巖土工程地質勘查中水文工程地質問題研究

李成林,羅其海,敖書賽

(湖北省地質局第二地質大隊,湖北 恩施 445000)

0 引言

隨著巖土工程數量與規模的不斷提升,對巖土工程地質勘查環節也提出了更高的要求。水文工程作為地質勘查中的關鍵組成部分,與整體勘查之間有著緊密的關聯性,故在巖土工程施工前必須做好水文工程的地質勘查,對工程所在地區的水文環境進行精準高效的分析,明確工程地區環境基礎,為后續施工建設提供堅實的保障。針對不同的水文工程地質問題,應制定不同的解決方案,明確施工技術及流程。巖土工程地質勘查是針對工程項目實際開展的位置進行地質條件的調查勘測,分析其中存在的地質問題,對可能給工程項目造成的負面影響進行分析,為工程施工建設提供基礎保障[1],工作內容比較復雜,包括地質測繪與勘探、土樣試驗、現場檢測及原位測試等,涉及水文地質、支護結構、工持地質及巖土力學等知識,需要結合工程地區的實際情況制定完善的科學方案。

以某巖土地質勘查工程為例,指出了其中的水文工程地質問題,明確地區礦區儲量及上部含水層的水文地質環境,利用水文地質鉆探及降壓試驗等手段進行數據收集與分析,對礦層厚度及頂底板位置情況進行探究,為礦區儲量計算分析提供數據支持,為地質環境的勘測評價提供支持。

1 水文工程特征要求及難點

1.1 地質特征與要求

工程鉆探設計及底層結構特征情況如表1所示。

表1 鉆探設計及底層結構特征情況Tab.1 Drilling design and underlying structure characteristics

工程地質要求如下:①水文地質勘查的主要目的是第7組鉆進施工結束后進行降壓試驗,在獲得水文地質相關數據后再展開礦層鉆進施工。②孔深設計為950 m,淺部碳酸巖層孔段的孔徑控制在φ21.9 cm以上,下管進行止水處理。第7組孔段的孔徑控制在φ12.2 cm以上,最終孔的孔徑控制在φ7.5 cm以上,控制鉆孔的彎曲度在1°/100 m以下。各礦層進行連續取芯操作。③地質勘察段的采取率控制在70%以上,取芯率控制在85%以上,礦層底板與頂部的3～5 m對應的取芯率控制在80%以上。

1.2 施工難點

礦層上部孔段深度與孔徑較大,鉆桿與孔壁環狀間隙較大,鉆桿在運行過程中容易發生折斷問題,需要利用復合型鉆進工藝技術進行鉆進施工,其中包括繩索取芯鉆進技術、牙輪/PDC鉆頭鉆進技術及空氣潛孔錘鉆進技術等。水文工程勘察與底層結構比較復雜,深度及孔徑較大,對于取芯率要求較高,利用單一的巖芯鉆機或水井鉆機無法保障工程施工需求。工程地質條件比較復雜,工程設計標準較高,需要鉆孔結構具有多級變徑功能。

2 水文工程案例分析

2.1 鉆孔結構與鉆探設備

鉆孔結構。依據地質設計要求與水文工程地質勘查、鉆進揭露底層結構及巖土工程地質勘查施工規范等內容,選用的鉆孔結構如圖1所示。

圖1 鉆孔結構Fig.1 Borehole structure

地表管深度控制在0～9.17 m,孔徑設計為φ31.1 cm,主要功能是打通第四系結構進入穩定巖層,鉆進深度在3.17 m內,下部直徑φ為27.3 cm×0.6 cm的套管,使用水泥進行止水固結處理。一開深度控制在9.17～325.94 m,孔徑設計為φ24.5 cm,主要功能是鉆進第4組的粉砂巖隔水層結構,鉆進深度在5.94 m范圍內,下部直徑φ為21.9 cm×1 cm的型號為J55的石油套管,使用水泥材料進行止水固結處理,避免上部巖層裂縫中的水流進孔內,對勘查目的層結構的水文地質參數造成干擾。二開深度控制在325.94～882.85 m,孔徑設計為φ17.8 cm,主要功能是鉆進第6組的頁巖結構,進而進入第七組白云巖結構,鉆進深度在9 m范圍內,下部直徑φ為14.6 cm×0.75 cm的型號為J55的石油套管,使用水泥材料進行固井護壁處理。三開深度控制在882.85～985.43 m,孔徑設計為φ12.5 cm,鉆進深度達到985.43 m時展開洗井處理及降壓試驗。四開深度控制在985.43～996.16 m,主要功能是為取芯技術進行試驗操作,孔徑設計為φ11.4 cm。五開深度控制在996.16～1065 m,主要功能是為繩索取芯鉆進技術進行試驗操作,孔徑設計φ7.75 cm。

鉆探設備。利用XY6鉆機與TSJ2000鉆機進行鉆進施工,最大鉆進深度分別為1500 m、2000 m。其余輔助設備如下:型號為BW-500和BW-320的泥漿機各1臺;型號為壽力1400和XHP1170的空壓機共3臺;型號為BW250的泡沫泵1臺;規格為150 kW和200 kW的發電機組各1臺;型號為HS27-75的鉆塔1部。

2.2 施工六法及參數

牙輪鉆進施工,表層段的深度在9.17 m左右,主要利用直徑為31.1 cm的牙輪鉆頭進行施工。

一開段的深度在9.17～320 m,主要為灰巖與白云巖,具有巖溶裂縫相對發育且含水量較高的特點。為了保證施工效果,提高鉆孔速度,防止因裂縫因素導致井漏問題,利用直徑為24.5 cm的空氣潛孔錘進行鉆進施工,利用2臺或3臺空壓機(功率為2.4 MPa)進行組合送風,利用塔式鉆具進行輔助施工[2],具體鉆進參數如下:鉆孔速度為48 r/min;送風量為66 m3/min或99 m3/min(結合施工時的具體情況合理選擇),風壓控制在1.1～2.4 MPa,鉆進壓力控制在10～20 kN。

二開段的深度為325.94～882.85 m,主要為具有較高的水敏性及孔壁穩定性能較差的泥巖、粉砂巖及碳質泥巖結構,利用直徑為17.78 cm的PDC鉆頭進行鉆進施工,利用具有較強抑制性及防塌性能的聚合物進行護壁處理,具體配方如下:純堿1500～2000 g、水1 m3、包被劑2000～2500 g、鈉土粉40～50 kg、無熒光防塌潤滑劑3000 g、銨鹽2500 g[3]。性能指標如下:密度控制在1.04～1.06 g/cm3,黏度控制在35～40 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。利用塔式鉆具展開組合防斜處理,具體鉆進參數為:鉆進壓力控制在20～40 kN,鉆進速度控制在48 r/min,泵量控制在14 L/s。

三開段的深度為882.85～985.43 m,是本工程中的主要勘查段,主要使用直徑為12.5 cm的PDC鉆頭進行鉆進施工。巖層結構為孔壁穩定性相對良好、局部結構裂縫相對發育的白云巖。為了避免鉆井液導致來水通道系統出現堵塞,降低洗井操作難度,選擇使用低至無固相鉆井液,配方如下:純堿1000 g、水1 m3、高黏度羧甲基纖維素CMC 4000～5000 g、鈉土粉10～15 kg、聚丙烯酰胺PAM 2500 g。性能指標如下:密度控制在1.01～1.02 g/cm3,黏度控制在32～35 s,pH值控制在8～9,失水控制在20～24 mL/h。

四開段和五開段為本工程的最終勘查段,巖層結構具有破碎性、硬脆性,對于采芯率要求比較高。為保證巖層采芯率能夠達到工程標準要求,采用高強度的石油套管束縛支撐工藝與繩索取芯鉆進施工技術相結合的方法。

高強度石油套管束縛支撐。工程選用金剛石+繩索取芯鉆進施工技術,為保證技術的實際應用效果,需要對上部大口徑井眼進行適當的調整變動,使其與繩索取芯施工要求的小口徑井眼相契合,從而保證鉆桿在高速鉆進施工時具有良好的安全性與穩定性[4]。利用具有較高抗折斷性能及抗拉斷性能的束縛支撐管柱,其主要由高強度的扶正支撐和N80級別的石油套管組成,石油套管直徑為9.5 cm×0.65 cm,套管接箍直徑為10.8 cm,內徑為8 cm,孔壁間隙與套管接箍之間的焊接應保證尺寸合適,能夠對支撐裝置起到有效的扶正作用,確保管柱的穩定性與居中性。孔口管與鋼板托盤之間焊接良好,不出現漏縫問題,避免其他雜物進入其中對鉆進施工造成影響。具體情況如圖2所示。

圖2 套管束縛支撐Fig.2 Casing shackle support

繩索取芯鉆進。繩索取芯鉆進設備為HXY6型巖芯鉆機和BW320泥漿機,繩取鉆桿直徑為7.1 cm,鉆具為S75型單動雙管,鉆頭為金剛石。在鉆進施工時,將鉆進效率控制在1.1 m/h,每日鉆進尺達到12 m左右,與傳統的鉆進施工相比顯著提高了鉆進效率,降低了人工作業強度。鉆取的巖芯為柱狀結構,如圖3所示[5]。礦層采芯率為95%～99%,礦層底板與頂部采芯率為89%～99%,與工程設計要求相符。

圖3 柱狀巖芯Fig.3 Cylindrical core

3 施工效果分析

工程最終鉆進深度達到1065 m左右,全面鉆進進尺達到985 m左右,鉆芯取尺約為80 m。工程施工周期80 d,臺月效率約為400 m/月。空氣潛孔錘的鉆進進尺約為317 m,平均鉆井速度達到7.9 m/h,與常規鉆進方法相比提升了10倍的鉆進效率。而鉆進施工過程中的成本與效率因素受到涌水情況的明顯影響,涌水量約為90 m3/h。PDC鉆頭鉆進施工,二開進尺約為557 m,平均鉆進速度達到1.4 m/h左右。三開進尺約為102 m,平均鉆井速度達到0.46 m/h。主要原因是硅質結構影響導致鉆進效率低下。高強度的石油套管束縛支撐與繩索取芯鉆進技術解決了施工中存在的上部孔徑大及孔徑不匹配等問題,保障了取芯鉆進施工的安全性。金剛石鉆進施工進尺約為69 m,平均鉆進速度達到1.1 m/h,大幅度提高了鉆進施工質量及效率[6]。

在水文工程地質勘查時需進行兩次降壓試驗,保證施工具有良好的止水及固井效果,提升了水文工程地質參數的真實性及精準性,使各項參數指標均符合巖土工程地質勘測的需求。本工程的鉆進施工孔斜為7.9°,鉆孔傾斜角的變化率為0.74°/100 m,與工程設計要求相契合。