石灰岩地区深水井施工工艺研究

王公远 ，王念理 ，王成贵

（1.青州市抗旱服务站，山东 青州 262500；2.青州市水利局，山东 青州 262500）

青州市总面积1 569 km2，其西南部为石灰岩山区，面积占青州市总面积的52%，人口近30万。为解决青州市山区乡镇的人畜吃水问题，多年来，先后打基岩深水井400多眼，根据多年钻井施工经验，总结了几套不同地质条件下、基岩深水井施工的钻井和成井工艺。本文以青州市南闫村520 m吃水井为例，仅就地下水位深、石灰岩含水层埋深大的地质条件下，深水井施工工艺进行论述。

1　地层及水文地质特征

1.1　地层情况

自上而下钻孔穿透的地层：第四系褐色黏土和残坡积碎石层；奥陶系下统厚层状白云质灰岩和白云岩；寒武系上统、凤山组中厚层微晶灰岩、薄层灰岩；寒武系上统、长山组薄层灰岩、薄板状灰岩和灰绿色页岩互层、竹叶状灰岩和黄绿色页岩；寒武系上统、崮山组薄板状灰岩、灰绿色页岩，中薄层玉白色石灰岩和少量紫色页岩；寒武系中统、张夏组鲕状灰岩、含生物化石碎屑的石灰岩；寒武系中统、徐庄组含云母紫色页岩。

1.2　水文地质特征

奥陶系下统中厚层状白云质灰岩、白云岩和寒武系上统凤山组中厚层状微晶灰岩和薄层灰岩，岩溶裂隙发育，岩石结构破碎，分布在钻孔的上部地段，大部分在静水位以上，循环水严重漏失，造成钻井液无法形成正常循环。

寒武系上统崮山组中下段的玉白色石灰岩，地层厚度约55 m，寒武系中统张夏组鲕状灰岩，地层厚度约50 m，是本钻孔的两个目的含水层。这两个含水层分别埋深在360～415 m和450～500 m，由于埋深大，岩溶裂隙发育程度相对较差。其余地层为寒武系薄板状灰岩、灰绿色和黄绿色页岩及紫色页岩，是相对隔水地层。

2　供水井设计和钻井要求

2.1　供水井设计

根据本地区地层情况和水文地质特征，设计孔深520 m，第四系覆盖层钻孔直径500 mm，钢管护壁直径325 mm。覆盖层以下至250 m，钻孔直径273 mm，250～520 m钻孔直径219 mm。

2.2　钻井要求

表层套管进入完整岩石不少于1m，下入表层套管后用水泥固井，以防地表水渗人；下部地层裸眼成井，为了避免过多的岩粉堵塞目的含水层的岩溶裂隙，采用岩芯管钻具清水正循环钻进成孔。

2.3　施工设备

为了满足施工工期和凿井深度的要求，钻机选用STJ-1000型水源钻机，配套BW-850泥浆泵，φ89 mm 钻杆，φ500 mm 刮刀钻头，φ325 mm、φ273 mm和φ219 mm岩芯管钻具及相应规格的取粉管，200QJ25-195/25和200QJ32-195/30抽水试验潜水电泵，JGS-1B测井仪及自然电位、电阻率和自然γ探头等相应的配套设备。

3　钻进工艺

3.1　钻具组合结构

从下至上，岩芯管钻头（钻具）+取粉管+φ89mm钻杆+方钻杆。为了保障钻孔的垂直度，岩芯管钻具的长度选在6～8 m，选用和岩芯管同径的取粉管。

3.2　钻进参数

采用清水正循环取芯钻进。上部白云质灰岩、白云岩和石灰岩地层，岩溶发育，岩石结构破碎，采用岩芯管合金钻头钻进；下部薄层灰岩、薄板状灰岩、页岩地层及目的含水层的石灰岩地层，采用岩芯管钢粒钻进。钻压选择在30～40 kN，转速69～110 r/min。正常钻进时，送水量的大小按照不同的岩性、不同的岩芯管钻头类型、投钢粒的多少进行相应的选择。

3.3　清水钻进

因为钻孔上部、静水位（85 m）以上段碳酸盐岩石地层，岩溶发育，岩石结构破碎，钻井液严重漏失，造成整个钻孔无法形成钻井液的正常循环，所以，采用了限泵量供清水钻进工艺，即限泵量清水钻进一段时间（或岩石段），再全泵量供水将岩粉冲入取粉管，如此循环钻进，这样既节约了用水量，又可以保持孔底干净。提钻取芯时，同时把取粉管中的岩粉冲洗干净。取出的岩芯按顺序排列整齐，标注好岩芯的取出深度，并及时记录并描述岩芯的岩性和水文地质特征。

4　成井工艺

4.1　物探测井

钻穿目的含水层，并加深钻进5%左右的沉淀孔后终孔，终孔后进行物探测井，测量自然电位和视电阻率两个指标，目的是为了更准确的判断目的含水层上下底板的深度，同时结合取出的岩芯情况，发现或验证其他远景含水层的厚度及位置信息等。

4.2　混凝土护壁工艺的应用

在钻凿上部奥陶系和寒武系碳酸盐地层时，由于岩溶发育，岩石结构破碎，47～86 m段掉块、坍塌严重，严重影响了正常的钻井施工，采用混凝土护壁方法，成功解决了此难题。混凝土护壁指在基岩深水井钻井施工中，遇到严重掉块或坍塌时，采用直接投料法或导管投料法，将一定强度等级的速凝混凝土灌注到掉块或坍塌段的空间内，待混凝土初凝后透孔钻进，在原掉块或坍塌段形成完整混凝土井壁。

4.3　盐酸洗井法

由于本次钻井采用了清水钻进工艺，无需再用常规办法进行洗井。考虑到目的含水层埋深大、岩溶裂隙发育程度相对较差，加之钻井过程中碳酸盐岩粉对含水层裂隙可能造成部分堵塞的情况，在第一次抽水试验后又进行了盐酸洗井。通过钻杆向钻孔内的目的含水层和两处岩心结构破碎的远景含水层，分别注入30%的稀盐酸溶液，为了防止稀盐酸与输液管、钻杆等的化学反应，在30%稀盐酸中事先掺入福尔马林溶液保护剂。稀盐酸与该孔段裸露的石灰岩及其渗入石灰岩裂隙中的细小石灰岩颗粒发生化学反应，形成易溶的CaCl2和CO2，清除石灰岩裂隙中的充填物。在第一次抽水试验后使用30%盐酸5 t，静止20 h后再进行第二次抽水，出水量由原来的20 m3/h增加到了25 m3/h。

5　结论

1）在泥页岩和石灰岩地层为主的山区，石灰岩含水层埋深较大时，溶孔、溶洞或岩溶裂隙发育程度相对较差，出水量较小。在这类地层中凿井时，采用清水正循环岩芯管取芯钻进工艺施工，可以有效地控制含水层的岩溶裂隙被堵塞的程度，能够最大限度地保障含水层的出水量。

2）钻具组合采用岩芯管+取粉管的形式，钻进过程中采用限泵量清水钻进，全泵量冲孔取粉的方法，有效地节约了施工用水，同时保障了孔底的干净，减少了事故发生率，提高了钻进效率。

3）在钻孔的严重掉块或坍塌地段采用混凝土护壁工艺，解决了因严重掉块或坍塌地层无法正常钻进施工的难题，防止了施工中卡钻、埋钻事故的发生，保障了成孔质量。同时减少了（和钢管护壁相比）护壁费用，提高了经济效益。

4）采用盐酸洗井工艺，有效地清除了含水层和远景含水层裂隙中的充填物，同时使石灰岩含水层中的导水裂隙和孔隙被溶蚀扩张，含水层中的水路变得更加畅通，有效地增加了出水量，提高了成井率。