1、1,鉆探與成井工藝,竇斌 博士、教授 勘察與基礎(chǔ)工程系 2012年7月 QQ:362980853,2,我國人均水資源量僅為世界平均水平的1/4。目前，全國660多個建制市中，有330個不同程度的缺水，其中嚴重缺水的108個，32個百萬人口以上的大城市中，有30個長期受缺水的困擾。 可見，我國是水資源貧乏的國家，不僅在許多地區(qū)已成為經(jīng)濟發(fā)展的“瓶頸”，而且成為直接威脅人類生存的大問題。因此，合理勘探開發(fā)地下水資源具有十分重要的經(jīng)濟意義和深遠的社會意義。,水文水井鉆探技術(shù)現(xiàn)狀及鉆探新技術(shù)的應(yīng)用,3,1 水文水井鉆探技術(shù)的現(xiàn)狀,水文地質(zhì)鉆探是勘探開發(fā)地下水的一個重要技術(shù)手段，其任務(wù)就是在地面水文地質(zhì)

2、調(diào)查的基礎(chǔ)上，進一步查明地下水的埋藏條件、運動規(guī)律和含水層的水質(zhì)、水量以及水溫等水文地質(zhì)規(guī)律，為合理的開發(fā)利用、保護或補給地下水提供所需的資料。 建國以來，我國的水文水井鉆探技術(shù)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，有了長足的進步，現(xiàn)從工藝與設(shè)備兩個方面對其發(fā)展現(xiàn)狀作一簡要分析。,4,1.1 鉆探工藝 水文水井鉆探工藝技術(shù)經(jīng)歷了無循環(huán)靜液柱護壁鋼絲繩沖擊鉆進、清水或普通泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進、低固相優(yōu)質(zhì)泥漿正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進、泵吸反循環(huán)和氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進、多工藝空氣鉆進以及多介質(zhì)反循環(huán)鉆進等階段。 目前我國水文水井鉆探工藝呈現(xiàn)如下特點。,5,1.1.1 循環(huán)介質(zhì),水基、氣基介質(zhì)并存，可共選擇余地大。對水源比較充足地

3、區(qū)以水基介質(zhì)為主，對干旱缺水地區(qū)則以氣基介質(zhì)為主。根據(jù)勘探區(qū)不同地層條件可共選擇的主要介質(zhì)如下： 水基鉆井液：清水，普通泥漿，加重泥漿，無固相泥漿，飽和鹽水，各種乳膠液以及潤滑鉆井液等。 氣基鉆井液：空氣（壓縮空氣），霧狀氣（氣水混合），穩(wěn)定泡沫，膠質(zhì)泡沫及充氣泥漿（泡沫泥漿）等。,6,沖洗液在孔內(nèi)循環(huán)方式有三種： 正循環(huán)鉆進 反循環(huán)鉆進（氣舉、雙壁管） 正反循環(huán)（混合）鉆進等。,7,1.1.2 碎巖方法及碎巖工具,碎巖方法經(jīng)歷了鋼絲繩沖擊鉆進，鉆粒、硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進、牙輪鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進到球齒鉆頭氣動或液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進等。目前，沖擊鉆進、回轉(zhuǎn)取心鉆進、回轉(zhuǎn)全面鉆進、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進等鉆進方法都有應(yīng)用

4、。 在卵礫石地層水井鉆鑿工程中，鋼絲繩沖擊鉆進仍是一種有效的方法。而在水文地質(zhì)普查孔、水文地質(zhì)勘探孔鉆探過程中多用回轉(zhuǎn)取心鉆進和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進方法。在探采結(jié)合孔和水井鉆探過程中多用回轉(zhuǎn)全面鉆進、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進方法。,8,1.2 鉆探設(shè)備,早期的水文水井鉆探設(shè)備多借用巖心鉆探設(shè)備，由于鉆進能力不能滿足要求，一般采用小口徑鉆進取心（樣），大口徑分級擴孔成井方法。水井鉆探多采用鋼絲繩沖擊鉆進，靜水壓護壁，撈砂筒排渣的工藝方法。 目前使用的水文水井鉆探設(shè)備多為專用設(shè)備。常用的鉆機除了20 世紀5070 年代研制的DPP-100 型、SPJ-300 型、SPJT-300 型、SPS-400 型SPS-600

5、型和紅星-400 型外，多采用新型車裝SPC 系列鉆機（鉆深100-600m）、散裝TSJ 系列鉆機（鉆深600-2000m）。,9,20 世紀8090 年代研制的SDY-600 型、FD-300 型全液壓動力頭車裝鉆機對提高我國的水文水井勘探技術(shù)水平及鉆探新工藝的推廣應(yīng)用起到了極大的推動作用。 除此之外有關(guān)部門還引進了美國的T4W、T3W，德國的B3A，法國的R28 等型號的車裝全液壓水文水井鉆機。據(jù)不完全統(tǒng)計上述鉆機中應(yīng)用最多的機型是SPJ-300、SPC-300 和TSJ-1000 型。,10,鉆探用泥漿泵,鉆探用泥漿泵主要有：衡陽探礦機械廠生產(chǎn)的BW 系列、石家莊煤探機械廠生產(chǎn)的TBW

6、系列。 為了適合深孔泡沫鉆進的需要，吉林大學(xué)研制成功了BWZ-250、BWZ-1100 型水泵泡沫增壓裝置；為了滿足深孔氣舉反循環(huán)鉆進的需要，勘探所與蚌埠空壓機總廠聯(lián)合研制成功了WF-5/60C 型壓縮機，可滿足3000m 以內(nèi)的氣舉反循環(huán)鉆進的需要。,11,1.3 成井管材,過去多用水泥管、鑄鐵管和厚鋼管，這些管材笨重、易腐蝕、易結(jié)垢，影響水井壽命。 現(xiàn)在常用塑料管、橋式鍍鋅濾水管、貼礫濾水管、玻璃鋼管代替。,12,2、鉆探新技術(shù)的應(yīng)用概況,在西部大開發(fā)、國土資源地質(zhì)大調(diào)查中，黨中央及國土資源部已把水資源的勘查與開發(fā)列為重中之重。全國地下水資源調(diào)查評價是地質(zhì)大調(diào)查中的一項重要工作內(nèi)容，要想按

7、時按質(zhì)的完成任務(wù)和達到預(yù)定的目標(biāo)，除采用先進的地質(zhì)理論和地質(zhì)技術(shù)外，還必須采用先進的取心取樣鉆探新技術(shù)。 若采用常規(guī)的鉆探技術(shù)進行施工，有很多地區(qū)存在著不少技術(shù)難題，如勘探速度慢、效率低、成本高；孔內(nèi)卡、埋鉆事故頻繁；易堵塞生產(chǎn)層裂隙、泥皮粘糊孔壁等；缺水地區(qū)還存在著大量的生產(chǎn)用水難以解決，不可避免的影響對水資源的勘查與評價。,13,上述一系列因素，要求我們改變原有的觀念，進行技術(shù)革新，選擇適合一定地區(qū)的、先進的鉆探技術(shù)，提高鉆探效率、降低成本、保質(zhì)保量的完成任務(wù)，從而帶動鉆探新技術(shù)的推廣應(yīng)用。,14,“六五”“八五”期間，鉆探技術(shù)進步顯著，以繩索取心為主體的金剛石鉆探技術(shù)有了很大發(fā)展，帶動了

8、鉆探技術(shù)工藝方法和技術(shù)裝備等全面變革，受控定向鉆探技術(shù)已經(jīng)達到了國際先進水平，沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)成為擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的一項特色技術(shù)，達到國際先進水平； 多工藝空氣鉆探技術(shù)和反循環(huán)鉆探技術(shù)趨于成熟；鉆探機械和儀器發(fā)展了適應(yīng)多工藝方法的系列產(chǎn)品，技術(shù)裝備基本成龍配套，在地質(zhì)勘查中發(fā)揮了積極作用。,15,2.1 多工藝空氣鉆探技術(shù),空氣鉆進是指用壓縮空氣或含有壓縮空氣的氣液混合物作為鉆進時的循環(huán)沖洗介質(zhì)，或者既用其作為破巖機具的動力，又兼作沖洗介質(zhì)的一種鉆進工藝方法。近幾年來發(fā)展很快，技術(shù)成熟，逐漸形成包括循環(huán)介質(zhì)、循環(huán)方式、碎巖方法和應(yīng)用領(lǐng)域的多工藝空氣鉆進技術(shù)體系。,16,其主要特點如下：低密

9、度介質(zhì)有利于提高碎巖速度；能有效冷卻鉆頭、清除巖屑和快速判層； 能在不穩(wěn)定地層中保護孔壁和少污染環(huán)境；有利于保護含水層和低壓油氣層并提高產(chǎn)出率； 特別有利于在干旱缺水地區(qū)和嚴寒、凍結(jié)層施工； 亦利于忌用液體循環(huán)的抗滑錨固孔和露天礦爆破孔施工； 空氣潛孔錘鉆進能大幅度提高硬巖鉆孔速度；氣舉反循環(huán)鉆進能實現(xiàn)23m 以上大直徑井孔和超過2000m 深井施工。,17,多工藝空氣鉆探被視為當(dāng)今應(yīng)用最廣和最有發(fā)展前景的鉆探技術(shù)之一，通過“七五”、“八五”期間的攻關(guān)研究與完善，已形成較為成熟的現(xiàn)代快速綜合鉆探技術(shù)，“多工藝空氣鉆探技術(shù)推廣應(yīng)用”已被國家科委遴選編入“國家科技成果重點推廣計劃項目創(chuàng)產(chǎn)值超億元1

10、00 例”。 多工藝空氣鉆進技術(shù)的應(yīng)用，成功解決了長期存在的若干技術(shù)難題，如干旱缺水地區(qū)、永凍層及漏失層鉆探施工；用其它循環(huán)介質(zhì)無法保證安全鉆進的地區(qū)施工；用其他鉆探方法無法保證鉆探質(zhì)量的地區(qū)施工；用其他鉆探方法在若干巖層鉆進效率甚低等。,18,該技術(shù)的推廣應(yīng)用，大大提高了水文水井鉆進速度與成井質(zhì)量，用空氣潛孔錘和氣舉反循環(huán)鉆進比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進一般可成倍乃至十幾倍提高鉆進速度； 已產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，據(jù)不完成統(tǒng)計，多工藝空氣鉆進自推廣以來，完成鉆進工作量130 余萬米，僅20 個單位至1998 年的統(tǒng)計，累計創(chuàng)產(chǎn)值6.4 億余元，新增利稅0.9 億元；已為我國晉北、豫西、陜甘寧和內(nèi)蒙

11、古、廣西巖溶地區(qū)、京郊山區(qū)等，打了許多豐產(chǎn)井，解決了數(shù)以百萬計的人畜與生產(chǎn)用水困難，為扶貧致富發(fā)揮了重要作用。,19,2.2 多介質(zhì)反循環(huán)鉆探技術(shù),所謂反循環(huán)鉆進就是指鉆探過程中循環(huán)介質(zhì)同常規(guī)鉆探方法的循環(huán)方向相反，反循環(huán)鉆進一般采用雙壁鉆具，循環(huán)介質(zhì)主要分為壓縮空氣和液體兩種。鉆進過程中，循環(huán)介質(zhì)經(jīng)過雙壁氣水龍頭、雙壁主動鉆桿、雙壁鉆桿內(nèi)外管環(huán)隙到達孔底，驅(qū)動孔底破巖器具破碎巖石，并攜帶巖心及巖屑經(jīng)鉆桿的中心通道到達地表的巖心或巖樣的收集裝置。 由于反循環(huán)鉆進具有獨特的雙壁鉆具結(jié)構(gòu)，無需提出孔內(nèi)鉆具就能獲取所需的地質(zhì)樣品，決定了該方法具有如下優(yōu)點：時間利用率高，鉆進效率高，勞動強度低，洗井效

12、果好；孔底清潔，鉆頭壽命長，實現(xiàn)了鉆進、取樣同時進行，達到了優(yōu)質(zhì)、高效的目的。,20,根據(jù)循環(huán)介質(zhì)的不同，反循環(huán)鉆探技術(shù)主要分為 空氣反循環(huán) 水力反循環(huán)。,21,1雙壁鉆桿 2轉(zhuǎn)換接頭 3普通潛孔錘 4貫通式潛孔錘5牙輪鉆具配氣接頭 6牙輪鉆頭 7巖心卡斷器 8合金鉆頭9復(fù)合片鉆頭 10刮刀鉆頭A普通潛孔錘鉆具組合 B貫通式潛孔錘鉆具組合 C牙輪鉆具組合D合金鉆具組合 E復(fù)合片鉆具組合 F刮刀鉆具組合,2.2.1 空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探,22,23,空氣反循環(huán)連續(xù)取樣鉆探具有多種鉆具結(jié)合方式（見圖1），能夠適應(yīng)多種地層條件（見表1），進行取心或取樣連續(xù)鉆進，能夠滿足地質(zhì)上對巖心的要求；尤其適合

13、干旱缺水地區(qū)水文地質(zhì)勘查孔鉆探施工等特點。,24,由于循環(huán)介質(zhì)為空氣，不會堵塞水通道、對水質(zhì)無污染，且不會打丟含水層；鉆進過程中即可根據(jù)巖樣上返潮濕程度判斷是否進入含水層；隨著含水層鉆進深度的增加，孔口返水量逐漸增大，穿過含水層后，返水量趨于穩(wěn)定，從而可以大致地判斷含水層的位置，定性地判斷水量的大小。如寧夏二人山金場子礦區(qū)原定為貧水區(qū)(5m3/24h)，用空氣反循環(huán)鉆探20 余孔，不僅孔孔見水，且涌水量達2030m3/h。又如，在周口店探工所院內(nèi)用常規(guī)方法鉆進數(shù)百米深未找到地下水，用本方法卻發(fā)現(xiàn)了較豐富的達飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地下水。,25,2.2.2 水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù),水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆

14、探技術(shù)以液體作為循環(huán)介質(zhì)，利用雙壁鉆具實現(xiàn)巖心的連續(xù)上返。該鉆探技術(shù)以硬質(zhì)合金和金剛石鉆頭為碎巖工具，以回轉(zhuǎn)磨削取心的方式鉆進。 主要用于24 級覆蓋地層、煤系地層以及較完整的中硬巖層中鉆進。實踐證明，水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆探技術(shù)用于水文地質(zhì)勘查、地質(zhì)填圖、地球化學(xué)勘探、煤田取心鉆探及環(huán)境保護等鉆探施工中，具有較高的鉆探效率和較好的地質(zhì)效果。在山東煙臺300 多米鉆探施工中，綜合臺月效率達1300 多米，時間利用率達75%。,26,2.3 繩索取心鉆探技術(shù),繩索取心鉆探技術(shù)是一種應(yīng)用較廣泛的地質(zhì)取心鉆探技術(shù)，該技術(shù)對地層適應(yīng)性廣。 勘探所1973 年首次研制成功用于巖心鉆探的繩索取心鉆具，后續(xù)逐

15、步開發(fā)出多種系列產(chǎn)品：水文水井繩索取心鉆具系列，堅硬“打滑”地層用繩索取心鉆具系列，用于深孔的重型繩索取心鉆具，松軟破碎地層及煤系地層的繩索取心半合管鉆具系列和繩索取心塑料三層管和超前管鉆具等，與此同時，還開發(fā)了與其配套使用的鉆頭、擴孔器等，大大提高了我國金剛石鉆探的技術(shù)水平。,27,應(yīng)用繩索取心鉆探技術(shù)可以減少升降鉆具次數(shù)，增加純鉆進時間，減少巖心磨蝕和中途脫落機會，巖心采取率達90100%；能延長鉆頭壽命等；被譽為“四高、三低、兩好”，即工程質(zhì)量高，時間利用率高，鉆進效率高，鉆頭壽命高；事故率低、勞動強度低、設(shè)備材料消耗低；地質(zhì)效果好、經(jīng)濟效益好。,28,為了滿足新一輪地質(zhì)大調(diào)查地質(zhì)鉆探需

16、要和進一步提高我國地質(zhì)鉆探綜合水平而采用的一種新型鉆探技術(shù)組合鉆探技術(shù)迎運而生，將空氣反循環(huán)連續(xù)取樣、水力反循環(huán)連續(xù)取心及繩索取心鉆探技術(shù)有機結(jié)合起來，采用一套鉆桿和輔助器具就能完成，達到了因地施鉆，滿足了地質(zhì)要求，提高了鉆探效率，降低了鉆探成本。該項技術(shù)可較好地用于水文地質(zhì)孔勘查與固體礦產(chǎn)勘探；同時我們還在繼續(xù)開發(fā)復(fù)雜地層中深孔使用的繩索取心配套鉆具等。,29,2.4 液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù),液動潛孔錘鉆探技術(shù)是在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎(chǔ)上增加一個利用洗井液驅(qū)動的液動潛孔錘，它可產(chǎn)生具有一定沖擊能量和頻率的載荷，從而可大幅度提高5 級以上地層鉆探效率，克服金剛石鉆進“打滑”問題，在巖心易堵塞的破碎巖層中

17、延長回次進尺?？碧剿群箝_發(fā)出六個系列30 多個規(guī)格的液動潛孔錘，如正作用系列、雙作用系列、繩索取心系列、水文水井鉆系列、液氣兩用系列，目前仍在開發(fā)深井用液動錘及噴反系列液動錘等。,30,中國大陸科學(xué)鉆探是國家重點工程項目，它的實施從鉆探技術(shù)的角度來看將是全面檢驗和提高我國鉆探技術(shù)水平的一個極好的機會，其2000m 先導(dǎo)孔及主孔施工采用了具有中國特色的先進技術(shù)： 螺桿馬達/液動錘/金剛石取心鉆進工藝方法?？碧剿邪l(fā)的YZX127 液動錘已成為CCSD 主孔不可缺少的鉆探器具，目前正在3000 多米的主孔中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。,31,綜上所述，廊坊勘探技術(shù)研究所從1958 年起率先開始液動潛孔錘技術(shù)

18、研究，經(jīng)過幾代人不懈努力，在理論和技術(shù)上有新的突破的同時，積極進行科技成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，使其應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展。 近年來液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)已應(yīng)用于地下水勘查、水井與地?zé)帷⒂蜌饩?、地質(zhì)巖心鉆探、水下爆破及工程地質(zhì)勘察等領(lǐng)域，且在推廣應(yīng)用中能取得良好的效益。,32,2.5 受控定向分枝孔鉆探技術(shù),受控定向鉆探技術(shù)就是采用孔底馬達和必要的彎接頭或彎外殼控制方向沿設(shè)計的軌跡進行鉆進，來達到預(yù)定的靶區(qū)內(nèi)。 該鉆探技術(shù)可在一個主孔的不同深度、不同方向鉆出多個分枝孔，可大大提高鉆探效率，節(jié)約成本，提高鉆孔的綜合利用率。,33,目前，受控定向分枝孔鉆探技術(shù)已成功地在固體礦產(chǎn)勘探中得到應(yīng)用，定向鉆探對接井技術(shù)

19、也廣泛用于鹽礦、地下煤層氣化等領(lǐng)域，可在一個主孔內(nèi)鉆出69 條分枝孔，可實現(xiàn)兩井相距500m 的鉆孔在地下3000m 的對接，勘探所已成功使用該技術(shù)完成對接井三十多對，2002 年勘探所在湖北完成了深達2787m 的對接，創(chuàng)國內(nèi)對接井之最。該技術(shù)的成功應(yīng)用已為社會及生產(chǎn)單位帶來了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。,34,受控定向多分枝孔鉆探技術(shù)用于開發(fā)地?zé)峒八乃@探等方面，能較好的擴大地?zé)峋八牟杉娣e，豐富水源的水量； 在涉臨枯竭的水井中，可以在同一主井實施放射狀水平井，以提高水井的采取率及延長使用壽命，使枯井起死回生；對接連通井技術(shù)可將地下干熱巖轉(zhuǎn)換成地?zé)幔猿浞职l(fā)揮地下能源的有效作用，為

20、民造福。,35,3 鉆探新技術(shù)在地下水勘查與開發(fā)中的應(yīng)用前景與展望,經(jīng)過多年的研究開發(fā)，上述鉆探新技術(shù)在生產(chǎn)實踐中不斷的完善與發(fā)展，已在眾多領(lǐng)域得以成功應(yīng)用，已成為成熟的鉆探技術(shù)。 目前，正是全國地下水資源調(diào)查評價工作的重要歷史階段，鉆探新技術(shù)在地下水勘查與開發(fā)方面，更能顯示出其廣闊的應(yīng)用前景。,36,3.1 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，淺層地下水資源已遠遠不能滿足工農(nóng)業(yè)及人民生活用水的需要。有些地區(qū)淺層地下水的過度開采已造成淺層地下水資源枯竭，甚至大面積地面沉降（比如，我國華北就是一個大漏斗），有的地區(qū)淺層地下水受海水倒灌及工業(yè)污染不能開采利用。因此目前已逐步擴大了對深層地下水資源的調(diào)查與開發(fā)。這就要求淺層與深層地下水按比例合理開發(fā)利用。實施分層取水方法，有利于控制地面沉降，緩解部分地區(qū)漏斗擴大趨勢，要有計劃地勘探開發(fā)深層地下水，上述高效鉆探新技術(shù)在深水井及地?zé)峋械膽?yīng)用更能顯示其優(yōu)越性。因而具有廣闊的應(yīng)用前景，比如在深井基巖水文地質(zhì)孔、水井中采用沖擊回轉(zhuǎn)、繩索取心鉆探新技術(shù)可成倍提高鉆探效率。,37,3.2 西部大開發(fā)過程中，許多干旱缺水地區(qū)水文地質(zhì)孔、水井鉆探施工，為有效解決當(dāng)?shù)赜盟o張的矛盾，空氣鉆進、空氣泡沫鉆進在地下水勘探開發(fā)過程中有不可替代的作用。 3.3 西南