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業生產發展的需要,大量的開發利用地下水資源,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、鉆探設備、成井工藝也需要隨之提高或更新。如何結合我國水文水井鉆探技術特點,研制具有世界先進水平的新型鉆探設備,已成為水文水井鉆探技術工作者的一項任務。

 

  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,鉆進過程中產生的巖屑多,當采用正循環鉆進方法時,就需要有大排量的沖洗液設備將巖屑排至地表。

 

  (2)鉆孔深度小。一般在數十米至數百米之間,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外,一般水文水井鉆探均用中小型鉆機。

 

  (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以內偏斜不大于1°,1000m以內偏斜不大于5°。

 

  (4)水文水井鉆探屬大口徑鉆進,而且主要是在第四紀松散的卵石層、砂礫石層以及砂土、粘性土等地層鉆進。這些地層膠結性差,易坍塌,沖洗液易漏失。也有部分鉆井孔在基巖層中鉆進,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種地層,這就要求所采用的鉆進工藝和鉆具對各種不同地層有一定的適應性。

 

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

 

  (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工藝,較油井或固體礦床鉆孔的設備投資少,鉆探成本低。 由于水文水井鉆探的上述特點,決定了對鉆進工藝和鉆探設備的要求,即要求達到快速鉆進的目的,所選擇的鉆進工藝必須是:設備輕便,易于搬遷,有足夠的巖屑排除能力,鉆進效率高,能控制鉆孔偏斜,保證鉆孔質量;所使用的鉆具要求成本低,壽命長,易于加工,便于推廣。

 

  2 國內外水文水井鉆進工藝及鉆具的分析

 

  水文水井鉆探所遇地層復雜,不同的鉆進方法在不同地層中的鉆進效果是不同的。當前水文水井鉆探方式大體上可分為:鋼絲繩沖擊鉆探、回轉鉆探、沖擊回轉鉆探3種。

 

  2.1 鋼絲繩沖擊鉆探

 

  這是最古老的一種鉆進方法,用于鉆進卵礫石、致密性基巖效果較好,但對鉆進粘土、淤泥、砂巖、變質巖、花崗巖鉆速慢,對鉆進細砂、硫砂層比較困難。這種鉆探方式突出的優點是:鉆探設備少;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用,但多數為個體打井隊。

 

  2.2 回轉鉆探

 

  在鉆進方法上又分為沖洗液鉆進(即正循環鉆進)、空氣鉆進、反循環鉆進。

 

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

 

  (2)空氣鉆進,在鉆進工藝分為:純空氣鉆進,用于穩定地層;霧化清水鉆進,用于濕潤地層;霧化泥漿鉆進,用于穩定地層;粘性泡沫鉆進,用于大直徑鉆孔;充氣泥漿鉆進,用于漏失地層。使用空氣的最大特點是機械鉆速成倍提高,因為空氣比液體輕得多,對孔底的壓力降低。空氣鉆進除機械鉆速高以外,另外的優點是:可以在鉆井液漏失地層和供水難地區使用;其鉆進的軸向壓力只是泥漿鉆進的一半左右,這對大口徑無巖心鉆進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,提高鉆頭進尺,不需考慮粘土供應和泥漿制備等有關工作,從而簡化了工作過程。空氣鉆進法,除了油、氣井、露天采礦上普遍采用外,在水文地質鉆探和水井鉆進中也較多地采用。我國原地礦部80年代初曾立項進行空氣鉆進研究,曾在保定、北京房山等地進行空氣鉆進水井生產試驗,由于干旱缺水,效果比運水打鉆提高效率1倍,平均每米運水費為170元,空氣鉆進耗油費僅每米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,空氣鉆進法在水文地質鉆探與水井鉆進中具有很大的發展前途。

 

  (3)反循環鉆進,按沖洗介質的類型不同,反循環鉆進可分為空氣(包括泡沫、霧氣等)反循環與沖洗液反循環;以返水原理來分又可分為泵吸、射流、氣舉反循環;從鉆桿類型來分又可分為單管、雙管和三管反循環等。在水文水井鉆探中以氣舉反循環鉆進用得最多。泵吸反循環經濟合理的鉆進深度為100m～120m,最大深度可達200m;射流反循環在50m以內效率較高,為氣舉反循環的2.5倍。隨著井深增加,排渣能力逐漸下降,鉆進效率相應降低,最大孔深可達250m。氣舉反循環在50m時可以保持穩定的鉆進效率。在實際工作中,孔深在50m以內多采用泵吸反循環或噴射反循環,孔深大于50m時,多采用氣舉反循環鉆進,因為它隨著孔深的增加鉆進效率不斷提高。由于反循環鉆進具有鉆進效率高,鉆頭壽命長,成井質量好,在復雜地層中鉆進安全可靠,并能實現連續取樣(芯)鉆進,節省輔助時間和減輕勞動強度等特點,已成為國內外鉆進水井、水文地質鉆孔以及大口徑工程施工孔的主要技術方法之一。在我國水井鉆探方面,反循環應用最多的為 氣舉反循環鉆進,而泵吸、射流反循環鉆進除水井鉆探開孔外,多用于樁基施工鉆進方面。現氣舉反循環鉆探技術已在地質、冶金、建設、水利、煤田和軍工等系統水井鉆探中推廣應用,覆蓋面遍及全國

 

  29個省市自治區,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。總進尺20萬余米,節約水井鉆探成本約500多萬元,采用此技術達到的最大孔深為1117.36m,目前深水井以及地熱鉆探也正在采用。 在國外如德國水文水井鉆探主要是采用氣舉反循環鉆進,而美國氣舉反循環鉆進技術主要用于較深鉆孔和一些復雜地層鉆進。所以,美國和德國為了廣泛應用此項技術從鉆具到設備都已成系列配套,而我國在這方面還有一定差距。 回轉正循環使用沖洗液鉆進,對松散地層和部分基巖層,只要鉆探設備有足夠的排巖能力,就能獲得很高的鉆進效率。但目前水文水井鉆探用的泥漿泵排量小,沖洗液不能達到所要求的上返速度,因而水文水井用回轉正循環沖洗液鉆進往往不能獲得較高的鉆進效率。空氣鉆進方法效率很高,但需要有很大排量的空壓機,對地層也需要有一定的穩定性,因而普遍應用受到一定限制。反循環鉆進工藝適用于多種地層,沖洗液上返速度高,排巖能力強,孔底干凈,減少孔底重復破碎,可延長鉆頭的使用壽命,鉆進效率較正循環鉆進成倍提高。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時,沖洗介質不與含水層接觸。另外,它還可簡化抽水試驗工藝,直接利用鉆具進行抽水試驗。2.3 沖擊回轉鉆探在工藝上又分為液動潛孔錘和氣動潛孔錘,適用于鉆進基巖硬地層,其鉆進速度比回轉鉆進高50%～100%。液動潛孔錘耗用功率較大,目前僅應用于小口徑巖心鉆探。現在我國已有好幾個廠家生產直徑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各種型號氣動潛孔錘,并且該公司還和我國上海壓縮機廠合作生產螺桿式高風壓高風量空氣壓縮機,進行生產施工配套,這些都為我國推廣應用氣動潛孔錘鉆進技術奠定了基礎。現從我國該技術的發展來看,已趨于成熟。如山西第二水文工程地質勘察院,近年來采用氣動潛孔錘鉆進技術先后施工水井多眼,最大孔深700余米,取得的經濟效益非常顯著。由于這種方法采用壓縮空氣作為洗井介質,代替了以水為介質 7 8第4期               許劉萬:水文水井鉆探工藝及設備發展情況

 

  的循環方式,有利于在干旱、缺水和寒冷地區及永凍地層鑿孔,尤其適用于極硬、中硬地層中全面鉆進。 水文水井鉆探除了上述鉆進方法取得了明顯的進展外,其它諸如繩索取心鉆進、定向鉆進等也得到了應用。另外在松軟地層還廣泛地使用無沖洗液鉆進法:如螺旋鉆進法、鉆斗鉆進法、抓斗鉆進法。因此,只有根據不同的地質、地理和技術條件發展各種鉆進方法才能提高水文水井鉆進的經濟效益。 3 水文水井鉆探設備發展情況 近年來水文水井鉆機的結構和品種,

 

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

 

  鉆探設備與鉆進方法還不配套,古老的鋼繩沖擊鉆機還在使用。目前大量使用的轉盤式水文水井鉆機有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、水源2000鉆機,車裝鉆機用的最多的SPC-300H鉆機,出國施工配套的多為SPC-300T 太脫拉車裝鉆機。對于全液壓動力頭式車裝鉆機來說,我國為了縮小與國外先進水平的差距,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,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。70年代初期我國電力系統還引進了美國T4W全液壓動力頭式車裝鉆機,建設系統還引進了西德B3A全液壓動力頭式車裝鉆機,煤炭系統引進了法國R28全液壓動力頭式車裝鉆機。近年來美國英格索蘭公司還與我國宣化合作生產有關型號的全液壓動力頭式車裝鉆機,這些都為我國發展全液壓動力頭式車裝鉆機起到了促進作用。但由于我國的實際情況,全液壓動力頭 式車裝鉆機未能全面推廣使用。 從國外的水文水井鉆機發展趨勢來看,鋼繩沖擊式鉆機日漸減少。在鉆進卵、礫石層時多采用風動潛孔錘。在西方,立軸式回轉鉆機的使用日漸減少,多采用轉盤及動力頭式回轉鉆機。全液壓動力頭式車裝鉆機使用日漸增多

 

  美國在整個水井鉆進中,此種類型鉆機占20%～30%，美國英格索蘭公司生產的鉆機都為全液壓動力頭式車裝鉆機。據資料分析  ,西德的全液壓動力頭式車裝鉆機占整個水文水井鉆機的50%左右。 國外新型全液壓鉆機的操作機械化程度高。通過液壓控制系統實現加壓、減壓、給進、變速、回轉、鉆具升降及擰卸、鉆進參數測量、鉆機孔口移動等工序,操作手柄全部集中在一個獨立的控制臺上,實現集中手柄操縱。頂部驅動方式既有立軸式鉆機的穩壓優點,又具備轉盤式鉆機長行程給進的長處。 它與轉盤式鉆機相比,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)可以邊回轉邊起下鉆具,有助于減少孔內事故; (3)便于實現升降工序機械化及塔上無人操作;(4)加減壓機構和鉆進絞車可以合為一體。

 

  液壓技術在水文水井鉆進中的應用日趨廣泛。如桅桿的伸縮和起落、水泵的驅動、泵量的改變、移擺管裝置的驅動以及水平千斤頂的操作等都實現了液壓化,大大減輕了工人的勞動強度,減少了操作人員。現代化的水文水井鉆機,每個機臺只要2人操作。因此,應加快我國全液壓水文水井鉆機的研制與推廣工作。

 

  另外還要根據各種水文水井的鉆進要求,研制特殊用途的鉆探裝置。建議廣泛采用反循環鉆進、空氣洗井鉆進、優質泥漿洗井護壁和牙輪鉆進、空氣錘鉆進等新技術和新方法,使水文水井鉆探技術和成井工藝有一個顯著的提高。