1、地下水資源與水井牙輪鉆探技術(shù) 中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所 許劉萬,1 地下水資源現(xiàn)狀,隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，地下水的開發(fā)利用愈來愈深，加之人們生活水平的不斷提高，節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境，開發(fā)利用地下水資源已越來越引起國內(nèi)外的高度重視。21世紀(jì)面臨人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)的問題，其規(guī)模和難度都將是空前的。水資源是重要的礦產(chǎn)資源，國家“十一五”計劃綱要強(qiáng)調(diào)水資源的可持續(xù)利用和開源節(jié)流并重，要求合理利用地下水資源。,國土資源戰(zhàn)略中亦要把地下水資源的勘查、開發(fā)和有效利用放在突出位置，尤其要把“加強(qiáng)西北重要工業(yè)、農(nóng)牧業(yè)開發(fā)區(qū)、重要城市、黃土高原等缺水地區(qū)和地方病重災(zāi)區(qū)，防病改水及地下水勘查”，“優(yōu)化地下水資

2、源利用布局”特別列入國土資源部“十一五”計劃綱要中。,我國西北、華北地區(qū)的缺水面積相當(dāng)于國土面積的50%，全國600多個城市，有400多個供水不足，其中嚴(yán)重缺水的城市有100多個，月缺水量達(dá)1500萬噸。因為缺水，全國工業(yè)產(chǎn)值平均每年減少2000多億元。由于大量集中開采淺層地下水資源，造成一系列生態(tài)環(huán)境問題，包括地下水污染，河道常年斷流，城市地面沉降，沿海海水入侵，地下水咸化，農(nóng)田鹽堿化，洼地干枯萎縮。,原因：主要是開采地下水的深度位置過淺，而且被過分集中超采導(dǎo)致淺層地下水（即地表水）天然補給速度低于過分開采速度等。中國城市水資源缺乏原因是大中城市流動人口劇增，生活污水相應(yīng)增多，供需關(guān)系緊張。

3、水資源時空分布極不平衡，每年夏季由于天氣酷熱，自然造成用水高峰期，一旦久旱無雨，使得可供水資源進(jìn)一步減少。供水設(shè)施建設(shè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不成比例，造成城市供水量嚴(yán)重不足，所以按照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，中國已經(jīng)成為一個貧水國。然而經(jīng)濟(jì)發(fā)展的事實有力地說明，缺水不僅嚴(yán)重影響人民群眾的基本生存，而且是造成長期貧困的主要原因。,2 如何解決好地下水資源問題,為了解決好嚴(yán)重缺水問題，許多專家積極獻(xiàn)計獻(xiàn)策，共同為開采地下水“把脈會診”，提高全社會對地下水循環(huán)規(guī)律的認(rèn)識；遵循地表水與地下水多次相互轉(zhuǎn)化、相互調(diào)劑的關(guān)系，提高水資源總利用率；開展深層地下水井及地?zé)峋@井新技術(shù)研究，積極促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，包括研制不同類型的深水井

4、鉆機(jī)和與之配套的新技術(shù)工藝方法，加強(qiáng)已有成果的綜合深入研究，堅持科研與生產(chǎn)單位之間的密切結(jié)合，集中優(yōu)勢技術(shù)力量，盡快研究解決目前我國深層地下水井和地?zé)峋@井技術(shù)難題，優(yōu)質(zhì)高效地開發(fā)深部地下水資源對促進(jìn)干旱缺水地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有非常重要的意義。,3 地下水資源鉆探技術(shù)3.1 鋼絲繩沖擊和沖擊反循環(huán)鉆探,鋼絲繩沖擊鉆探是最古老的一種方法。近年來經(jīng)過不斷革新已發(fā)展成為沖擊反循環(huán)鉆探技術(shù)，受到了廣大用戶的好評。但此種鉆進(jìn)主要用于卵礫石、致密性基巖效果好，但鉆進(jìn)其它地層速度慢。這種鉆探方式突出的優(yōu)點是：鉆探設(shè)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，不需要泥漿。缺點是：在一

5、般地層鉆探效率較低，故除卵礫石和漂石層外，不常采用。,3.2 回轉(zhuǎn)鉆探,在鉆進(jìn)方法上可分為： 3.2.1沖洗液鉆進(jìn)（正循環(huán)鉆進(jìn)）,即清水鉆進(jìn)和泥漿鉆進(jìn)。清水鉆進(jìn)用于穩(wěn)定地層，泥漿鉆進(jìn)用于次穩(wěn)定或不穩(wěn)定地層。 在我國沖洗液泥漿鉆進(jìn)目前使用最為普遍，國外則要求采用多種鉆進(jìn)工藝，并能快速完成鉆井。,3.2.2 空氣鉆進(jìn),空氣鉆進(jìn)適用性： 純空氣鉆進(jìn)，用于穩(wěn)定地層； 霧化清水鉆進(jìn)，用于濕潤地層； 霧化泥漿鉆進(jìn)，用于不穩(wěn)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。,3.3 反循環(huán)鉆進(jìn),按沖洗介質(zhì)的類型不同，分為充氣（泡沫、霧氣等）反循環(huán)與沖洗液反循環(huán)；以返水原理分：分為單管、雙

6、管和三管反循環(huán)等。 在水井和地?zé)峋@探中，以氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用得最多。一般：孔深在50m以內(nèi)多采用泵吸反循環(huán)或噴射反循環(huán)鉆進(jìn)；孔深大于50 m后，多采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)。,空壓機(jī),鉆頭,鉆頭,鉆頭,砂石泵,排渣管,水龍頭,水龍頭,氣水龍頭,進(jìn)氣管,排渣管,噴射器,高壓水入管,氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)示意圖,泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)示意圖,射流反循環(huán)鉆進(jìn)示意圖,3.4 沖擊回轉(zhuǎn)鉆探,沖擊回轉(zhuǎn)鉆探 ：液動潛孔錘和氣動潛孔錘，主要優(yōu)越性為： 鉆進(jìn)效率高，鉆頭壽命長，回轉(zhuǎn)速度低，扭矩和鉆壓小，并有防斜作用。 液動潛孔錘耗用功率較大，目前僅應(yīng)用于小口徑巖心鉆探。 氣動潛孔錘有利于在干旱、缺水和寒冷地區(qū)及永凍地層鑿孔。 國產(chǎn)氣動

7、潛孔錘用的最多的是浙江嘉興嘉冶礦山鉆具有限公司的產(chǎn)品。更好一些的則選用（原美國英格索蘭公司）阿特拉斯科普柯集團(tuán)與我國宣化合作生產(chǎn)的各種型號。,4 牙輪鉆探技術(shù),牙輪鉆頭鉆進(jìn)，適用范圍比較廣泛，從軟地層到硬基巖層均可采用。由于它具有獨特的破巖作用，從20世紀(jì)初開始使用，到現(xiàn)在已有一百多年的歷史，經(jīng)過在油氣鉆井方面長期使用考驗而證實效果很好。隨著水井鉆探技術(shù)和設(shè)備的不斷發(fā)展，在地下水資源開采深度不斷增加、競爭與機(jī)遇并存，困難與希望同在的形勢下，挖掘技術(shù)潛力，用速度快、投資省的鉆進(jìn)技術(shù)方法進(jìn)行施工，這是業(yè)內(nèi)人士的共同心愿。所以牙輪鉆探技術(shù)已作為一項重要技術(shù)措施逐步推廣采用。,4.1 牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)類

8、型 按牙輪的數(shù)量分為：單牙輪、雙牙輪、三牙輪、四牙輪及多牙輪鉆頭；,單牙輪鉆頭,雙牙輪鉆頭,三牙輪鉆頭,四牙輪鉆頭,按破碎巖石的方法分為：取心牙輪鉆頭、全面鉆進(jìn)牙輪鉆頭；,全面鉆進(jìn)鉆頭,取心鉆頭,按鉆進(jìn)工作性質(zhì)分為：直接鉆進(jìn)與擴(kuò)孔用兩類；,擴(kuò)孔鉆頭,直接鉆進(jìn)鉆頭,按牙輪的牙齒和結(jié)構(gòu)分為：鑲齒、鋼齒、錐形及盤型輪等。,鋼齒鉆頭,鑲齒鉆頭（楔齒、錐齒、球齒）,4.2 牙輪鉆頭的工作原理及破巖機(jī)理,牙輪鉆頭在鉆桿和鉆鋌軸心壓力的驅(qū)動下，牙輪鉆頭在井底以鉆頭公轉(zhuǎn)、牙輪本身的自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生上下往復(fù)運動（縱向振動）和靜壓以壓碎、沖擊和剪切作用來破碎井底巖石。縱向振動是牙輪在滾動過程中，雙齒單齒交替著巖，而形成

9、整個鉆頭的縱向振動，構(gòu)成了輪齒對巖石的動壓入作用。 由于牙輪鉆頭采用牙輪超頂、復(fù)錐和移軸的結(jié)構(gòu)，使得在井底滾動的同時產(chǎn)生輪齒對巖石的滑動來實現(xiàn)剪切作用，以提高破碎效果。破碎的坑穴擴(kuò)大，加上水力作用，沖蝕并擴(kuò)大破碎體積，這就形成牙輪鉆頭對巖石的壓入，沖擊和剪切的綜合破碎機(jī)理。,4.3 牙輪鉆頭選型的方法,牙輪鉆頭選型是否合理與鉆井成本的關(guān)系很大。所以，根據(jù)施工情況合理地選擇鉆頭是非常關(guān)鍵。 目前在地質(zhì)和水井鉆探方面使用的牙輪鉆頭均為石油鉆井規(guī)格范圍，其中三牙輪鉆頭用的最為普遍，但特殊鉆孔施工時只能采用自制的組焊式牙輪鉆頭。從我們多年來科研開發(fā)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗來看，往往由于鉆頭選型不當(dāng)，使得鉆井速度慢

10、，成本高。正確地選擇鉆頭，一方面要對現(xiàn)有鉆頭的工作原理與結(jié)構(gòu)性能特點有清楚的了解；另一方面還應(yīng)對所鉆地層的巖石物理機(jī)械性能有充分的認(rèn)識，如：巖石的硬度、塑脆性、研磨性、可鉆性等。,4.3.1 研磨性地層的選型,研磨性地層會使牙齒過快磨損，機(jī)械鉆速降低很快，鉆頭進(jìn)尺少，特別會磨損鉆頭的規(guī)徑齒以及牙輪背錐與爪尖，使鉆頭直徑磨小，軸承外露，加速鉆頭損壞，這時最好選用鑲齒鉆頭。,4.3.2 軟硬交錯地層的選型,一般應(yīng)選擇鑲齒鉆頭中加高楔形齒或加高錐球形齒，這樣既在較軟地層中有較高的機(jī)械鉆速，也能保證對付硬地層，但在鉆進(jìn)時的鉆壓及轉(zhuǎn)速上應(yīng)有區(qū)別，鉆進(jìn)軟地層時可提高轉(zhuǎn)速降低鉆壓，在硬地層井段應(yīng)提高鉆壓降低

11、轉(zhuǎn)速，以達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效果。,4.3.3 容易井斜地層的選型,地層傾角較大是產(chǎn)生井斜的主要原因，而下部鉆柱的彎曲與鉆頭類型選擇不當(dāng)，是造成井斜的技術(shù)因素。通過生產(chǎn)試驗得出，移軸類型的鉆頭，在傾斜地層鉆進(jìn)時易造成井斜，所以應(yīng)選用不移軸或移軸量很小的鉆頭，同時，保證移軸小的前提下，還應(yīng)選比地層巖石性能較軟類型的鉆頭，這樣可在較低的鉆壓下提高機(jī)械鉆速。,4.3.4 淺井段與深井段的選型,在淺井段應(yīng)選用機(jī)械鉆速較高類型的鉆頭，深井段應(yīng)考慮使用壽命長的鉆頭，這樣既經(jīng)濟(jì)又安全。,選擇鉆頭的原則是把鉆進(jìn)成本降到最低。鉆進(jìn)成本可用下列公式計算： C=Cb+Cr（Tt+T）/R/T (元/m) 式中：Cb鉆頭成

12、本；Cr鉆機(jī)作業(yè)費；Tt起下鉆時間；T純鉆時間或鉆頭壽命；R平均鉆速。 從公式看，要降低成本就要提高鉆速和壽命，但鉆速比壽命顯得更為重要。不過隨著孔深的增加，起下鉆時間Tt增加，這個重要程度會降低，但鉆速總是比壽命重要。從優(yōu)選鉆井參數(shù)的角度來考慮，鉆速與壽命是相矛盾的，即鉆速增加壽命縮短，尤其是鑲齒鉆頭，牙齒的磨損程度對鉆速的影響不大。因此鉆頭的初步選型軟硬主要從獲得最高的鉆速出發(fā)。,4.4 牙輪鉆頭鉆進(jìn)的優(yōu)越性及適應(yīng)條件,不論在國內(nèi)還是去國外承包水井鉆探工程，采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)的可以說占到了80%以上，尤其深水井、地?zé)峋┕ふ嫉降谋壤畲蟆慕陙硌垒嗐@頭使用的領(lǐng)域來看，已擴(kuò)展到樁基施工、非開

13、挖工程施工、煤礦瓦斯排放井施工等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。,實踐證明： 牙輪鉆頭鉆進(jìn)對地層及地下水情況無特殊要求，其適應(yīng)范圍是很寬闊的。同一般筒鉆取心鉆進(jìn)、鋼粒鉆進(jìn)相比效率要高出1倍以上，鉆頭壽命也高，一只三牙輪鉆頭在56級中硬巖石中鉆進(jìn)數(shù)十米至百米不成問題，成本低，一次性投資也不大。鉆進(jìn)過程中增加了純鉆時間、縮短了輔助時間（有時幾個班才提一次鉆）。所鉆井壁圓滑、完整、垂直度高。這是正循環(huán)鉆進(jìn)所具有的優(yōu)越性。 如若采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用牙輪鉆頭的話，產(chǎn)生的優(yōu)越性比正循環(huán)鉆進(jìn)更為突出。,采用氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)用牙輪鉆頭其優(yōu)越性比正循環(huán)鉆進(jìn)更為突出。主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1

14、）進(jìn)尺快，效率高，成井周期短。比牙輪正循環(huán)鉆進(jìn)節(jié)省時間一半以上。 （2）井孔質(zhì)量好。據(jù)調(diào)查，凡是采用牙輪鉆頭氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)的供水井，孔斜率均為零度，優(yōu)質(zhì)孔達(dá)100%。 （3）牙輪鉆頭壽命長。 （4）事故少，成本低。 特別對付難以鉆進(jìn)的復(fù)雜地層更有其獨特的優(yōu)點。 大力推廣氣舉反循環(huán)技術(shù)是當(dāng)前水井和地?zé)峋@探及煤礦瓦斯排放井等工程鉆探工作的方向。,4.5 牙輪鉆頭鉆進(jìn)注意事項,為保證牙輪鉆頭下鉆后取得較高鉆速，應(yīng)注意以下幾點： （1）正循環(huán)鉆進(jìn)時必須配備大泵量的泥漿泵，也可用兩臺泵并聯(lián)使用。 （2）鉆壓是牙輪鉆頭鉆進(jìn)的主要參數(shù)之一，鉆壓的大小直接影響著鉆進(jìn)效率的高低和鉆頭的使用壽命。 （3）轉(zhuǎn)速不宜太高，因為太高的轉(zhuǎn)速會使載荷作用于巖石的時間短，達(dá)不到體積破碎的效果，而只停留在表面或疲勞破碎階段。 （4）牙輪鉆頭使用時間的確定，正常情況下，鉆頭的使用時間一是軸承磨損以至不能使用；二是牙齒磨鈍，鉆速明顯下降。,5 結(jié)語,地下水資源問題，黨中央、國務(wù)院非常重視，只有解決了水的問題，