岩芯钻探设备在供水水文地质勘察中的应用

2015-10-25李俊

黑龙江水利科技 2015年1期

李俊

(安顺市水利水电勘测设计院，贵州安顺561000)

0 引言

由于极端气候的影响，对贵州岩溶地区来说，往往伴随着地表水的干枯和断流，从而对当地村民人畜饮水造成极大的影响，个别地方甚至需要运水车进行供应。为此，贵州省委省政府为解决农村人畜饮水安全，加大了对地下水源勘探及开采力度，近几年在全省范围内实施或拟实施的水文勘探井几千口。如此大批量的实施勘探孔，设备数量的配置是一大难题，同时贵州多岩溶山区的特点，部分极需水源地区的交通条件极差，稍大型的钻探设备(水井钻机)无法运至勘探点，利用小巧、轻便的岩芯钻探设备，解决了设备搬迁的难题，也充实了勘探设备，为贵州地下水资源的勘探开发的顺利推进提供支撑，也拓展了该设备的应用领域。

1 工程概况

2013年度铜仁地区地下水资源勘查，是贵州省省政府为解决贵州省1300 万缺水人口的饮水安全而实施的地下水资源勘查、开采工程之一。

本次勘查区内布置勘探孔40个，其中松桃县20个，玉屏县12个，思南县8个。区内除少数勘探孔在公路边的、施工设备可直达施工点外，多数勘探孔的钻探施工设备需人工搬运，这对钻探设备的选择提出了新的要求。

1.1 地层情况

勘查区为峰丛洼地、溶丘洼地地貌，其中松桃县区域上部土层厚度2 ～8 m、玉屏区域上部土层厚度5 ～7 m、思南县区域上部土层厚度5 ～10 m，含水层多为寒武系中上统娄山关厚层白云岩、白云质灰岩及三叠下统永宁镇组、夜朗组、二叠下统栖霞—茅口灰岩、白云岩夹泥灰岩，溶孔、溶隙发育，岩石可钻性为Ⅵ级。

1.2 勘探孔钻孔结构

本次勘探孔为探采结合孔，以勘探孔的区域水文条件、富水程度的不同，勘探孔钻孔结构为:

1)开孔孔段:孔径Φ230 ～Φ325 mm，揭穿表层松散土及强内化层进入完整基岩≥3.0 m，下Φ219 mm、Φ273 mm普管并水泥固结止以防地表水浸入。

2)成井段:孔径Φ172 ～Φ219 mm，深度≥60 m，下Φ219 mm、Φ273 mm滤管。

3)终孔孔段:孔径φ150 mm，深度150 ～200 m。

2 钻进方法与参数

在勘查区内，根据岩石的机械物理性质，采用的钻进方法主要有2 种:①硬质合金钻进;②空气潜孔锤钻进。

2.1 硬质合金钻进

在交通条件差的、钻孔直径相对较小且水源较充足勘探井，以及第四纪地层和要求全部取心的钻孔，采用硬质合金钻进［1］。

根据地层情况、岩石可钻性级别及孔径合理选取，同时开孔钻进要轻压、慢转，溶蚀、裂隙发育地层钻进，为防孔斜，钻压应控制在正常地层的70%～80%。

一般基岩岩层钻进、孔径的钻进参数见表1。

表1 一般基岩岩层硬质合金钻进参数

2.2 空气潜孔锤钻进

在交通条件好的、钻孔直径相对较大和缺水地段的勘探井，以及水文地质情况已清楚的勘探孔，在钻穿第四系并下井口管固井后，下伏基岩钻进为加快钻进速度，采用空气潜孔锤钻进。根据勘查区岩层性、钻孔结构所选用的钻头规格及采用的钻直外径(Φ89);同时其携岩屑所需的上返风速(≥15 m3/min)。表2 为空气潜孔锤正循环钻进参数表。

表2 空气潜孔锤正循环钻进参数

3 复杂地层钻进与护壁

3.1 钻进工艺措施

在钻进的时候，遇溶、裂隙，孔内涌水大、掉块等，采取泡沫空气潜孔锤钻进、空气潜孔锤反环循钻进钻进方法，缩短成孔时间，成孔后及时下管(滤水管)护壁［2］。

3.2 优质泥浆护壁措施

在溶孔、溶蚀、裂隙发育孔壁掉块、垮塌的不稳定岩石地层，采用优质泥浆护壁措施，由于上述地层通常为含水层，对护壁的泥浆要求其恢复性能不低于80%。

4 滤水管加工与下管

本勘查区勘井为探采结合井，采用经久耐用的无缝钢管作滤水管。井管的内径根据预计出水量、抽水设备的规格等确定。

4.1 滤水管的技术参数及加工

滤管长度为含水层厚度，常为成井段－固井段+0.3 ～2.0 m。其孔隙率为20% ～30%，滤水管眼加工参数组考虑眼径、孔纵间距、孔横间距几个方面。不同管径的滤水管的各管眼参数的孔隙率见表3，依据含水层的具体情况加工。孔隙率计算公式:T= d2×h/40 ×D。井管连接:采用丝扣或电焊连接，井管连接成管柱后，轴心线应一致。

表3 孔隙率计算

4.2 下管方法

滤水管的下法，根据升降机的提升能力、管总重量进行选择。其主要有2 种形式:

1)悬吊下管法:在升降机的提升能力大于井管总重，采用夹板夹信管端，利用升降机起吊下入孔内。

2)浮托下管法:在升降机的提升能力小于(略大于)井管总重时，为减轻下管时设备的负荷，改善管柱本身的受力状态，采用浮托下管法。采用在井管的实管部分加浮板或浮力塞，使孔内液体不进入管内，使井管产生浮力而减轻管柱重量。此法对含水层浅的孔不太适应［3］。

4.3 下管前的准备和基本要求

在进行下关的时候，首先要对孔深进行校正，确定好过滤管长度、安装位置以及下管深度;其次要依据下关的先后顺序，将每一根井管进行编号、排列、丈量、试扣，从而确保过滤管安装位置和下管深度的精确性。在对与井管进行检查的时候，不达到质量要求的井管不得下入孔内，同时，对于下管工具和设备，不符合安全要求者不准使用。

4.4 下管工艺和操作要求

在进行下关的时候，主要针对两种不同的井管进行操作:

1)电焊连接的井管，其下管的时候两端应车平，并将一端倒角，焊接时，管口内外壁要对平、焊正、焊牢，必要时应采用拉力筋加固。

2)螺纹连接的井管，在丝扣出要涂油，连接螺纹时候要上满拧紧，如果螺纹配合不好，丝扣上歪或丝扣损坏时，不可以勉强紧扣，要卸开重上或更换。

5 洗井

洗井是为了清除在钻进过程中孔内岩屑和泥浆对含水层的封闭，同时抽出裂隙中的泥土、粉砂、细砂以疏通含水层，使其达到应有的出水量和提高探井的使用寿命。洗井主要依据本勘查区含水层的结构、地下水头压力、井管材质、孔身结构、井管类型，然后采用活塞洗井法、液态二氧化碳洗井法、空压机震荡洗井法［4］。

5.1 活塞洗井法

活塞洗井采用3 种形式实现:①钻杆提拉、下压的方法;②钢绳提拉活塞法(提拉速度0.5 ～1 m/s);③抽拉洗井法(在提拉活塞的同时，用空压机通过钻杆向孔内送风抽水)。在使用活塞洗井法的时候，活塞的胶皮外径要和井管内径呈现出一致的状态，在洗井的时候要进行定时检查。对于受到磨损的胶皮，需要及时的进行更换。

5.2 液态二氧化碳洗井法

液态二氧化碳洗井法主要向孔内灌入液态二氧化，液体在孔内遇水吸热汽化，产生气体压力，向含水层的孔隙或裂隙深部冲击地下水，并推动孔内水柱上升，形成井喷;井喷的同时，孔内水位降低而形成瞬时负压，在地层压力作用下，地下水携带大量细颗粒岩屑和裂隙充填物及孔壁破碎物涌入孔内，并随着井喷后期排出孔外，疏通了水流通道。二氧化碳用量:浅孔10 ～20 瓶，中深孔20 ～30 瓶。