水文水井鉆探工藝及設備發(fā)展情況

  水文水井鉆探是探明和開(kāi)采地下水資源的重要手段之一。近年來(lái)由于我國工農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要,大量的開(kāi)發(fā)利用地下水資源,地下水位逐年下降,建井越來(lái)越深,成本越來(lái)越高。因此,建井技術(shù)、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(shù)特點(diǎn),研制具有世界先進(jìn)水平的新型鉆探設備,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(diǎn)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(diǎn):

 

  (1)鉆孔直徑大,一般在直徑150mm～800mm之間。由于口徑大,鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑多,當采用正循環(huán)鉆進(jìn)方法時(shí),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(guò)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(guò)濾器,所以要求鉆孔在100m以?xún)绕辈淮笥?°,1000m以?xún)绕辈淮笥?°。

 

  (4)水文水井鉆探屬大口徑鉆進(jìn),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(jìn)。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(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性。

 

  (5)水文水井鉆探工期短,流動(dòng)性大,搬遷頻繁, 要求鉆進(jìn)工藝所使用的鉆探設備不能過(guò)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(jià)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備投資少,鉆探成本低。 由于水文水井鉆探的上述特點(diǎn),決定了對鉆進(jìn)工藝和鉆探設備的要求,即要求達到快速鉆進(jìn)的目的,所選擇的鉆進(jìn)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(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(cháng),易于加工,便于推廣。

 

  2 國內外水文水井鉆進(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(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)細砂、硫砂層比較困難。這種鉆探方式突出的優(yōu)點(diǎn)是:鉆探設備少;操作簡(jiǎn)單;易于搬遷;用水量小;鉆開(kāi)含水層時(shí),不易堵塞和污染含水層;不需附加供水設備和泥漿。缺點(diǎn)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(gè)體打井隊。

 

  2.2 回轉鉆探

 

  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)用于穩定地層,泥漿鉆進(jìn)用于次穩定或不穩定地層。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(diǎn)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?？諝忏@進(jìn)除機械鉆速高以外,另外的優(yōu)點(diǎn)是:可以在鉆井液漏失地層和供水難地區使用;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(wú)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,不需考慮粘土供應和泥漿制備等有關(guān)工作,從而簡(jiǎn)化了工作過(guò)程?？諝忏@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,效果比運水打鉆提高效率1倍,平均每米運水費為170元,空氣鉆進(jìn)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(shí)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(lèi)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(lái)分又可分為泵吸、射流、氣舉反循環(huán);從鉆桿類(lèi)型來(lái)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)濟合理的鉆進(jìn)深度為100m～120m,最大深度可達200m;射流反循環(huán)在50m以?xún)刃瘦^高,為氣舉反循環(huán)的2.5倍。隨著(zhù)井深增加,排渣能力逐漸下降,鉆進(jìn)效率相應降低,最大孔深可達250m。氣舉反循環(huán)在50m時(shí)可以保持穩定的鉆進(jìn)效率。在實(shí)際工作中,孔深在50m以?xún)榷嗖捎帽梦囱h(huán)或噴射反循環(huán),孔深大于50m時(shí),多采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn),因為它隨著(zhù)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(cháng),成井質(zhì)量好,在復雜地層中鉆進(jìn)安全可靠,并能實(shí)現連續取樣(芯)鉆進(jìn),節省輔助時(shí)間和減輕勞動(dòng)強度等特點(diǎn),已成為國內外鉆進(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(kāi)孔外,多用于樁基施工鉆進(jìn)方面?，F氣舉反循環(huán)鉆探技術(shù)已在地質(zhì)、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(gè)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?？傔M(jìn)尺20萬(wàn)余米,節約水井鉆探成本約500多萬(wàn)元,采用此技術(shù)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(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雜地層鉆進(jìn)。所以,美國和德國為了廣泛應用此項技術(shù)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(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,沖洗液不能達到所要求的上返速度,因而水文水井用回轉正循環(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,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(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,孔底干凈,減少孔底重復破碎,可延長(cháng)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(lái)說(shuō),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(shí),沖洗介質(zhì)不與含水層接觸。另外,它還可簡(jiǎn)化抽水試驗工藝,直接利用鉆具進(jìn)行抽水試驗。2.3 沖擊回轉鉆探在工藝上又分為液動(dòng)潛孔錘和氣動(dòng)潛孔錘,適用于鉆進(jìn)基巖硬地層,其鉆進(jìn)速度比回轉鉆進(jìn)高50%～100%。液動(dòng)潛孔錘耗用功率較大,目前僅應用于小口徑巖心鉆探?，F在我國已有好幾個(gè)廠(chǎng)家生產(chǎn)直徑110mm～350mm的氣動(dòng)潛孔錘,同時(shí)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(dòng)潛孔錘,并且該公司還和我國上海壓縮機廠(chǎng)合作生產(chǎn)螺桿式高風(fēng)壓高風(fēng)量空氣壓縮機,進(jìn)行生產(chǎn)施工配套,這些都為我國推廣應用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)奠定了基礎?，F從我國該技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,已趨于成熟。如山西第二水文工程地質(zhì)勘察院,近年來(lái)采用氣動(dòng)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)濟效益非常顯著(zhù)。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(wàn):水文水井鉆探工藝及設備發(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)等也得到了應用。另外在松軟地層還廣泛地使用無(wú)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)濟效益。 3 水文水井鉆探設備發(fā)展情況 近年來(lái)水文水井鉆機的結構和品種,

 

  隨著(zhù)鉆進(jìn)方法的發(fā)展也在不斷地變化。鉆機本身不但隨著(zhù)方法而變化同時(shí)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(dòng)類(lèi)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。

 

  鉆探設備與鉆進(jìn)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(pán)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(chē)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(chē)裝鉆機。對于全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機來(lái)說(shuō),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(dòng)力頭式車(chē)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(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機。70年代初期我國電力系統還引進(jìn)了美國T4W全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機,建設系統還引進(jìn)了西德B3A全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機,煤炭系統引進(jìn)了法國R28全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機。近年來(lái)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(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機,這些都為我國發(fā)展全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機起到了促進(jìn)作用。但由于我國的實(shí)際情況,全液壓動(dòng)力頭 式車(chē)裝鉆機未能全面推廣使用。 從國外的水文水井鉆機發(fā)展趨勢來(lái)看,鋼繩沖擊式鉆機日漸減少。在鉆進(jìn)卵、礫石層時(shí)多采用風(fēng)動(dòng)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(pán)及動(dòng)力頭式回轉鉆機。全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機使用日漸增多

 

  美國在整個(gè)水井鉆進(jìn)中,此種類(lèi)型鉆機占20%～30%，美國英格索蘭公司生產(chǎn)的鉆機都為全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機。據資料分析  ,西德的全液壓動(dòng)力頭式車(chē)裝鉆機占整個(gè)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(guò)液壓控制系統實(shí)現加壓、減壓、給進(jìn)、變速、回轉、鉆具升降及擰卸、鉆進(jìn)參數測量、鉆機孔口移動(dòng)等工序,操作手柄全部集中在一個(gè)獨立的控制臺上,實(shí)現集中手柄操縱。頂部驅動(dòng)方式既有立軸式鉆機的穩壓優(yōu)點(diǎn),又具備轉盤(pán)式鉆機長(cháng)行程給進(jìn)的長(cháng)處。 它與轉盤(pán)式鉆機相比,具有以下特點(diǎn): (1)不需要專(zhuān)門(mén)的主動(dòng)鉆桿,加接鉆桿時(shí),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(shí)現升降工序機械化及塔上無(wú)人操作;(4)加減壓機構和鉆進(jìn)絞車(chē)可以合為一體。

 

  液壓技術(shù)在水文水井鉆進(jìn)中的應用日趨廣泛。如桅桿的伸縮和起落、水泵的驅動(dòng)、泵量的改變、移擺管裝置的驅動(dòng)以及水平千斤頂的操作等都實(shí)現了液壓化,大大減輕了工人的勞動(dòng)強度,減少了操作人員?，F代化的水文水井鉆機,每個(gè)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(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(gè)顯著(zhù)的提高。