浅谈水文地质钻探布孔和钻探技术

浅谈水文地质钻探布孔和钻探技术

陈小芳

广西聚海工程勘察设计有限公司     53003

摘要：水文地质钻探，由于其设备复杂沉重、成本昂贵、施工技术复杂且工期长，对整个勘查的完成、勘查项目的投资均起决定作用。本文主要探讨水文地质钻探的基本任务、水文地质勘探钻孔的布置原则及钻探工作的基本要求，并且深入研究了水文地质钻探技术的多种方法。

关键词：水文地质钻探；钻探技术

水文地质勘察是综合利用各种勘察技术手段所开展的一项水文地质工程，水文地质钻探则是利用钻探设备直接探明地下水的一种重要可靠的勘察技术手段之一，通过对施工区域内地下结构中的岩层分布、地下结构、水文地质等情况进行全面勘察与了解，根据勘察工作的结果及相关数据为工程设计方案提供精确的数据信息基础。

一、水文地质钻探任务和基本要求

1、保证数据准确可靠。水文地质钻探是以获取准确可靠的水文地质资料，满足地质设计要求，给工程设计方案提供详细地质数据目的而进行，因此，在进行钻探设计和施工过程中采取切实可行的最优方法与工艺，满足地质设计要求的同时，还要努力提高地质设计的准确程度，最大限度减少因设计不当而造成数据误差，导致损失。地质人员提交的数据资料必须真实、准确、可靠，不得伪造钻孔原始资料数据。

2、科学合理地选择钻探设备。钻探施工要始终贯彻“优质、高效、低耗、质量”和“安全第一”的原则，推广钻探新设备、新方法、新工艺的应用，提高经济效益。同时，在加强全面质量管理的活动中，既要反对片面地追求新技术运用，也要反对忽视安全和不注重经济效益。根据项目实际情况选择合适的钻机，既要高质量高效率完成任务，又要充分考虑经济性，及时因地制宜调整钻机参数，提高设备的先进性，确保施工可以顺利进行。平时要加强对钻机的日常维护工作，如果发现钻头出现磨损，应该及时更换，确保钻机使用效率。

3、改良钻孔布置。在进行水文地质钻探工作中，应该按照不同功能使用不同的探孔，在实验和开采过程中，要将探孔分开使用，在布孔的过程中要遵循相应原则，在设计钻孔参数过程中，应该充分考虑钻孔类型及当地出水量，防止产生大量废孔，提高孔的利用效率。

4、遵守规程规范，安全施工。从事水文地质钻探的全体人员，必须认真学习和严格遵守行业和专业规程规范，遵守安全生产准则，遵守单位制定的有关实施细则和补充规定。 

5、加强人员培训。随着高科技产品和技术运用到水文地质钻探工作中，设备逐渐实现自动化，对相关的施工人员也提出了更高的要求，施工人员不仅要掌握钻探知识，学会使用相关设备，还要对技术操作规范有更深入的了解，并且在实际工作中提高应变能力，不断积累施工经验，提高工作效率。

二、水文地质勘探钻孔的布置

1、水文地质勘探钻孔的布置原则

   水文钻探技术复杂，必须严谨认真的对待钻探工作，力求达到科学性和经济性双重效果。

1.1要全面考虑钻孔位置，尽量做到“一孔多用”，如既是水文地质勘探孔，又可保留作为地下水动态观测孔；或者既是勘探孔，又可留用为开采井。作为钻孔布置的考虑因素之一，合理规划达到综合长期使用的效果。

1.2布置钻孔时要考虑水文钻探的主要任务，是查明区域水文地质条件、求取含水层水文地质参数、寻找基岩富水带，还是评价地下水资源和进行地下水动态观测。主要任务不同，其代表性和控制意义也不同，钻孔布置方案也就要有所区别。

1.3水文地质钻孔应布置成勘探线的形式，便于了解认识区域水文地质条件的变化规律。以供水勘查为目的的勘探孔，按总原则布置钻孔时，应考虑勘探和开采结合，钻孔应布置在含水层富水性最好、成井把握性最大的地段；以查明区域水文地质条件为目的布置的钻孔，多布置成勘探线的形式，须考虑拟采用的地下水资源评价方法，勘探孔所提供的资料应满足建立正确的水文地质概念模型、进行含水层水文地质参数分区和控制地下水流场变化特征的要求。

2、水文地质钻孔的基本类型

2.1勘探孔

通常用于中小比例尺的区域水文地质普查，通过钻探取心进行地层描述和简易水文地质观测，主要用于了解水文地质情况，如地层的岩性、构造、含水层数、厚度、埋深和结构等。

3.2试验孔

用于各种比例尺的水文地质普查与勘探，通常采用较大孔径，获取水文地质参数，评价与计算地下水资源，主要用于抽水试验，同时也可用于了解水文地质情况。

3.3观测孔

有抽水试验观测孔和长期观测孔两种，通常用于大中比例尺的水文地质勘探，主要用于指定层段抽水试验时地下水位观测和地下水长期动态观测，了解水文地质条件或采取水样、岩样，用于试剂的投放和检测。

3.4开采孔

在各种比例尺的水文地质普查与勘探中均会遇到，钻孔结构应满足一定的水量、水质要求，对于探采结合孔，为满足了解水文地质条件和抽水试验的需要，可采用小口径钻进取芯，然后大口径扩孔成井的施工方法。

三、水文地质钻探技术

1、多工艺空气钻探技术

空气钻进是指用压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或者既用其作为破岩机具的动力，又兼作冲洗介质的一种钻进工艺方法。近几年来发展很快，技术成熟，逐渐形成包括循环介质、循环方式、碎岩方法和应用领域的多工艺空气钻进技术体系。

2、多介质反循环钻探技术

反循环钻进是指钻探过程中循环介质同常规钻探方法的循环方向相反，反循环钻进一般采用双壁钻具，根据循环介质的不同，反循环钻探技术主要分为空气反循环和水力反循环。在地质钻探工作中，反循环钻探技术具有良好的适用性，主要有两种形式，一是空气反循环，以压缩空气作为主要循环介质，基于双壁钻杆的外管作用下，将压缩空气运送至孔底部位置，空气膨胀后会产生一定冲击力，最终作用于岩石上，此时双壁钻杆中心通道返回地表，并夹带出一定量的岩屑作为地质钻探取样样本，为地质钻探工作人员取样化验提供便利。二是水力反循环，以清水或泥浆作为循环介质，在实际应用中与空气反循环存在异质性，基于双壁钻杆将液体介质输送至孔底部位置，取得柱状岩心后，通过中心通道将其携带至地表，为地质钻探工作人员化验操作提供便利。由于反循环钻进具有独特的双壁钻具结构，无需提出孔内钻具就能获取所需的地质样品，时间利用率高，钻进效率高，成本较低，劳动强度低，判断岩层变化及时；洗井效果好，孔底清洁，钻头寿命长，实现了钻进、取样同时进行，达到了优质、高效的目的，但是其效率和钻进速度没有空气反循环连续取样的方法高，耗能也比较大，不适用于干旱地区或缺水区域。

反循环钻探技术除了适用于地质勘探取样工程，还可用于水文水井的勘察与施工、松软易塌陷地层中的爆破孔成孔以及复杂地层中的注浆、锚固施工，这些都是充分利用双壁钻杆的隔空性能，来判断孔底情况、提高装药率和顺利成孔。

3、绳索取心钻探技术

绳索取心钻探技术是一种应用较广泛的便捷式地质取心钻探技术，在实际应用中无需提取钻杆，能够直接将岩心取出，该技术对地层适应性广。我国勘探所1973年首次研制成功用于岩心钻探的绳索取心钻具，后续逐步研究开发出多种系列产品，水文水井绳索取心钻具系列，坚硬“打滑”地层用绳索取心钻具系列，用于深孔的重型绳索取心钻具，松软破碎地层及煤系地层的绳索取心半合管钻具系列和绳索取心塑料三层管和超前管钻具等，与此同时，还研究开发了一种新型钻探技术——组合钻探技术，将空气反循环连续取样、水力反循环连续取心及绳索取心钻探技术有机结合起来，采用一套钻杆和辅助器具就能完成，达到了因地施钻，满足地质要求，提高钻探效率，降低钻探成本。该项技术可较好地用于水文地质勘查与固体矿产勘探。

绳索取心钻探技术是目前使用比例最高的一种钻探技术，取心质量高、钻进深度低。它能够提高钻探的效率，减少钻具的在升降过程中的辅助时间，增加纯钻进时间；出现堵塞问题时，可以随时打捞，为减少钻杆工具与矿心的磨损，减少岩心的脱落，取心率较高；减少频繁的升降、卸钻头带来的磨损，延长钻头的使用时间；不用频繁的提升钻杆，减少工作人员的劳动强度，降低能量燃料的消耗，减少冲洗液对孔壁的冲击，保护孔内安全。适用范围基本上涵盖了各个专业领域：工程地质钻探、固体矿产钻探、石油天然气钻探、水域钻探、坑道钻探、冰层、地热钻探、科学深孔钻探等。随着地质勘探事业的发展，该钻探技术还将不断伸入到其他领域。

4、液动潜孔锤钻探技术

液动潜孔锤钻探是基于回转钻探的基础上所形成的，以冲洗液驱动液动潜孔锤运动后，钻头受到一定的冲击力，最终完成破岩操作。它可产生具有一定冲击能量和频率的载荷，从而可大幅度提高5级以上地层钻探效率，克服金刚石钻进“打滑”问题，在岩心易堵塞的破碎岩层中延长回次进尺，从而保证地质钻探工作顺利开展。

液动潜孔锤钻探是对常规回转钻探的革新，在冲击和回转力的共同作用下，能够大幅提高硬岩的钻进效率，减轻了井孔的倾斜度，降低打孔成本。其最大的优势就是较好地利用了坚硬岩石的脆性大、抗剪强度低的特点，坚硬岩石、复杂地层的钻探、钻孔质量差的问题都可以通过利用该钻探技术来解决。

液动潜孔锤钻探技术适用于坚硬岩层、脆性较大的地层的地质钻探，使用时由于是高频振动，设备的紧固需要注意，液压泥浆的质量好坏决定液动锤的磨损大小，影响使用寿命，泥浆要润滑性好、含砂量低、粘稠度低。其不足和有待发展之处就是在高强工作条件下的潜孔锤的使用寿命、工作性能与牙轮钻头的合理匹配等方面。目前液动潜孔锤钻探技术已应用于地下水勘查、水井与地热、油气井、地质岩心钻探、水下爆破及工程地质勘察等领域，且在推广应用中能取得良好的效益。

5、受控定向孔钻探技术

受控定向钻探技术是用专用的钻探造斜工具及相应的钻探工艺，按设计轨迹进行人工控制钻孔方向，使钻孔按最终设计的空间坐标钻到预定目的层的钻探方法。用这种方法完成的钻孔称为受控定向钻孔（简称定向钻孔），按钻孔在空间形态可分为单定向孔、分支孔、垂直平面羽状孔和集束孔。该钻探技术可在一个主孔的不同深度、不同方向钻出多个分支孔，可大大提高钻探效率，节约成本，提高钻孔的综合利用率。

受控定向孔钻探技术用于开发地热及水文水井钻探等方面，能较好的扩大地热井及水井的采集面积，丰富水源的水量；在涉临枯竭的水井中，可以在同一主井实施放射状水平井，以提高水井的采取率及延长使用寿命，使枯井起死回生；对接连通井技术可将地下干热岩转换成地热，以充分发挥地下能源的有效作用，为民造福。

四、结束语

新型节水钻探工艺以超声波电镀技术制造金刚石钻头方式为主，实现了地质钻探设备钻头的研发，在实际应用中有效的提升了钻进速度，钻头的寿命得到可靠保证，并且在一定程度上提高了地质钻探工作的生产效率，新型节水钻探工艺在干旱地区、浅部无水而深部有水地区的地质钻探工作中发挥着重要的作用。基底岩石层的钻探技术，采用大口径钻探，这样可以增加钻进的直径，使抽水试验顺利完成。管内分层技术可以清晰获取不同的含水层特点和参数，如此一来，获得的数据更加精准和高效，还可以将之前的岩孔当作新的钻探孔，将其作为钻探孔的助钻孔，可以监测到地下水的分布。当前科学技术发展条件下，水文地质钻探新工艺和新材料不断涌现，在地质钻探工作中得到广泛应用，取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

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