石灰巖地區深水井施工工藝研究

王公遠 ，王念理 ，王成貴

（1.青州市抗旱服務站，山東 青州 262500；2.青州市水利局，山東 青州 262500）

青州市總面積1 569 km2，其西南部為石灰巖山區，面積占青州市總面積的52%，人口近30萬。為解決青州市山區鄉鎮的人畜吃水問題，多年來，先后打基巖深水井400多眼，根據多年鉆井施工經驗，總結了幾套不同地質條件下、基巖深水井施工的鉆井和成井工藝。本文以青州市南閆村520 m吃水井為例，僅就地下水位深、石灰巖含水層埋深大的地質條件下，深水井施工工藝進行論述。

1　地層及水文地質特征

1.1　地層情況

自上而下鉆孔穿透的地層：第四系褐色黏土和殘坡積碎石層；奧陶系下統厚層狀白云質灰巖和白云巖；寒武系上統、鳳山組中厚層微晶灰巖、薄層灰巖；寒武系上統、長山組薄層灰巖、薄板狀灰巖和灰綠色頁巖互層、竹葉狀灰巖和黃綠色頁巖；寒武系上統、崮山組薄板狀灰巖、灰綠色頁巖，中薄層玉白色石灰巖和少量紫色頁巖；寒武系中統、張夏組鮞狀灰巖、含生物化石碎屑的石灰巖；寒武系中統、徐莊組含云母紫色頁巖。

1.2　水文地質特征

奧陶系下統中厚層狀白云質灰巖、白云巖和寒武系上統鳳山組中厚層狀微晶灰巖和薄層灰巖，巖溶裂隙發育，巖石結構破碎，分布在鉆孔的上部地段，大部分在靜水位以上，循環水嚴重漏失，造成鉆井液無法形成正常循環。

寒武系上統崮山組中下段的玉白色石灰巖，地層厚度約55 m，寒武系中統張夏組鮞狀灰巖，地層厚度約50 m，是本鉆孔的兩個目的含水層。這兩個含水層分別埋深在360～415 m和450～500 m，由于埋深大，巖溶裂隙發育程度相對較差。其余地層為寒武系薄板狀灰巖、灰綠色和黃綠色頁巖及紫色頁巖，是相對隔水地層。

2　供水井設計和鉆井要求

2.1　供水井設計

根據本地區地層情況和水文地質特征，設計孔深520 m，第四系覆蓋層鉆孔直徑500 mm，鋼管護壁直徑325 mm。覆蓋層以下至250 m，鉆孔直徑273 mm，250～520 m鉆孔直徑219 mm。

2.2　鉆井要求

表層套管進入完整巖石不少于1m，下入表層套管后用水泥固井，以防地表水滲人；下部地層裸眼成井，為了避免過多的巖粉堵塞目的含水層的巖溶裂隙，采用巖芯管鉆具清水正循環鉆進成孔。

2.3　施工設備

為了滿足施工工期和鑿井深度的要求，鉆機選用STJ-1000型水源鉆機，配套BW-850泥漿泵，φ89 mm 鉆桿，φ500 mm 刮刀鉆頭，φ325 mm、φ273 mm和φ219 mm巖芯管鉆具及相應規格的取粉管，200QJ25-195/25和200QJ32-195/30抽水試驗潛水電泵，JGS-1B測井儀及自然電位、電阻率和自然γ探頭等相應的配套設備。

3　鉆進工藝

3.1　鉆具組合結構

從下至上，巖芯管鉆頭（鉆具）+取粉管+φ89mm鉆桿+方鉆桿。為了保障鉆孔的垂直度，巖芯管鉆具的長度選在6～8 m，選用和巖芯管同徑的取粉管。

3.2　鉆進參數

采用清水正循環取芯鉆進。上部白云質灰巖、白云巖和石灰巖地層，巖溶發育，巖石結構破碎，采用巖芯管合金鉆頭鉆進；下部薄層灰巖、薄板狀灰巖、頁巖地層及目的含水層的石灰巖地層，采用巖芯管鋼粒鉆進。鉆壓選擇在30～40 kN，轉速69～110 r/min。正常鉆進時，送水量的大小按照不同的巖性、不同的巖芯管鉆頭類型、投鋼粒的多少進行相應的選擇。

3.3　清水鉆進

因為鉆孔上部、靜水位（85 m）以上段碳酸鹽巖石地層，巖溶發育，巖石結構破碎，鉆井液嚴重漏失，造成整個鉆孔無法形成鉆井液的正常循環，所以，采用了限泵量供清水鉆進工藝，即限泵量清水鉆進一段時間（或巖石段），再全泵量供水將巖粉沖入取粉管，如此循環鉆進，這樣既節約了用水量，又可以保持孔底干凈。提鉆取芯時，同時把取粉管中的巖粉沖洗干凈。取出的巖芯按順序排列整齊，標注好巖芯的取出深度，并及時記錄并描述巖芯的巖性和水文地質特征。

4　成井工藝

4.1　物探測井

鉆穿目的含水層，并加深鉆進5%左右的沉淀孔后終孔，終孔后進行物探測井，測量自然電位和視電阻率兩個指標，目的是為了更準確的判斷目的含水層上下底板的深度，同時結合取出的巖芯情況，發現或驗證其他遠景含水層的厚度及位置信息等。

4.2　混凝土護壁工藝的應用

在鉆鑿上部奧陶系和寒武系碳酸鹽地層時，由于巖溶發育，巖石結構破碎，47～86 m段掉塊、坍塌嚴重，嚴重影響了正常的鉆井施工，采用混凝土護壁方法，成功解決了此難題。混凝土護壁指在基巖深水井鉆井施工中，遇到嚴重掉塊或坍塌時，采用直接投料法或導管投料法，將一定強度等級的速凝混凝土灌注到掉塊或坍塌段的空間內，待混凝土初凝后透孔鉆進，在原掉塊或坍塌段形成完整混凝土井壁。

4.3　鹽酸洗井法

由于本次鉆井采用了清水鉆進工藝，無需再用常規辦法進行洗井。考慮到目的含水層埋深大、巖溶裂隙發育程度相對較差，加之鉆井過程中碳酸鹽巖粉對含水層裂隙可能造成部分堵塞的情況，在第一次抽水試驗后又進行了鹽酸洗井。通過鉆桿向鉆孔內的目的含水層和兩處巖心結構破碎的遠景含水層，分別注入30%的稀鹽酸溶液，為了防止稀鹽酸與輸液管、鉆桿等的化學反應，在30%稀鹽酸中事先摻入福爾馬林溶液保護劑。稀鹽酸與該孔段裸露的石灰巖及其滲入石灰巖裂隙中的細小石灰巖顆粒發生化學反應，形成易溶的CaCl2和CO2，清除石灰巖裂隙中的充填物。在第一次抽水試驗后使用30%鹽酸5 t，靜止20 h后再進行第二次抽水，出水量由原來的20 m3/h增加到了25 m3/h。

5　結論

1）在泥頁巖和石灰巖地層為主的山區，石灰巖含水層埋深較大時，溶孔、溶洞或巖溶裂隙發育程度相對較差，出水量較小。在這類地層中鑿井時，采用清水正循環巖芯管取芯鉆進工藝施工，可以有效地控制含水層的巖溶裂隙被堵塞的程度，能夠最大限度地保障含水層的出水量。

2）鉆具組合采用巖芯管+取粉管的形式，鉆進過程中采用限泵量清水鉆進，全泵量沖孔取粉的方法，有效地節約了施工用水，同時保障了孔底的干凈，減少了事故發生率，提高了鉆進效率。

3）在鉆孔的嚴重掉塊或坍塌地段采用混凝土護壁工藝，解決了因嚴重掉塊或坍塌地層無法正常鉆進施工的難題，防止了施工中卡鉆、埋鉆事故的發生，保障了成孔質量。同時減少了（和鋼管護壁相比）護壁費用，提高了經濟效益。

4）采用鹽酸洗井工藝，有效地清除了含水層和遠景含水層裂隙中的充填物，同時使石灰巖含水層中的導水裂隙和孔隙被溶蝕擴張，含水層中的水路變得更加暢通，有效地增加了出水量，提高了成井率。