地下水勘探鉆進關鍵技術運用

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1項目概況

某水利樞紐中心，周邊區域范圍內降水稀少、生態環境脆弱、水資源長期短缺，已成為制約當地區域經濟發展和生態環境保護的重要因素之一；該水利樞紐中心的建設，能夠為區域經濟發展與建設提供有效可靠的水資源支撐。建設期間對場地進行的地下水勘查項目中，通過采用先進的地下水勘查鉆探技術，先后施工完成了9眼80oITI～1000m深度范圍的水文地質勘探孔，為掌握該區域地下水的情況獲得了重要原始實測資料。

2場地地質條件

該施工場地周圍開闊平坦，海拔大致處于1300rn～1500m范圍內，是典型的黃土塬區地貌。區域內地層時代跨度相對廣泛，但主要以第四系、白堊系和寒武系分布最廣，具體如下。

1)寒武系：為淺紅色及紫紅色巖性的砂礫巖、石英砂巖，可見厚度約800m～1000rll。

2)白堊系：白堊系在整個場地范圍內均有廣泛分布，以鮮紅色粗砂礫紅層和雜色巖石為主。

3)第四系：第四系土層自下而上主要分布有風成黃土與河流沖洪積物，根據其相應的巖性特征及時代特性可將其依次分為：①風積黃土層，主要包括：馬蘭黃土、離石黃土、及午城黃土等，土層最大厚度約為260m。其中，馬蘭黃土層的巖性主要以土黃色和黃灰色的亞砂土為主，結構相對較疏松，垂向節理發育較好，發育有少許細小孔隙和裂隙；離石黃土層的巖性主要為淡紅色和灰黃色的亞砂土和亞粘土為主，中間夾雜有少量的多層古土壤；午城黃土層的巖性主要以褐色、桔黃、桔紅色的亞粘土為主；②沖洪積層，主要分布于區域范圍內流經河流的河谷階地和較深溝谷中，上部表層土層主要以粉土為主，厚度一般處于5m～10m，較深層土層則主要以圓礫、卵石層為主，厚度一般處于10rn～20m。

3關鍵鉆進技術與工藝

3．1設備選型與使用工序

根據該區域地下水勘查鉆孔設計深度和相應的地層結構特質，施工過程中選用的機械設備主要為：AS24—50型鉆塔，TSJ一6／660B型鉆機，BW一600／30型泥漿泵，NJ一600型泥漿攪拌機，發電功率為200kW的柴油發電機組。根據地下水勘查孔結構特點和鉆孔施工定深取芯的要求，實際施工過程中采用的鉆進工藝具體如下：采用直徑為500mm的鉆頭進行開孔，待鉆進土層至孑L深20m以上(以揭穿第四系土層為準)，再套人直徑為gO426mm，厚度為9mm的鋼管作為表層套管，同時安裝好相應的井口防噴裝置；再采用直徑為d0250．8innl的三牙輪型鉆頭自上端固井段以下一直鉆進至地下水勘查設計規定的深度位置。其中，施工過程中的定深取芯采樣段采用直徑為150mm的鉆具進行取芯施工即可，抽水試驗段需采用直徑為dP374．5mm的擴孔鉆具進行擴孔，之后插入直徑為qb273mrtl，厚度為9lnn''''l的無縫鋼管進行永久性止水處理。

3．2防噴裝置安裝

由于該水利樞紐中心區域范圍部分場地內的地下水承壓水頭相對較高，在勘查孔鉆進施工的前期施工過程中，曾出現在鉆進過程中鉆孔內噴出的水頭過高，影響正常的鉆進施工，甚至由于噴出的水頭過高水量較大而將鉆孔施工場地附近淹沒導致輕微沉陷的事故。為防止鉆孔井噴事故的可能發生，在后期施工過程中專門安裝了相應的簡易防噴導流裝置。實際安裝時其具體要求如下：在套人上表層套管時將該防噴導流裝置安裝于井口，同時在裝置兩側各接上一個直徑中168mln，厚度為7mm的鋼管至鉆塔底座外，在距離鉆孔口適當距離處安裝配套閘閥，并采用PVC圓管或地溝將其中一個鋼管接至離鉆孔施工場地的排水出處；在另一個鋼管的適當位置也接上閘閥，用作導流泥漿，以備鉆孔過程中發生井噴關閉或作導流用。

3．3加重泥漿的配置與使用

在整個鉆孔施工過程中，采用經過特定配置的加重泥漿，是防止鉆進施工過程中發生井噴事故的重要措施之一。

3．3．1基礎泥漿的配置

該項目實際實施過程中，采用了膨潤土、水、純堿和高粘度纖維素等材料專門配置了基礎泥漿，其密度p為1．06g／cm3，基礎泥漿配置時采用的粘土計算公式具體如公式(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為施工時所需的粘土總重量，單位為t；V為施工時所需配制的泥漿總體積，單位為m3；p為施工時所需配制的泥漿密度，單位為g／era3；P2為采用的粘土密度，p為采用的水密度。

3．3．2加重泥漿的配置

將預先配置的密度p=1．06rn，的基礎泥漿或孔內相應密度的鉆孑L泥漿，通過另外添加適量的活性重晶石粉(或活性鐵粉)，調至鉆孔施工所需的泥漿密度，其外加重晶石粉或活性鐵粉等材料的計算公式具體如公式(2)：Wo=Vo【Pz—p1)，(Pa-P2)(2)式中：w為應加入的重晶石粉或活性鐵粉等加重劑的重量，單位為g；Vo為參與鉆孔施工泥漿循環的液體總體積，單位為m3；p．為原漿密度，單位為g，cm]；P2為加重后的泥漿密度，單位為g／em；p，為加重劑的平均密度。其中，重晶石密度為4．20g，cm]，石灰石密度為2．73m3，鐵粉密為7．86m。在施工時套入426×9的表層套管后，應采用密度約1．2m3的加重泥漿，并實時監測鉆鉆孔內循環流出泥漿的密度變化，并根據施工要求進行相應的調整。值得注意的是，待勘查孔鉆進深度超過500rrI后的孔段鉆進施工，其地下水壓力相對更大，施工過程中更應加強對加重泥漿的使用。

4并噴的判斷與處理

4．1井噴的判斷

在地下水勘查鉆孔施工過程中，出現井噴時主要包括以下情況。

1)鉆孔進人承壓水鉆進施工階段，未及時發現循環泥漿出現的稀釋現象，提鉆過程中由于提鉆引起了較大的抽吸力作用，有助于地下承壓水的上升，引起井噴；或者發現循環泥漿稀釋后但沒有及時調整加重泥漿的密度和粘度，使得地下承壓水噴出的水量不斷增多，導致最后無法采取有效措施而引起的井噴事故。

2)勘查孑L正常鉆進過程中，循環泥漿沒有達到設計的指標要求，即加重泥漿的密度作用沒有抵消地下承壓水產生的上升噴力作用而引起的井噴事故。

3)勘查孔鉆進施工完成后注水洗井導致井噴。因為洗井時注入了大量的凈水，把加重泥漿變稀了，短時內無法壓住地下承壓水產生的上噴力而產生了井噴。

4．2井噴處理措施

1)在有較大地下承壓水的深土層進行鉆孔施工過程中，對加重泥漿的使用和泥漿密度及稠度的控制非常重要，應綜合考慮機械鉆進能力和設備鉆進效率。加重泥漿密度一般的取用范圍為1．2g，cm3～1I3m]。

2)在地下水勘查孔鉆進施工現場，儲備密度為1I3rn3的加重泥漿至少5m，以應付鉆孔施工過程中一旦發現井噴時，可及時將預備的重密度加重泥漿壓人鉆孔內，有效節約了泥漿的攪拌時間，防止在使用緊張的情況下攪拌泥漿未達到使用要求就注入孔內的情況。

3)鉆孔施工時一旦發生井噴，及時關閉井口安裝的防噴導流裝置，將噴出的地下承壓水通過導流裝置側向引出，同時測算井噴水頭高度和鉆進深度，快速注入符合要求密度的加重泥漿，及時控制地下承壓水導致的井噴現象。

5結語

在該水利樞紐中心地下水勘查鉆孑L施工過程中，形成并總結了一整套地下承壓水勘查孔鉆進施工工藝，特別是防噴導流裝置的安裝和加重泥漿的配置與使用，確保了后階段鉆孔施工過程的順利完成，為該地區地下水資源的大規模開發和利用奠定了一定的應用基礎。