工艺，严格控制成井工艺中换浆、破壁、下管、填砾、止水、洗井、下泵、抽水试验等重要工作环节，合理使用钻头及冲洗液，并对关键技术点进行了控制，有效地预防了复杂地层容易发生的孔壁坍塌、掉块、挤、卡钻事故，取得了良好的环境及经济效益。
关键词：监测井 工程特点 工艺设计 钻探技术
中图分类号：P64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0049-03
Drilling Technology of Large Diameter Underground Water Monitoring Well in the Middle of Inner Mongolia
Li Chunsheng
（The Ningxia Hui Autonomous Region Institute of Geology and mineral resources，Yinchuan Ningxia，750021，China）
Abstract：This paper combined with regional geological and hydrological and geological conditions，drilling engineering characteristics and difficulties，through the optimization of well drilling technology， strictly controlled in well drilling technology for pulp，broken，pipe，filling gravel，sealing，wash wells，pumps，pumping test and other important aspects of the work，the rational use of the bits and flushing fluid and the key technical points control，effectively prevent complex formation of the hole wall collapse，dropping block，squeeze，sticking accidents，and achieved good economic and environmental benefit.
Key Words：Monitoring well；Engineering characteristics，Process design；Drilling technology
内蒙古地下水监测井工程是为适应新形势下地下水资源管理的要求。内蒙古自治区水利厅根据全区地下水动态监测实际情况，在现有监测网络基础上进一步完善监测体系，建立科学、合理、功能齐全的地下水监测井网，及时掌握自治区地下水超采区、供水水源区、生态脆弱区以及水资源管理和保护重点区等地下水动态变化特征，为地下水资源的科学管理、合理利用和及时保护提供准确全面的基础数据。根据施工设计，笔者单位在内蒙古中部乌兰察布市凉城县岱海周围施工了若干眼监测井，以掌握岱海及其周边地下水补排情况、满足中长期地下水监测的任务。在钻探施工中，遇到了基岩上覆第四系复杂地层，如卵石层、松散风化破碎坍塌、掉块、漏水层等情况，该文主要结合该钻探工程施工控制技术，总结了钻探技术经验，以期为相似钻探工程提供可借鉴的技术对策。
1 水文及地质概述
1.1 地质条件
凉城县呈北东向展布于蛮汗山系与马头山系之间，由于刘家夭-双古城及新堂东新断层，形成地堑式断陷盆地。出露的地层主要有太古界桑干群的古老变质岩系地层、上覆古-新近系地层、第四系地层。
太古界（Ar）：为一套深变质的片麻岩系地层，岩性主要为含矽线石、石榴子石的花岗片麻岩，其间在不同地区穿插有辉绿岩、石英岩等新老岩脉。该套地层的出露，受岱海盆地主控断裂的控制，沿SW-NE向呈条带状展布。古-新近系地层（N+E）：以大面积的玄武岩为特征，局部地区有残积红土出露。
本内第四系（Q）地层成因类型复杂，包括如下。
上更新统（Q3al+pl）：分布于盆地周围河谷地带，构成沿河流出山口冲洪积扇，岩性以砂砾石层、卵石层与粉土、粉质粘土层互层为主，分布在河流两岸阶地地带，岩性为粉质粘土、粘土夹砂砾石透镜体，大孔性和垂直节理发育，可见厚度20～30 m。
全新统（Q4opl）：坡洪积层，分布于山前地带，形成坡洪积裙，岩性为粉土、粉质粘土夹碎石，角砾等。
1.2 水文地质条件
该区的区域水文地质条件主要受气候、地貌、岩性、构造及地理环境控制，尤以地质构造控制作用更为强烈。该区受新构造运动的影响，在古近系以来明显的差异性升降运动中，形成了封闭的内陆岱海湖盆。
岱海盆地呈北东向展布于蛮汗山系与马头山系之间，由于刘家夭-双古城及新堂东新断层，形成地堑式断陷盆地，周边主要的含水层为砂卵石、中粗砂，粉砂，由盆地边缘向湖滨颗粒逐渐变细。地下水位由深而浅，由50 m而渐变到小于2 m，由潜水逐渐变为承压水。湖积淤泥质粘土层为良好的隔水层，在滨湖地带形成自流水。在盆地东北部的庆福店、下毫庆苏木一带山前洪积扇的中上部含水层为卵砾石，在60 m的深度内有2～3个含水层，地下水不具承压，一般水位埋深15～40 m，水量丰富。围绕岱海近湖滨地带的麦胡图乡、北部三苏木乡义和村、新堂等地为古岱海的边缘沉积地带，含水层为第四系中粗砂、卵砾石，地下水比较丰富，而岱海南部城卜子一带，下部为古岱海之湖积物，上部为洪积物较薄，地下水不丰富。盆地四周的基岩裂隙水是盆地潜水、承压水的补给区。岱海湖是地下水和地表水的共同汇集区，由此形成一个完整的补给、径流、排泄系统的闭合盆地水文地质单元。
2 工程特点及技术难点
监测井施工设计井深为60 m，由于上覆盖层成因复杂，主要由山前洪积物及河流冲积物及砂质粘土混合构成，卵砾石层分布较广，结构松散，岩土胶结性较差，其中卵砾石及砂层容易出现坍塌，出现“大肚子”现象，水敏性硬塑粘土容易缩颈。在钻井施工中极易发生孔壁坍塌，挤、卡钻等现象。
施工区位于岱海周边，地下水资源较为丰富，水文地质情况特殊，钻进工程中可能发生地下水漏水或涌水情况。
复杂地层岩性及地下水造成效率低，事故多，造成钻探成本增加。许多泥浆含有油、化合物等，如果采取的钻井液成分含量较大则污染地下水，对地下水监测不利。
3 钻井工艺设计
3.1 钻探
该项目钻进施工采用Φ400 mm螺旋钻头泵吸反循环清水钻进成孔至设计孔深，在粘土层钻进时，适当加快钻进速度，到砂层后考虑到砂层不易造泥浆，则放慢钻进速度；砂卵碎石层钻进时，旋转钻机进尺不明显，改换备用的压轮钻头和套筒钻头，提高钻进速度。钻进过程中，孔内必须保持稳定的水位，缺水时需及时补水，以维持孔内水头差，以防坍孔。并用捞筛捞取钻碴作地层岩性鉴别，核对设计地质资料。
钻进至设计深度时立即进行水文物探视电阻率测井，测井深度不小于设计深度。通过视电阻率法测井进一步确定地层岩性，从而确定含水层及需止水的位置，为后续的排管及成井提供准确依据。
3.2 井管配置与安装
根据钻进中取得的地层岩性便路资料及电测井结果，核定监测井井壁管、过滤管、沉淀管的长度和下置位置。该工程采用 Φ200 mm球墨铸铁井管，下管方法根据管材强度、下置深度和起重设备能力等因素，采用提吊下管法，提吊下管时稳拉慢放，如遇到阻力，不得猛墩或压入，避免井管损伤或造成井管弯曲变形。
井壁管安装在监测井的顶部，均采用实管。井壁管高出监测井附近地面300 mm。沉淀管安装在监测井的底部，均采用实管，底部进行封底。沉淀管长度为3 m。滤管介于井壁管和沉淀管之间，含水层全部安装过滤管，均采用缠丝包网过滤器。滤水管的开孔率管为25%～30%，开孔方式为圆孔且呈梅花形排列。
井管的连接做到对正接直、封闭严密，井管采用焊接连接，焊口处需设加劲钢板，焊逢必须平整、无砂眼及夹渣，焊接过程中要保证管材同心、垂直。焊缝必须牢固，满足抗拉要求并不得加有沙眼，要确保焊接质量。为保证井管垂直、同心、防止靠壁，在滤水管的中、下部位，分别安装导正器。过滤器安装位置的上下偏差不超过300 mm。井管的顶角偏斜不超过1°。
3.3 填砾、封闭和止水效果检查；
（1）井管安装到位后，根据地层岩性，滤料选取粒径1～3 mm磨圆度良好的砂和砂砾石，滤料自钻进深度处充填至滤水管顶端以上10 m处；填砾时必须连续、均匀、速度适当，严防棚堵，随时观测填砾的实际高度，核对数量，滤料不含土和杂物。
（2）选取半干状粘土球，对止水层段进行封闭止水，止水厚度为5 m。通过测量管内外水位高度进行止水效果检查，确保止水效果可靠。
3.4 固孔及洗井
填砾至设计高度经止水检查合格后，将止水部位以上的孔段用粘土球彻底封死、填实，防止机井在使用过程中出现地面塌陷或地表水渗入。
洗井及井底沉淀物厚度均小于规范要求。
3.5 抽水试验
按照设计要求对该孔进行抽水试验。抽水试验采用单孔稳定流抽水试验，此次抽水试验进行3次将深。（其中最大降深值可接近孔内的设计动水位，其余2次下降值分别为最大降深值的1/3和 2/3）。抽水试验时，动水位和出水量观测的时间，在抽水开始后的第5、10、15、20、25、30 min各测一次，以后每隔30 min测一次；抽水试验的稳定延续时间符合（卵石、圆砾和粗砂含水层为8 h）；水位的观测，在同一试验中采用同一方法和工具。此次抽水孔的水位测量读数到厘米；出水量采用1 m3的三角堰箱，测堰口水珠高度。
4 关键施工技术与控制措施
4.1 钻探设备选择与事故处理
建国以来，我国的水井钻探工艺及设备已经有了长足的进步， 但受制于体制及成本制约，目前许多钻探施工仍以硬质合金或刚粒钻进、泥浆正循环洗井的传统工艺为主。许多施工均采用“小径钻、大径扩” 的施工方法，该方法费时费力，且泥浆洗井工艺，需水量大，在旱区只能靠运水钻进。此次工作区水井钻探的钻孔口径大， 所钻地层多为第四纪的松散卵砾石层、砂砾石层以及砂土、粘土、砂等地层。施工采用了SPJ-200反循环钻机，其优点是： 排粉效果好，速度快，钻井效率高；口径和深度匹配性较好；在复杂层、卵砾石层钻进效率较高。其中，扩孔钻头应具有超前导向结构，在第四系及松软地层扩孔，宜选用螺旋翼片钻头；在卵砾石层和基岩中应选用牙轮钻头。扩孔钻压：在第四系砂土地层为 0.25～0.5 kn/cm，粘土层为0.3～0.6 kn/cm。扩孔线速度：粘土层为1.5～2.5 m/s，砂土层为1.5～2 m/s。在扩孔钻井中采用大泵量扩孔，冲洗液上返速度保持大于0.1 m/s。采用Φ400 mm螺旋钻头泵吸反循环清水钻进成孔时，粘土层钻进时，加快了钻进速度，到砂层后考虑到砂层不易造泥浆，则放慢了钻进速度；砂卵碎石层钻进时，旋转钻机进尺不明显，改换备用的压轮钻头和套筒钻头，提高了钻进速度。
在个别孔钻进时遇卡钻现象，发现钻具回转遇阻时，立即上下活动钻具，使得钻杆不抱死，并送入冲洗液，坚持半小时后成功解决。
由于地层较为复杂特殊，造成钻孔孔壁坍塌是常有的事情，在几个钻孔发生坍塌情况均有前兆，即岩心破碎、松散，钻进时泵压异常，孔内回转阻力增大，严重的出现憋泵现象。立即提高冲洗液的浓度，加入防塌、护壁性能较好的处理剂，不断小幅变换泵量进行泥浆循环，进行排渣护壁，后循环数小时后，恢复正常钻进。
此次施工钻孔出现涌漏水是常见的，涌水发生时，由于地下水的入侵，泥浆性能被破坏，护壁功能丧失，引起孔壁的坍塌。处理方法采用加大泥浆密度、水泥灌注封堵，在加大泥浆密度无效的情况下，用灌注水泥浆的方法处理。漏水时，在水泥浆液中加入惰性材料，减少大裂隙地层堵漏浆液的漏失。并在孔内钻杆提出后，对上主动钻杆，泵入适量的清水或泥浆，憋压治涌水泥浆液一夜后再进行扫孔便可成功。
4.2 钻井液选择及其特点
在松散复杂地层中钻进，目前沿用高固相细分散性泥浆为主要的冲洗介质。这种洗井介质会造成一些弊病，水文凿井时在井壁上形成泥皮，影响含水层的出水，洗井不彻底有可能会影响含水层的判断；此次Φ400 mm大口径凿井，排粉效果低下，在卵砾石层有涌、漏水的可能；高固相泥浆的配备操作要较高，一旦操作不好，造成事故，延长成井周期，增加成本，降低了效率。传统的固相细分散泥浆不能完全满足水文水井钻进的需要，因此要在固相细分散泥浆基础上维持加重泥浆体系的稳定，从而保持泥浆压力钻孔围压平衡，又要有利于钻粉排除，保证安全钻进。此次使用延安某公司生产的光谱护壁剂Ⅲ型，适量加入高粘防塌剂和高粘堵漏剂。在漏水严重时加入膨胀堵漏王，有效地解决了钻井液问题。
5 结语
内蒙古地下水资源的监测与保护凿井工程以钻井施工为主体工程，需要先进的钻探装备及技术经验。针对内蒙古中部环岱海周边复杂地层特点，在钻井施工中采用反循环钻机，空气洗井钻井法及合适的冲洗液工艺，取得了预期的效果。证明该设计施工工艺及钻探技术能够满足地下水监测凿井技术要求。
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