小浪底引黄工程泵站钻探施工

2013-04-08王家强

山西水利科技 2013年1期

王家强

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

1 小浪底引黄泵站地质情况概述

小浪底引黄工程是我省大水网“两纵十横”的重要组成部分，是自黄河干流上的小浪底水库向沭水河流域调水的大型引调水工程。引水干线起点位于垣曲县境内板涧河河口右岸小浪底库区，终点为闻喜县境内的吕庄水库，工程设计引水流量20 m3/s总长59.2 km。提水泵站为工程枢纽，位于解峪乡上游板涧河左岸坡,地质条件复杂，地下水位埋深在200 m左右，是勘察的重点。勘察布置的钻孔多，钻探总工作量大，地质要求岩芯采取率在80%以上，在一定孔深作压水试验。为此，公司安排多个机组多部型号不同的钻机进行钻探施工。泵站的地层情况是：上部150～200 m主要是灰岩、泥灰岩。虽然其钻进硬度总体不高但属于钻探的复杂地层，存在钻孔漏失、孔壁掉块、坍塌和遇水膨胀等钻进难题；下部灰岩和白云岩地层稍硬但地层完整较容易钻进。所以钻探重点在于上部护孔和取芯。要解决好这些问题，需在钻探生产的各个环节,包括钻机安装、钻孔结构、钻进方法、循环液的使用等方面重点安排，认真实施。

2 钻机安装

钻机安装是钻进生产的基础，钻机安装周正水平运行平稳，才能保证钻具正常运转采取岩芯。钻进过程会有许多不确定性事件，如孔内岩石掉块卡钻、岩粉积聚埋钻、循环不畅烧钻等事故，为了处理这些问题，钻机需要进行强力起拔、打吊锤等高负荷、高冲击作业，这就要考验钻机的安装情况，若基础不牢即易发生位移偏斜，使钻具运转不稳，岩芯管晃动造成岩芯破碎，采取率降低。从各个工地钻机的安装情况看，钻机和钻塔的型号不同，安装也不同，动力头式钻机和钻塔、水泵、卷扬机、绞车都合装在轨道支架上成为一体，重量大，稳定性好，在遇到大负荷或冲击力时也能保证精度。300型钻机配三角架钻塔安装时，钻机和钻塔一定要安装成为一体，在小浪底工地有的也把钻机与大地凝在一起增强稳定性，遇到大负荷或冲击力时能一起承受，防止因钻机重量轻发生钻机倾倒或吊起事故。

3 钻孔结构

合理选择钻孔结构对保证钻孔同轴度和钻具稳定性具有重要作用。钻孔结构简单，钻杆与孔壁间隙小，可采用高转速，反之，钻孔换径次数多，结构复杂，钻杆与孔壁间隙大，钻具回转的稳定性差。钻孔结构尽可能在护口管以下一径到底。在小浪底泵站勘探孔采用的钻孔结构一般是孔口至完整基岩面安直径89的套管，以下用75的钻具钻到孔底。当75钻具遇到钻孔坍塌时，为保护孔壁需要水泥护孔。水泥护孔是将坍塌段用水泥封闭，凝固后再钻。它是实践性经验性很强的工作，小浪底泵站9号孔在170 m钻穿泥灰岩后因侥幸心理没有及时用水泥护孔，在钻进到190 m时因上部泥灰岩坍塌埋钻无法处理而报废，移孔重新钻进到170 m时主动停钻封孔。他们的做法是利用废旧的71钻杆公接头当钻头，锯两个豁口作水口，钻进到坍塌物底部，然后用大泵量泵送水泥把坍塌物挤开而用水泥充填，当泵压表指针突然升起后表明水泥到底并在坍塌物间隙返起一段，这时边提钻边注浆，注完后立即用水冲。水泥稠度和孔内裂缝大小有关，还要考虑可泵性，这就要操作者有丰富的施工经验把握好分寸。

4 钻进方法

钻进方法要综合考虑岩石硬度、可钻性级别和岩芯采取率以及施工的劳动强度。灰岩的硬度中等，可钻性5～7级，为提高岩芯采取率降低劳动强度采用S75的绳索取芯孕镶金刚石钻头钻进方法。钻进参数为转数：600～900 r；钻压：6～10 kN；泵量：30～50 L/min。

金刚石钻头选择:因为绳索取芯金刚石钻头比常规钻头壁厚,所以钻头底部刻取岩石的单位压力就小，为了提高压强，常选择胎体底唇形状为阶梯形或同心圆尖齿形的钻头，减少底面积以提高钻进效率，但在小浪底泵站钻进中，地层软硬厚度变化大，使用阶梯钻头和同心圆尖齿钻头钻出的岩粉颗粒粗大，不容易随循环液排出，积聚在孔底增加安全隐患，如岩芯堵塞或烧钻等，这时要选用平底型孕镶钻头钻进，它能研磨岩石成更细的颗粒随循环水排出。

在钻进过程中，泵压发生小幅度的上升或下降，一般是孔底换层的征兆，这时要注意进尺情况。在钻进效率突然降低，或不进尺的同时泵压猛然大幅度增高，这是发生严重岩芯堵塞的反映，要尽快将钻具提离孔底，否则一瞬间就可能发生烧钻事故。如果泵压突然大幅度下降,这多半是钻具折断或脱扣，应停止钻进进行检查。

5 循环液的使用

循环液的作用是润滑钻具、冷却钻头、携带岩粉、保护孔壁。清水钻进最经济，冷却效果最好，在技术上也是压水试验地段最希望的循环液，但其他作用差。根据压水试验规范，压水试验段钻进可以使用润滑剂，不得使用护壁剂和堵漏剂。所以为增加其他功能，在不需要做压水试验的孔段，可在循环液中除了润滑剂如皂化液、聚丙烯；还可加护壁剂如腐殖酸钾、植物胶；堵漏剂如锯末、麸皮。综合考虑以及根据以往使用经验,采用聚丙烯酰胺溶液作循环液。聚丙烯酰胺无色、无味、无臭，是呈透明胶体、白色粉末和细砂状的高分子聚合物。配制溶液要在90～100℃下进行，其做法是，按1%～2%浓度配制聚丙烯酰胺水溶液，在50℃温度下搅溶，然后往水溶液中加入一定烧碱，搅拌并升温至90～100℃，再保温搅拌3～4 h，搅拌速度为50 r/min左右。常温下配置水解时间长，有时达几天。采用水解聚丙烯酰胺溶液作循环液有润滑作用、护壁作用、絮凝作用，岩芯采取率高。护壁作用主要是增加聚丙烯的用量提高循环液的比重从而平衡地层压力；循环液比重的增加同时也提高了其携带岩粉的能力。絮凝作用能把携带的岩粉在循环池里沉淀下来，保证浆液的清洁，做到循环使用。