地下水监测井钻探施工技术

2019-10-10赵建粮李卫华

钻探工程 2019年9期

王刚，王烁，赵建粮，李卫华

(1.河南省地矿局第二地质环境调查院，河南郑州 450053； 2.河北地质大学，河北石家庄 050031)

0 引言

随着经济和社会的快速发展，人类活动对地质环境的影响日趋严重，地下水的过量开采和水质污染等问题日渐突出，严重制约了经济社会的发展。为科学、合理开发利用地下水资源，需要对地下水进行监测，多数发达国家在20世纪末已建成了完善的地下水监测网。我国地下水的监测工作起步相对较晚，2014年7月，国家发展和改革委员会批准了水利部和国土资源部联合报送的《国家地下水监测工程项目建议书》，开始实施国家级地下水监测工程。2015年河南省范围内国家级地下水监测工程国土部分、水利部分先后开始实施，2017年完成。2016年河南省级地下水监测工程开始实施，2018年完成。已实施的国家与省级地下水监测工程基本分布在黄淮平原、洛阳盆地、南阳盆地及灵三盆地，主要监测孔隙地下水、其次为基岩裂隙水和岩溶水。河南省范围内已经实施的地下水监测工程概况详见表1。利用监测井观测地下水动态要素是国内实施地下水监测的主要手段，钻探成孔则是监测井施工的重中之重，决定成井质量，直接影响后期监测效果。本文总结了国家级地下水监测工程及省级地下水监测工程实施中监测井钻探施工的一些经验和体会，为今后类似工程施工提供参考。

表1 河南省范围内地下水监测工程统计Table 1 Summary of groundwater monitoring projects in Henan

1 监测的目的任务

地下水监测是在一个地区选择有代表性的泉、井、孔等，按照一定的时间间隔和技术要求对地下水的水质、水温、水量等动态要素进行观测、记录和资料整理的工作[1]。近些年，实施地下水监测的部门主要是国土资源部门和水利部门。国土资源部门开展地下水监测是地质环境监测[2]的一项重要工作，监测重点是地下水的水位、水温的动态变化及发展趋势等，目的是为地面沉降防治[3]、地热、浅层地温能利用等提供基础数据，为防治地面沉降灾害[4]、保护地质环境等政府决策提供依据。水利部门开展地下水监测是水资源统一管理的一项基础性工作，主要为地下水资源的评价、配置、节约、保护和抗旱决策提供依据。

2 监测井的分类

监测井根据区域水文地质条件进行井身结构设计，能够客观、准确、真实地反应出地下水诸要素的动态情况，具有区域代表性。根据含水层的介质类型，监测井可以分为松散层地下水监测井和基岩地下水监测井。松散层监测井包括卵石层地下水监测井。根据监测含水层的数量可分为单层监测井和多层监测井。目前，国家级地下水监测工程监测井多数是单井对应特定的含水层进行监测，少数为一孔监测多层地下水。无论哪种类型的监测井都必须能够客观、准确地反映所监测含水层地下水的特征及变化，能够及时获得所需要的地下水参数。

3 钻探工艺

钻探施工是监测井成孔的技术关键，是最基础的施工工序，其施工质量直接影响监测井的成井质量和监测效果。不同的监测井所采用的钻探工艺也不同，需要根据监测井类型、地质条件确定科学、合理、适用的钻探工艺。

3.1 松散层钻探施工

3.1.1 泵吸反循环钻进

深度100 m以浅的松散层监测井，井径400 mm，管材为PVC-U塑料管[5]，管径200 mm，Ø200 mm割缝式滤水管。地层以第四系粉土、粉细砂和粉质粘土为主的监测井，一般采用泵吸反循环施工工艺。钻探设备选取GF-200型钻机或ZJ-80型钻机，钻具组合为Ø400 mm刮刀钻头+Ø168 mm钻杆，一径成孔。钻进参数：开孔减压钻进，正常钻进时钻压不超过钻具总重的80%。清水钻进，钻进时转速控制在50～75 r/min，泵量根据地层、口径等确定。泵压根据钻孔间隙、孔深等确定，并监控水泵的运行情况，密切注意孔内残余岩屑和沉渣量，防止卡钻和埋钻。

这种钻探工艺的优点是：清水钻进，成井效率高，钻进速度可以达到10 m/h。钻孔孔壁很少有泥皮，便于洗井。缺点是钻探深度有限，一般不超过150 m，且不适用于土质硬的地层。

3.1.2 正循环回转钻进

井深100～350 m的松散层孔隙水监测井，井径450 mm，井管为无缝钢管，管径159～273 mm，同径桥式滤水管。地层为第四系粉土、粉细砂和粉质粘土为主的监测井，一般采用泥浆护壁正循环回转钻进工艺。设备选取SPJ-300型水源钻机或红星-300型钻机，钻具组合为：Ø311 mm三牙轮钻头+Ø114 mm钻铤+Ø89 mm钻杆。初次成孔直径311 mm，钻进到底后扩孔，采用Ø444.5 mm三牙轮钻头扩孔。钻进参数：开孔减压钻进，正常钻进时钻压不超过钻具总重的80%。钻进时转速控制在50～75 r/min。泥浆粘度一般小于30 s，密度1.2 g/cm3，失水量<10 mL/30 min，含砂量<4%。泵量根据地层、口径、泥浆粘度等确定。

这种钻探工艺的优点是：钻孔垂直度好，对地层适应性强。缺点是：钻进速度不快，一般情况下0.5～1 m/h。

3.1.3 冲击钻进

井深50～100 m的卵石层监测井，成孔直径450 mm，管材为PVC-U塑料管，管径200 mm，Ø200 mm割缝式滤水管。场地地层以砂层、砂卵石、碎石等为主的监测井，软硬不均匀，易坍塌，可采用冲击钻进成孔方式，高粘度泥浆护壁，利用捞渣筒捞渣。设备选用GZ-2000型冲击钻机和配套捞渣筒，钻进参数一般为：冲击锤头直径450 mm，锤重0.5～1.2 t，冲击高度500～1000 mm，冲击频率40～45次/min，回次进尺0.2～0.4 m。

这种钻探工艺解决了其他钻探工艺在软硬不均匀卵石层钻进困难的问题，适用于卵石层、砂砾石层、含泥质卵石层等地层的钻进，而且施工设备和工艺简单。冲击钻进的深度受限制，一般不超过100 m，而且钻进效率不高，一般情况下钻进速度0.5～0.8 m/h。为防止孔壁坍塌，钻进过程中需要高粘度泥浆护壁，成孔后孔壁有较厚的泥皮，下管前需要破除泥皮，否则成井后水跃值较大。

3.2 基岩钻探施工

3.2.1 空气潜孔锤钻进

井深50～200 m的基岩裂隙水监测井，成孔直径273 mm。完整基岩段不下管，局部井壁岩体破碎、易掉块时下保护管，管材为无缝钢管，管径245 mm，同径桥式滤水管。地层为泥层、砂岩、白云岩和灰岩等坚硬基岩的监测井，可采用空气潜孔锤钻进工艺[6]，设备选用MD400B型履带式多功能潜孔水井钻机，钻具组合为：Ø273 mm潜孔锤+Ø89 mm钻杆，一径成孔，破碎带跟管钻进。钻进参数为：钻孔压力8～15 kN，送风量20～30 m3/min，转速20～40 r/min；跟管钻进参数为：钻孔压力5～15 kN，送风量20～30 m3/min，转速10～30 r/min。

这种钻探工艺的优点是：针对坚硬的地层钻进速度快，可以达到30 m/h，而且解决了泥浆护壁回转钻进时漏浆的问题。缺点是：施工成本高，当地层破碎或软硬相间时钻进效率不高[7]，且钻孔圆度和垂直度控制效果不好。

3.2.2 回转钻进

井深200～350 m的基岩裂隙水或岩溶水监测井，成孔直径273 mm。井管(破碎地层下管)为无缝钢管，管径245 mm，同径桥式滤水管。地层为泥层、砂岩、白云岩和灰岩等基岩，质地坚硬，采用泥浆护壁回转钻进施工工艺。设备选用SPJ-400型水源钻机或红星-400型水源钻机配套BW-280/30型泥浆泵，钻具组合为：Ø273 mm镶齿牙轮钻头+Ø159 mm钻铤+Ø89 mm钻杆，一径成孔。钻进参数：钻铤加压，钻压5～50 kN，转速50～75 r/min，泵量根据钻进深度、地层情况、钻孔直径、泥浆粘度等确定。泵压根据泥浆粘度、钻孔间隙、孔深等调整[8]。

这种钻探工艺的特点是：对地层和钻探深度适应性强，但钻进效率低，一般情况下0.2～0.5 m/h。在破碎带或岩溶发育地段钻进时，经常会发生漏浆现象，易造成卡钻、埋钻事故。

4 钻进原理与施工技术要点

4.1 泵吸反循环钻进原理与技术要点

泵吸反循环是利用砂石泵(离心泵)在钻杆内腔造成负压产生的抽吸作用,使钻杆内腔液体上升的反循环钻进工艺。泵吸反循环钻进时钻头压入土体并回转，地层一经搅动,钻渣就很快被循环介质携带出孔外。一般松散层孔隙水监测井井深较浅,地层多为第四系粉土、粉质粘土和砂层，钻进效率很高,成孔质量好,成本也低。施工中除严格按照规程操作外，还应重视以下方面问题：

(1)根据孔径、孔深和地层条件，合理选择钻具配置、泵的型号、转速、安装稳定器及导向装置，减少钻头、钻杆摆动问题和因土质不均引起偏心现象。

(2)钻进施工前检查钻具的弯曲、磨损和密封情况，避免影响钻进效率和成孔质量。

(3)钻进和成井期间采用水压护壁，孔内满足3 m以上的水头压力，以确保孔壁不坍塌。

(4)钻进至设计深度并完成清孔排渣后应立即进行下管、投砾等后续成井工作，保持施工的连续性。

4.2 泥浆护壁回转钻进原理与技术要点

泥浆护壁回转钻进是常规的回转钻进工艺，利用钻头转动破碎岩土体，通过泥浆循环将破碎物排出孔外。钻进中严格控制施工参数外还应注意以下问题：

(1)这种钻进工艺是靠泥浆护壁保持孔壁稳定，要保持孔内泥浆面距地面小于0.5 m，且上部有松散的土层时必须下保护管。

(2)泥浆护壁造成成孔后孔壁有泥皮，下管前需要破除泥皮并进行冲孔换浆，否则成井后监测井水跃值较大。

“我看是老贾设计混淆视听，先让你把一盒子钱都当是‘乾隆通宝’一样的价位，再指鹿为马，说你的真钱是假币。这么一来只要你信他的话，真假就难说了。”叶总冷静地分析。

(3)钻进过程中需要密切注意孔内残余岩屑、沉渣量等情况，防止卡钻和埋钻，并根据地层情况调整泥浆密度和粘度。

(4)钻进时选用合理的钻探参数，保持钻铤加压，随时测量孔斜度，及时纠正。

(5)终孔后用特制的钻头扫孔，使井孔圆直，上下畅通，钻头外径与设计井孔直径相适应，长度6～8 m。

(6)下井管前，校正孔径、孔深和测孔斜，满足设计及规范要求。

4.3 空气潜孔锤钻进原理与技术要点

空气潜孔锤是以压缩空气为动力的风动冲击钻进工艺，将压缩空气经过潜孔锤所产生的冲击功和冲击频率直接传给钻头，再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对岩石的脉动破碎能力，同时利用潜孔锤排出的压缩空气将破碎的岩石颗粒排出孔外。施工期间应注意以下问题：

(1)这种钻进工艺施工中振动较大，钻机固定要牢固，钻进中严禁钻机移动，为防止偏孔开孔时应采取慢速冲击。

(2)随钻进深度增加需要调整钻孔压力，否则当地层涌水量变大大、水头高度增加时，岩屑吹不上来，容易造成埋钻和卡钻现象。

(3)钻进过程中遇到破碎带或强风化层等不稳定层位必须采用跟管钻进工艺，跟进套管在含水层段要加工成透水花管。

(4)钻进过程中随旋转振动冲击进尺6～8 m时提升钻具排渣一次，遇到阻力时要向上提升潜孔锤，提升距离0.3～0.5 m。

(5)钻进至设计深度后需要压力清孔2～3 min，清孔压力≮10 MPa。

4.4 冲击钻进原理与技术要点

冲击钻进是对卵砾石层最有效的钻进工艺，在冲击钻进过程中，钻头底刃在切入和破碎岩(土)层的同时，也产生向周围挤压的作用[11]，能使孔壁密实坚固，顺利钻进成孔，对采用回转钻进或其他钻进方法难以钻进成孔的复杂地层有明显的优越性。施工中应重视以下问题：

(1)由于砂卵石层易坍塌，护壁是关键，采用稠泥浆或粘土护壁，上部埋设钢护筒，长度约5.0 m。

(2)开钻前要向孔内灌注高粘度泥浆，保持孔内液面高于地下水位1.5～2.0 m，并低于孔口0.5 m，以防溢出。

(3)在砂及卵石夹土等钻进时，按照1∶1投入粘土，用冲击锥以小冲程(500 mm)反复冲击，使孔壁形成均匀的泥膏层，发挥护壁作用。遇到流沙或厚层砂卵石层时，增加粘土用量，加大泥浆粘度，以保证孔壁稳定。

(4)调整回次冲程也是防止钻孔坍塌的关键，冲程高时对孔底振动大，会造成塌孔。细粒土层钻进时，采用小冲程(500 mm)、高频率反复冲砸，使孔壁坚实不坍塌。在松散砂、砾类土、卵石夹土及高液限或含砂低液限粘土的地层钻进时，采用中冲程(750 mm)。在坚硬密实卵石层或基岩漂石类的土层钻进时，可采用高冲程(1000 mm)。

(5)采用冲击钻进过程中要及时捞渣，捞至泥浆内含渣显著减少，无粗颗粒，泥浆的相对密度恢复正常为止。

(6)由于冲击钻进孔壁泥皮较厚，下井管前应采用同孔径钢丝刷通孔破壁，在含水层孔段上下提拉不少于5回次。然后进行冲孔换浆，泥浆密度达到要求后方可实施后续工作。

5 应用效果分析评价

采用不同钻进工艺施工地下水监测井的钻进效率差别较大。一般情况下，施工1眼井径400 mm、井深70 m的松散层监测井，采用泵吸反循环工艺正常钻速可达20～30 m/h，纯钻探时间仅需要3～4 h；泥浆护壁回转钻进正常钻速3～4 m/h，钻探时间需要2～3 d；冲击钻进正常钻速0.6～1 m/h，钻探时间则需要7～8 d。也就是说泵吸反循环钻进速度最快，钻进效率是回转钻进的20倍，是冲击钻进的60倍。当监测井深度达到100 m时，这种功效比则大打折扣。因为泵吸反循环驱动液体的压力一般小于一个大气压(0.1 MPa)，在浅孔钻进时效率很高，孔深大于80 m时抽吸效率会迅速降低，钻进效率大幅度降低，深度约140 m时钻进工效与回转钻进基本持平。在基岩地区，施工1眼深度200 m的基岩监测井，采用泥浆护壁回转钻进需要30 d左右，采用空气潜孔锤钻进则只需要1～2 d，空气潜孔锤钻进工艺钻进效率是回转钻进效率的15倍以上。不同钻进方式效率对比详见表2。

表2 不同钻进方式效率对比Table 2 Efficiency comparison of different drilling methods

不同钻进工艺施工监测井的成井效果差别也较大。同样的地质条件和井身结构，采用泵吸反循环施工的监测井初始单井出水量最大，洗井时间最短，采用回转钻进施工的监测井次之，采用冲击钻进施工的监测井初始单位出水量最小，洗井时间最长。据统计，采用泵吸反循环施工的监测井初始单井出水量是回转钻进施工监测井的1.2倍，是冲击钻进施工监测井的1.5倍以上。泵吸反循环施工的监测井采用潜水泵抽水的洗井方法即可，洗井时间2～3 h便可以达到水清砂净的效果。泥浆护壁回转钻进施工的监测井，需要采用潜水泵大降深抽水的洗井方法，甚至要增加空压机震荡洗井，洗井时间1～2 d。粘土护壁冲击钻进施工的监测井，需要采用空压机震荡+潜水泵大降深抽水+拉活塞等组合式洗井方式才能达到效果，洗井时间2～3 d。