貴州巖溶區地埋管鉆探工藝及設備機具配置

陳 浩，賈玉川，趙華宣，曾遠明，湯自華，王 虎

（1.貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義563000；2.貴州省地質礦產勘查開發局111地質大隊，貴州貴陽550008）

1 概述

貴州省淺層地熱能資源豐富，僅主要城市地表以下100m 深度內淺層地熱能總熱容量達35.2×1013kJ/℃[1]，但淺層地熱資源勘查及開發起步較晚[2]，地埋管鉆探施工沿用復合片鉆頭正循環回轉鉆進和空氣潛孔錘鉆進[3-4]，在復雜巖溶地區地埋管鉆探常遇巖溶破碎、漏失至失返等復雜情況，因鉆探工藝不適宜及設備配置不合理而鉆孔周期長、效率和效益低，一定程度制約了地埋管鉆探業的發展和淺層地熱能的開發利用。為加快淺層地熱能開發進程，促進貴州全國生態文明區建設和節能減排，亟需復雜巖溶區地埋管鉆探工藝和設備機具配置適宜性研究，以提高地埋管鉆探能力和鉆進效率。

貴州屬典型喀斯特巖溶山區，碳酸鹽巖大面積出露、淺表溶蝕裂隙發育（軟弱破碎夾層多）、第四系覆蓋層薄。地埋管埋置深度內均為不同程度開挖回填和軟弱破碎帶的淺表層和下部巖溶裂隙發育（局部溶洞、巖溶強烈破碎）碳酸鹽巖地層，松散回填、軟弱破碎層和巖溶強烈破碎帶鉆進施工中多見孔壁垮塌、掉塊、漏失至失返等不良現象。不同地層、深度對鉆探工藝和設備機具配置要求不一，為探索復雜巖溶區適宜鉆探工藝及設備機具配置合理性，在2個典型地埋管項目進行了淺表松散及軟弱破碎、巖溶強烈破碎及疏干（失返）三類巖溶地層進行鉆探工藝及設備機具配置研究。

2 淺表松散及軟弱破碎層

2.1 鉆探工藝及設備機具配置情況

貴州仁懷某地溫空調項目，地埋管系統為孔內雙U 管連接、間距4m×4m、孔深120m（有效孔深＞100m）、鉆孔直徑＞130mm、設計鉆孔690 個（總延米82000m），沿建筑物分區6個區（A-F）。由于地形地貌及巖溶發育因素，地埋管場地淺表為松散、膠結差厚度各異開挖回填和軟弱破碎地層，易孔斜、全漏失、孔壁垮塌嚴重、成孔困難至不能成孔致后續施工難以開展，根據地層特性、厚度等因素采取鉆探工藝、設備機具配置組合及鉆進情況，見表1。

表1 貴州仁懷某項目淺表地層特性和鉆探工藝、設備機具配置及鉆進情況表

2.2 鉆探工藝、設備機具組合及效果

根據地層松散、無膠結、全漏失特性及厚度和孔徑等要求，采用正循環回轉+清水強鉆以及偏心潛孔錘跟管鉆進，設備機具配置組合如下：

（1）正循環回轉+清水強鉆。松散軟弱破碎厚厚度2.0～2.5m、護壁管深度3.5m 以淺，下管長度在鉆機動力頭行程+機高內，采用正循環回轉+清水頂漏強鉆造孔、動力頭送下套管能一次性到位護壁，有效減少和避免環境污染及降低鉆進成本[5]。

①鉆探設備配置：SL400/600 鉆機+ WQ30/120泵。

②鉆具組合：?180mm復合片（三葉）鉆頭+?168mm套管+?89mm外平鉆桿。

（2）偏心潛孔錘跟管鉆進。松散軟弱破碎厚度大于2.5m、護壁管深度3.5m 以深，常規回轉鉆進壁垮塌嚴重、液體介質失返、無快省護壁堵漏措施，護壁套管一次性到位困難至不能到位，采用鉆進與下管護壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進技術[6-7]，進入穩定巖層1.0～2.0m，反轉起出偏心潛孔錘具、套管留孔內護壁。

①鉆探設備配置：SL400/600 鉆機+1070XH（或XHP1170）空壓機，空壓機與鉆機組合1拖2。

②鉆具組合：?140mm 偏心潛孔錘頭（滑出最大直徑190mm）+ SPM350/140/68 高風壓沖擊器（帶?168mm 套管）+?89mm 外平鉆桿，隨孔深同步加鉆桿和套管。

（3）效果分析：SL400/600 多功能頂驅履帶鉆機以滿足地埋管快速移孔要求，正循環回轉+清水強鉆鉆具用?168mm 套管起導正扶正減少孔斜率，厚度大于2.5m 松散軟弱破碎層采用偏心潛孔錘跟管鉆進、實現鉆進與護壁管同步、減少孔壁垮塌護壁管不能到位風險和提高鉆進效率。

3 巖溶強烈破碎地層鉆探工藝與設備機具

3.1 鉆探工藝及設備機具配置情況

貴州遵義某地溫空調項目，地埋管系統為孔內雙U 管連接、間距4m×4m、孔深120m（有效孔深＞100m）、鉆孔直徑＞130mm、設計鉆孔1000 個（總延米120000m），沿建筑物分區8個區（A1-A4、B1-B4）。表層碎塊石和粘土回填、膠結較好、漏失小，淺表層以下為巖溶裂隙發育婁山關白云巖、含硅質、泥質白云巖地層，80～90m段巖溶強烈破碎層、富水、巖體破碎、孔壁掉塊較嚴重、漏失小。A1、B4、B3區因試驗孔采用清水+空氣潛孔錘鉆進疏通巖溶裂隙、地埋管鉆探中竄漿，建設單位明確地埋管施工中不得使用空氣潛孔錘鉆進。鉆探工藝、設備機具配置、鉆井液及鉆進情況見表2、表3。

表2 遵義某項目巖溶破碎地層設備機具配置及鉆進情況表

表3 遵義某項目巖溶破碎地層鉆井液及鉆進效率表

3.2 鉆探工藝、設備機具組合及效果

根據建設單位要求、鉆進區域地層特性、孔徑等要求，使用正循環回轉鉆進工藝，設備機具配置組合、鉆井液使用情況如下：

（1）鉆孔結構：淺表回填層孔徑?180mm，進入穩定巖層1.0～2.0m 下?168mm 套管護壁；下部孔段?140mm終孔。

（2）鉆探工藝及設備。

①正循環回轉+清水鉆進：B3區部分鉆探設備SL400 鉆機+YZ40/60 泵，泥漿泵揚程較低，清水攜屑鉆進，淺孔段流量大、排屑正常、鉆速達10.0m/h，60m排屑能力降低、鉆速嚴重，巖溶破碎段無護壁能力、掉塊多、鉆進困難、鉆速下降嚴重，鉆進風險高、鉆深能力不足，成本較高。

②正循環回轉+低固相泥漿鉆進：A1、B4、B3區部分鉆探設備SL400/600 鉆機+WQ20/120 或BW250 泵（柴油機動力），泵揚程滿足孔深要求，采用無固相泥漿（聚丙稀銨+清水）護壁鉆進，護壁效果好、鉆速較高、成本低。因施工初期在泥漿中加高粘堵漏劑+鋸末堵漏防竄漿和BW250泵柴油機用油使成本上升。

③正循環回轉+低密度泥漿鉆進：A3、B1、B4區鉆探設備SL400 鉆機+YZ40/60 泵，因泥漿泵揚程較低，低固相泥漿護壁鉆進，護壁效果較好，60m后鉆速隨孔深下降，成本低。

④正循環回轉+濃泥漿鉆進：A2、A4、B2區鉆探設備SL400鉆機+YZ20/50泵因鉆機、泵能力弱及濃泥漿護壁鉆進，排屑效果較差、鉆速低、鉆速隨孔深下降、成本高，鉆深能力不足。

（3）鉆具組合。

①淺表護壁管段：?180mm 復合片（三葉）鉆頭+?168mm套管（導正扶正）+?89mm外平鉆桿。

②下部裸孔段：?140mm復合片（三葉）鉆頭+?135mm扶正器（鉆桿加工）+?89mm外平鉆桿。

（4）效果分析。

①鉆探設備能力對鉆進效率影響較大，SL400/600鉆探滿足地埋管鉆深要求，排量和揚程均滿足要求泵鉆進效率高，扶正器防斜效果較好。

②巖溶強烈破碎地層，泥漿類型對鉆進效率和鉆深影響均較大，護壁效果較好的無固相或低固相泥漿鉆進效率高。

③BW250泵（柴油動力）減輕對電力設施要求，也提高單位設備使用率。

④SL200 鉆機不宜用于復雜巖溶山區地埋管施工。

4 巖溶疏干地層鉆探工藝與設備機具

4.1 鉆探工藝及設備機具配置情況

貴州仁懷某地溫空調項目，淺表層以下為巖溶發育強烈的婁山關白云巖，北面30m 見溶洞，受溶蝕、袍桐坪斷層及鹽津河深切割作用，巖溶裂隙發育、溶洞至鹽津河走向的A區、C區部分鉆孔下部局部溶洞發育，地下水沿鹽津河排泄、水位埋深大[8]（120～160m）為巖溶疏干區，地埋管鉆孔設計深度內無水。

鉆進地層為巖溶疏干型，液體介質隨鉆遇巖溶裂隙流失全漏、鉆屑不上返，從鉆進成本、返屑利用（回填）、鉆孔安全等，在淺表層護壁管下好后，采用空氣潛孔錘正循環鉆進工藝，鉆探設備配置組合及鉆進情況見表4。

表4 貴州仁懷某項目疏干巖溶地層空氣潛孔錘鉆進設備配置及鉆進情況表

4.2 鉆探工藝、設備機具組合及效果

根據地層疏干、全漏失特性及孔徑等要求，采用空氣潛孔錘鉆進，設備機具配置組合如下：

（1）鉆探設備配置。A、B、F 區：SL400/600 鉆機4臺，1070XH/XHP1070空壓機2臺，空壓機與鉆機配置1拖2；C、E區：SL400鉆機4臺，阿特拉斯V90空壓機2臺，空壓機與鉆機配置1拖2；D區：SL400鉆機1臺，壽力660空壓機各1臺，空壓機與鉆機配置1拖1。

（2）機具及組合：

①簡便防塵裝置：空氣潛孔錘鉆進，鉆進中巖粉塵嚴重污染環境和影響人員健康，在淺表層?168mm護壁套管下好后，將現場加工好的簡便防塵裝置（圖1）罩在?168mm護壁管，除塵時連接抽水泵注水除塵，注水量根據鉆進速度將鉆進產生的粉塵完全除去，一般5～7m3/h。

圖1 簡便防塵裝置示意

②鉆具組合：?168mm 護壁管+簡便防塵裝置+?140mm 錘頭+SPML50 高風壓沖擊器+?135mm 扶正器（鉆桿加工）++?89mm外平鉆桿。

（3）效果分析：

①空氣潛孔錘鉆進滿足疏干巖溶地層鉆進要求，簡便防塵裝置加工方便、不用拆卸且滿足除防塵要求。

②1070XH/XHP1070 空壓機供風量大、滿足溶洞地層要求，鉆進中風壓高（油耗大）、排屑干凈、鉆速高但成本較高，

③壽力660 空壓機供風量偏小遇溶洞鉆進困難、成本高。

5 結論與建設

通過復雜巖溶區巖溶類型的地埋管鉆探工藝、設備機具配置組合及鉆進效果分析總結，結論與建設如下：

（1）適宜鉆探工藝是提高地埋管鉆進效率的重要途徑，施工中應根據地層特性選擇適宜鉆探工藝。厚度較大的松散、軟弱破碎、全漏地層采用偏心潛孔錘跟管鉆進，巖溶強烈破碎地層采用正循環回轉+無/低固相泥漿護壁鉆進，巖溶疏干地層采用空氣潛孔錘鉆進。

（2）地埋管施工孔鉆孔數量多、搬遷頻繁，適宜用多功能頂驅履帶鉆機以快速移孔，巖溶區地層復雜對鉆機能力要求較高。

（3）巖溶區巖溶裂隙發育，軟弱夾層、巖溶破碎多，應采用防斜組合鉆具。

（4）巖溶疏干地層采用空氣潛孔錘鉆進，空壓機供氣量選擇應考慮地層超徑、漏風等孔況要求，防塵裝置應安全、有效和便于安拆。