水文水井鉆探是探明和開采地下水資源的重要手段之一。近年來由于我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要,大量的開發(fā)利用地下水資源,地下水位逐年下降,建井越來越深,成本越來越高。因此,建井技術(shù)、鉆探設(shè)備、成井工藝也需要隨之提高或更新。如何結(jié)合我國水文水井鉆探技術(shù)特點,研制具有世界先進(jìn)水平的新型鉆探設(shè)備,已成為水文水井鉆探技術(shù)工作者的一項任務(wù)。

 

  1 水文水井鉆探的特點及工藝要求

 

  水文水井鉆探與固體礦床巖心鉆探、石油鉆井比較,具有以下特點:

 

  (1)鉆孔直徑大,一般在直徑150mm～800mm之間。由于口徑大,鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑多,當(dāng)采用正循環(huán)鉆進(jìn)方法時,就需要有大排量的沖洗液設(shè)備將巖屑排至地表。

 

  (2)鉆孔深度小。一般在數(shù)十米至數(shù)百米之間,特殊的超過千米以上,而熱水井多在千米以上。因而,除深水井和熱水井需用大型鉆機(jī)外,一般水文水井鉆探均用中小型鉆機(jī)。

 

  (3)鉆孔垂直度有一定要求。因鉆(井)孔上部安裝水泵,下部安裝過濾器,所以要求鉆孔在100m以內(nèi)偏斜不大于1°,1000m以內(nèi)偏斜不大于5°。

 

  (4)水文水井鉆探屬大口徑鉆進(jìn),而且主要是在第四紀(jì)松散的卵石層、砂礫石層以及砂土、粘性土等地層鉆進(jìn)。這些地層膠結(jié)性差,易坍塌,沖洗液易漏失。也有部分鉆井孔在基巖層中鉆進(jìn),而這些基巖層又多是裂隙溶洞地層。在不深的鉆孔中常常遇到迥然不同的數(shù)種地層,這就要求所采用的鉆進(jìn)工藝和鉆具對各種不同地層有一定的適應(yīng)性。

 

  (5)水文水井鉆探工期短,流動性大,搬遷頻繁, 要求鉆進(jìn)工藝所使用的鉆探設(shè)備不能過于笨重。

 

  (6)水文水井鉆探其目的是提供水文鉆孔或水井,其價值一般不及油井或固體礦床鉆孔,因而要求所采用的鉆進(jìn)工藝,較油井或固體礦床鉆孔的設(shè)備投資少,鉆探成本低。 由于水文水井鉆探的上述特點,決定了對鉆進(jìn)工藝和鉆探設(shè)備的要求,即要求達(dá)到快速鉆進(jìn)的目的,所選擇的鉆進(jìn)工藝必須是:設(shè)備輕便,易于搬遷,有足夠的巖屑排除能力,鉆進(jìn)效率高,能控制鉆孔偏斜,保證鉆孔質(zhì)量;所使用的鉆具要求成本低,壽命長,易于加工,便于推廣。

 

  2 國內(nèi)外水文水井鉆進(jìn)工藝及鉆具的分析

 

  水文水井鉆探所遇地層復(fù)雜,不同的鉆進(jìn)方法在不同地層中的鉆進(jìn)效果是不同的。當(dāng)前水文水井鉆探方式大體上可分為:鋼絲繩沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探3種。

 

  2.1 鋼絲繩沖擊鉆探

 

  這是最古老的一種鉆進(jìn)方法,用于鉆進(jìn)卵礫石、致密性基巖效果較好,但對鉆進(jìn)粘土、淤泥、砂巖、變質(zhì)巖、花崗巖鉆速慢,對鉆進(jìn)細(xì)砂、硫砂層比較困難。這種鉆探方式突出的優(yōu)點是:鉆探設(shè)備少;操作簡單;易于搬遷;用水量小;鉆開含水層時,不易堵塞和污染含水層;不需附加供水設(shè)備和泥漿。缺點是在一般地層鉆探效率較低,故除卵礫石和漂石層外,不常采用。就我國而言,沖擊鉆探方法仍有許多地方在應(yīng)用,但多數(shù)為個體打井隊。

 

  2.2 回轉(zhuǎn)鉆探

 

  在鉆進(jìn)方法上又分為沖洗液鉆進(jìn)(即正循環(huán)鉆進(jìn))、空氣鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)。

 

  (1)沖洗液鉆進(jìn),在鉆進(jìn)工藝上又分為清水鉆進(jìn)和泥漿鉆進(jìn)。清水鉆進(jìn)用于穩(wěn)定地層,泥漿鉆進(jìn)用于次穩(wěn)定或不穩(wěn)定地層。在我國沖洗液泥漿鉆進(jìn)目前使用最為普遍,可是國外則要求采用多種鉆進(jìn)工藝,并能快速完成鉆井。

 

  (2)空氣鉆進(jìn),在鉆進(jìn)工藝分為:純空氣鉆進(jìn),用于穩(wěn)定地層;霧化清水鉆進(jìn),用于濕潤地層;霧化泥漿鉆進(jìn),用于穩(wěn)定地層;粘性泡沫鉆進(jìn),用于大直徑鉆孔;充氣泥漿鉆進(jìn),用于漏失地層。使用空氣的最大特點是機(jī)械鉆速成倍提高,因為空氣比液體輕得多,對孔底的壓力降低?？諝忏@進(jìn)除機(jī)械鉆速高以外,另外的優(yōu)點是:可以在鉆井液漏失地層和供水難地區(qū)使用;其鉆進(jìn)的軸向壓力只是泥漿鉆進(jìn)的一半左右,這對大口徑無巖心鉆進(jìn)的水井是非常有利的因素;對地層的淤塞與污染少;清除巖粉情況好,急劇地減少鉆具磨損,提高鉆頭進(jìn)尺,不需考慮粘土供應(yīng)和泥漿制備等有關(guān)工作,從而簡化了工作過程。空氣鉆進(jìn)法,除了油、氣井、露天采礦上普遍采用外,在水文地質(zhì)鉆探和水井鉆進(jìn)中也較多地采用。我國原地礦部80年代初曾立項進(jìn)行空氣鉆進(jìn)研究,曾在保定、北京房山等地進(jìn)行空氣鉆進(jìn)水井生產(chǎn)試驗,由于干旱缺水,效果比運(yùn)水打鉆提高效率1倍,平均每米運(yùn)水費(fèi)為170元,空氣鉆進(jìn)耗油費(fèi)僅每米20元。此種方法我國還在推廣階段,但在國外如美國、加拿大等國采用最多。實踐證明,空氣鉆進(jìn)法在水文地質(zhì)鉆探與水井鉆進(jìn)中具有很大的發(fā)展前途。

 

  (3)反循環(huán)鉆進(jìn),按沖洗介質(zhì)的類型不同,反循環(huán)鉆進(jìn)可分為空氣(包括泡沫、霧氣等)反循環(huán)與沖洗液反循環(huán);以返水原理來分又可分為泵吸、射流、氣舉反循環(huán);從鉆桿類型來分又可分為單管、雙管和三管反循環(huán)等。在水文水井鉆探中以氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用得最多。泵吸反循環(huán)經(jīng)濟(jì)合理的鉆進(jìn)深度為100m～120m,最大深度可達(dá)200m;射流反循環(huán)在50m以內(nèi)效率較高,為氣舉反循環(huán)的2.5倍。隨著井深增加,排渣能力逐漸下降,鉆進(jìn)效率相應(yīng)降低,最大孔深可達(dá)250m。氣舉反循環(huán)在50m時可以保持穩(wěn)定的鉆進(jìn)效率。在實際工作中,孔深在50m以內(nèi)多采用泵吸反循環(huán)或噴射反循環(huán),孔深大于50m時,多采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn),因為它隨著孔深的增加鉆進(jìn)效率不斷提高。由于反循環(huán)鉆進(jìn)具有鉆進(jìn)效率高,鉆頭壽命長,成井質(zhì)量好,在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)安全可靠,并能實現(xiàn)連續(xù)取樣(芯)鉆進(jìn),節(jié)省輔助時間和減輕勞動強(qiáng)度等特點,已成為國內(nèi)外鉆進(jìn)水井、水文地質(zhì)鉆孔以及大口徑工程施工孔的主要技術(shù)方法之一。在我國水井鉆探方面,反循環(huán)應(yīng)用最多的為 氣舉反循環(huán)鉆進(jìn),而泵吸、射流反循環(huán)鉆進(jìn)除水井鉆探開孔外,多用于樁基施工鉆進(jìn)方面?，F(xiàn)氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)已在地質(zhì)、冶金、建設(shè)、水利、煤田和軍工等系統(tǒng)水井鉆探中推廣應(yīng)用,覆蓋面遍及全國

 

  29個省市自治區(qū),在巴基斯坦、馬里、玻利維亞、菲律賓等國外承包工程中也得到廣泛使用?？傔M(jìn)尺20萬余米,節(jié)約水井鉆探成本約500多萬元,采用此技術(shù)達(dá)到的最大孔深為1117.36m,目前深水井以及地?zé)徙@探也正在采用。 在國外如德國水文水井鉆探主要是采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn),而美國氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)主要用于較深鉆孔和一些復(fù)雜地層鉆進(jìn)。所以,美國和德國為了廣泛應(yīng)用此項技術(shù)從鉆具到設(shè)備都已成系列配套,而我國在這方面還有一定差距。 回轉(zhuǎn)正循環(huán)使用沖洗液鉆進(jìn),對松散地層和部分基巖層,只要鉆探設(shè)備有足夠的排巖能力,就能獲得很高的鉆進(jìn)效率。但目前水文水井鉆探用的泥漿泵排量小,沖洗液不能達(dá)到所要求的上返速度,因而水文水井用回轉(zhuǎn)正循環(huán)沖洗液鉆進(jìn)往往不能獲得較高的鉆進(jìn)效率?？諝忏@進(jìn)方法效率很高,但需要有很大排量的空壓機(jī),對地層也需要有一定的穩(wěn)定性,因而普遍應(yīng)用受到一定限制。反循環(huán)鉆進(jìn)工藝適用于多種地層,沖洗液上返速度高,排巖能力強(qiáng),孔底干凈,減少孔底重復(fù)破碎,可延長鉆頭的使用壽命,鉆進(jìn)效率較正循環(huán)鉆進(jìn)成倍提高。對于水文水井鉆探來說,這種方法還有其特殊的意義,可以避免對含水層的堵塞和污染。這是因為用此種方法鉆進(jìn)時,沖洗介質(zhì)不與含水層接觸。另外,它還可簡化抽水試驗工藝,直接利用鉆具進(jìn)行抽水試驗。2.3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆探在工藝上又分為液動潛孔錘和氣動潛孔錘,適用于鉆進(jìn)基巖硬地層,其鉆進(jìn)速度比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)高50%～100%。液動潛孔錘耗用功率較大,目前僅應(yīng)用于小口徑巖心鉆探?，F(xiàn)在我國已有好幾個廠家生產(chǎn)直徑110mm～350mm的氣動潛孔錘,同時美國英格索蘭公司與我國宣化也合作生產(chǎn)各種型號氣動潛孔錘,并且該公司還和我國上海壓縮機(jī)廠合作生產(chǎn)螺桿式高風(fēng)壓高風(fēng)量空氣壓縮機(jī),進(jìn)行生產(chǎn)施工配套,這些都為我國推廣應(yīng)用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)從我國該技術(shù)的發(fā)展來看,已趨于成熟。如山西第二水文工程地質(zhì)勘察院,近年來采用氣動潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)先后施工水井多眼,最大孔深700余米,取得的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。由于這種方法采用壓縮空氣作為洗井介質(zhì),代替了以水為介質(zhì) 7 8第4期               許劉萬:水文水井鉆探工藝及設(shè)備發(fā)展情況

 

  的循環(huán)方式,有利于在干旱、缺水和寒冷地區(qū)及永凍地層鑿孔,尤其適用于極硬、中硬地層中全面鉆進(jìn)。 水文水井鉆探除了上述鉆進(jìn)方法取得了明顯的進(jìn)展外,其它諸如繩索取心鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等也得到了應(yīng)用。另外在松軟地層還廣泛地使用無沖洗液鉆進(jìn)法:如螺旋鉆進(jìn)法、鉆斗鉆進(jìn)法、抓斗鉆進(jìn)法。因此,只有根據(jù)不同的地質(zhì)、地理和技術(shù)條件發(fā)展各種鉆進(jìn)方法才能提高水文水井鉆進(jìn)的經(jīng)濟(jì)效益。 3 水文水井鉆探設(shè)備發(fā)展情況 近年來水文水井鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和品種,

 

  隨著鉆進(jìn)方法的發(fā)展也在不斷地變化。鉆機(jī)本身不但隨著方法而變化同時它的機(jī)械化程度也在不斷地提高。 現(xiàn)在我國使用的水文水井鉆探設(shè)備多屬機(jī)械化程度低、操作笨重的機(jī)械傳動類型,不僅妨礙生產(chǎn)效率的提高,而且限制了水文水井鉆探新工藝的采用。

 

  鉆探設(shè)備與鉆進(jìn)方法還不配套,古老的鋼繩沖擊鉆機(jī)還在使用。目前大量使用的轉(zhuǎn)盤式水文水井鉆機(jī)有SPJ-300型、SPJT-300型、SPS-400型、SPS-600型、紅星-400型,深水井用的最多的是水源1000鉆機(jī)、水源2000鉆機(jī),車裝鉆機(jī)用的最多的SPC-300H鉆機(jī),出國施工配套的多為SPC-300T 太脫拉車裝鉆機(jī)。對于全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)來說,我國為了縮小與國外先進(jìn)水平的差距,原地礦部1986年曾研制成功SDY-600型全液壓動力頭式車裝水文水井鉆機(jī),華北石油1992年也曾仿制成西德B3A全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)。70年代初期我國電力系統(tǒng)還引進(jìn)了美國T4W全液壓動力頭式車裝鉆機(jī),建設(shè)系統(tǒng)還引進(jìn)了西德B3A全液壓動力頭式車裝鉆機(jī),煤炭系統(tǒng)引進(jìn)了法國R28全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)。近年來美國英格索蘭公司還與我國宣化合作生產(chǎn)有關(guān)型號的全液壓動力頭式車裝鉆機(jī),這些都為我國發(fā)展全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)起到了促進(jìn)作用。但由于我國的實際情況,全液壓動力頭 式車裝鉆機(jī)未能全面推廣使用。 從國外的水文水井鉆機(jī)發(fā)展趨勢來看,鋼繩沖擊式鉆機(jī)日漸減少。在鉆進(jìn)卵、礫石層時多采用風(fēng)動潛孔錘。在西方,立軸式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的使用日漸減少,多采用轉(zhuǎn)盤及動力頭式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)。全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)使用日漸增多

 

  美國在整個水井鉆進(jìn)中,此種類型鉆機(jī)占20%～30%，美國英格索蘭公司生產(chǎn)的鉆機(jī)都為全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)。據(jù)資料分析  ,西德的全液壓動力頭式車裝鉆機(jī)占整個水文水井鉆機(jī)的50%左右。 國外新型全液壓鉆機(jī)的操作機(jī)械化程度高。通過液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)加壓、減壓、給進(jìn)、變速、回轉(zhuǎn)、鉆具升降及擰卸、鉆進(jìn)參數(shù)測量、鉆機(jī)孔口移動等工序,操作手柄全部集中在一個獨(dú)立的控制臺上,實現(xiàn)集中手柄操縱。頂部驅(qū)動方式既有立軸式鉆機(jī)的穩(wěn)壓優(yōu)點,又具備轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)長行程給進(jìn)的長處。 它與轉(zhuǎn)盤式鉆機(jī)相比,具有以下特點: (1)不需要專門的主動鉆桿,加接鉆桿時,可以不必把鉆具提離孔底; (2)可以邊回轉(zhuǎn)邊起下鉆具,有助于減少孔內(nèi)事故; (3)便于實現(xiàn)升降工序機(jī)械化及塔上無人操作;(4)加減壓機(jī)構(gòu)和鉆進(jìn)絞車可以合為一體。

 

  液壓技術(shù)在水文水井鉆進(jìn)中的應(yīng)用日趨廣泛。如桅桿的伸縮和起落、水泵的驅(qū)動、泵量的改變、移擺管裝置的驅(qū)動以及水平千斤頂?shù)牟僮鞯榷紝崿F(xiàn)了液壓化,大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度,減少了操作人員?，F(xiàn)代化的水文水井鉆機(jī),每個機(jī)臺只要2人操作。因此,應(yīng)加快我國全液壓水文水井鉆機(jī)的研制與推廣工作。

 

  另外還要根據(jù)各種水文水井的鉆進(jìn)要求,研制特殊用途的鉆探裝置。建議廣泛采用反循環(huán)鉆進(jìn)、空氣洗井鉆進(jìn)、優(yōu)質(zhì)泥漿洗井護(hù)壁和牙輪鉆進(jìn)、空氣錘鉆進(jìn)等新技術(shù)和新方法,使水文水井鉆探技術(shù)和成井工藝有一個顯著的提高。