1.1.3　水文地质钻探

水文地质钻探（或称水文钻探）是水文地质勘察中最重要的勘探手段和主要工种之一，是直接探明地下水的一种最重要、最可靠的手段，同时也是开采地下水的主要方法，是开发利用深层地下水进行钻井工程的唯一技术手段。水文地质钻探的基本任务是在水文地质测绘、水文地质物探的基础上，进一步查明含水层的岩性、层次、构造、厚度、埋深分布及水量、水质、水温等水文地质条件，解决和验证水文地质测绘与物探遥感工作中难以解决的水文地质问题，以及利用钻孔进行各种水文地质试验，获取水文地质参数，为评价和合理开发利用地下水资源提供可靠的水文地质资料与依据。另外，许多水文地质试验也是在钻孔中进行的。同时，水文地质钻探是对地下水调查、水文地质物探成果所作地质结论的主要检验方法。水文地质钻探必须在水文地质测绘与水文地质物探的基础上进行。

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，对整个勘查项目的完成和勘查项目的投资，均起决定性作用。

根据钻探孔担负的主要任务，可把水文地质钻探孔分为四类：①勘探孔：主要是获得地质、水文地质基本资料，了解地质、水文地质基本条件；②试验孔：除担负勘探孔的任务外，还要进行水文地质试验；③观测孔：主要进行水文地质观测和取样；④开采孔：取得水文地质资料后，扩成开采井。通常，勘探孔称为一般性水文地质钻孔，后三者称为专门性水文地质钻孔。

1.1.3.1　水文地质钻探孔及钻进方法的特点

与一般地质钻探相比，水文地质钻探不单纯是为了采取岩芯，研究地质剖面，而且还必须取得各含水层和地下水特征的基本水文地质资料，以及进行地下水动态的观测和开采地下水等。水文地质钻探有以下几个主要特点：

（1）水文地质钻探孔的孔径较大。一般地质勘探孔的主要任务是取岩芯，故口径较小（直径一般小于150mm）。水文地质钻孔，除取岩芯外，还必须满足抽水试验或作为生产井取水的要求，为保证在钻孔中安装抽水设备并进行抽水试验，在孔壁不稳定的钻孔中下过滤器，以及在抽水时能获得较大的涌水量，水文地质钻孔的直径通常较大。当前水文地质钻孔或水井的直径一般均在300～500mm，最大孔径可达1000mm或更大。另外在松散岩层中一般应大于200mm，在基岩地层中，一般应大于100mm。抽水试验观测孔过滤器骨架管的外直径，一般不大于75mm。对于探测结合的生产井，应按供水井的要求决定其钻探口径，一般采用的过滤器口径比勘探抽水井大，在中细砂层中常用300mm，在砂粒卵石层中用350～400mm。

（2）水文地质钻探孔的结构较复杂。水文地质钻孔为了分层取得不同深度含水层的水质、水量及动态资料，或为阻止非开采层以外含水层中的劣质地下水进入水井之中，常需对揭露的含水层采取分层止水的隔离措施，变径下管止水是最为有效的隔离方法（图1.4）。有时，为了减轻随钻进深度增加而加大的钻机荷载或为节省井壁管材，也需变径。另外，为了滤水避沙或防止塌孔，在钻孔揭露的含水层段，常需下入过滤器。

（3）水文地质钻探对所采用的冲洗液要求很严格。这是为了不破坏或少破坏含水层的天然状况，以便能准确测定水文地质各要素（如水位、水质、涌水量）以及为今后能顺利抽水，一般要求清水冲洗液钻进，条件许可也可用稀泥浆钻进。近年来，空气钻进技术在水文地质钻探和找水中已有较多应用。空气钻进技术的实质主要是用压缩空气代替常规钻进时用水或泥浆循环，起冷却钻头、排除岩屑和保护井壁的作用，具有减少用水成本，提高钻速的优点。多工艺空气钻进技术（如空气泡沫钻进、空气潜孔锤、气举反循环等）与常规用泥浆循环钻进相比，钻进速度可提高几倍到十几倍，尤其在缺乏水源的贫水区效果更好。无论采用何种冲洗液钻进，前提是要求所用的冲洗液不能堵塞井孔内的岩石空隙。

（4）钻进方法和技术有其特点。目前，我国水文地质钻探和凿井工程中，常用的钻机有：转盘式钻机、岩芯回转钻机、反循环回转钻机、钢丝绳冲击钻机、复合式钻机等。钻进方法分为：回转钻进、冲击钻进、冲击—回转钻进、振动钻进四大类。一般水文地质钻探多采用转盘式钻机进行回转钻进，在卵砾石地区常用机械冲击式钻机进行冲击钻进。由于钻进过程中，要变径下管止水，用黏土、水泥等止水材料进行封堵，下过滤器等，所以钻探工序较复杂，且工期长，消费大，成本高。

（5）水文地质钻进过程中观测的项目多。为了判断钻进过程中水文地质条件的变化，在钻进中除了观测描述岩性变化外，还要观测孔内的水位、水温、冲洗液的消耗情况及涌水量等多个项目。

钻进中水文地质观测工作的主要目的如下：

1）及时发现孔底地层岩石的变化，并进行观测以弥补岩芯采取率的不足。

2）及时发现钻孔是否揭露了某个含水层（带）。

3）帮助确定含水层（带）的埋藏深度、厚度及其富水性。

4）分别取得不同含水层的水头、水温和水化学成分的资料。

5）为最终确定水井的成井结构提供所需地质依据。

水文地质钻探设备及钻进示意图如图1.5所示。

鉴于上述特点，为了确保水文地质成果质量，水文地质钻探有其本身的一套技本规程，应严格桉其技术要求进行设计、施工和观测编录工作。

1.1.3.2　一般性水文地质钻孔的布置原则和方法

1.水文地质勘探孔的布置原则

勘探工作应以最少的工作量、最低的成本和最短的时间来获取完整的水文地质资料。为此，勘探线、网的布置，应以能控制含水层的分布，查明水文地质条件，取得水文地质参数，满足地下水资源评价的要求，查清开采条件为基本目的。

在普查阶段应以线为主，详查阶段和开采阶段以线、网相结合为主。布孔时，必须考虑工农业供水的要求及当地水文地质条件的研究程度。例如，在群众打井资料较多，水文地质情况较清楚的地区，可以不布或少布置钻孔；在含水层比较稳定，地下水资源较丰富的淡水区，钻孔间距可适当减小；在水文地质条件不清时或在水资源评价断面上的勘探钻孔应加密，抽水孔的数量也要适当增加。总之，布置水文地质勘探孔需要遵循以下原则：

（1）以线为主，点线结合。钻孔的布置应能全面控制地区的地质—水文地质条件。既要控制地区含水层的分布、埋藏、厚度、岩性、岩相变化及地下水补给、径流、排泄条件等，又要控制和解决某些专门的水文地质问题（如构造破碎带的导水性，岩脉的阻水性，含水层之间的水力联系等）。一般而言，应沿地质—水文地质条件变化最大的方向布置一定数量的钻孔，以便配合其他物探、浅井、试坑等手段，以取得某一方向上的水文地质资料。由于钻探的成本较高，不可能在调查区内将勘探线布置得过密。在勘探线上控制不到的地方，可布置个别钻孔。

（2）以疏为主，疏密结合。禁止将勘探孔平均布置。对水文地质条件复杂的、或具有重要水文地质意义的地段，如不同地貌单元及不同含水层的接触带，或同一含水层不同岩性、岩相变化带，构造破碎带，与地下水有密切联系的较大地表水体（流）附近，岩溶发育强烈处以及供水首先开发的地段，或矿区首先疏干和建井的地段等，均应加密孔距和线距。对一般地段可以酌量减少孔数或加宽线距。

（3）以浅为主，深浅结合。钻孔深度的确定主要取决于所需要了解含水层的埋藏深度。勘探线上钻孔应采取深浅相兼的方法进行布孔。

（4）以探以主，探采结合。在解决各种目的的水文地质勘探时，必须以探为主。在全面取得成果的同时，尽量做到一孔多用。如用作供水、排水及长期观测等。对这些一孔多用的钻孔，在钻孔设计时，必须预先考虑其钻孔结构方面的要求。

（5）一般任务与专门任务结合。布孔时，必须考虑最终任务的要求。例如，为供水勘探布孔时，除满足揭示工作区一般的水文地质规律外，还必须满足相应勘探阶段对地下水资源计算的要求及长期观测的要求。因此，当确定地下水过水断面的流量时，某些地区（如山前扇形地）过水断面的方向与水文地质条件变化最大的方向往往不一致，此时就要两者兼顾。或在某些地区（如河谷地区）两种任务勘探线相符，也要在孔距、孔深、孔径等几个方面满足地下水资源计算的需要。

（6）设计与施工相结合。在不影响取得全部成果质量的前提下，布孔时尽量考虑钻探施工的便利条件（如交通运输、供水、供电等）。

布孔方案在实施过程中还可以根据实际情况进行修改。例如，经过一段钻探工作后，发现某一地段地质、水文地质条件变化不大，而现有的资料已足以阐明其变化规律时，则可适当地削减原设计方案中的勘探工作量。相反，如果发现某一地段的地质、水文地质条件变化很大，而按设计中的钻孔数量又不足以揭示其变化规律时，应适当增加钻孔数量。

2.水文地质勘探孔的布置方法

水文地质勘探孔的布置方法有如下两种：

（1）垂直布置法：无论山区或平原，勘探线都必须垂直于地下水的流向，而在地下水流向不明的地区，则应垂直河流、冲洪积扇轴部、山前断裂带、盆地长轴、向斜轴、背斜轴、岩溶发育带、古河道延展方向、海岸线等布置勘探线。

（2）平行布置法：为了评价地下水资源，在某些地区布置勘探线要与上述水文地质要素平行。在石灰岩裸露地区要沿岩溶发育带布置或沿现代水系布置。

在同一地区，勘探线、网应采取平行与垂直地下水流向相结合的办法布孔。这种布孔方法同时也适用于水文地质试验、地下水长期观测及水文地质物探勘察线的布置。

1.1.3.3　水文地质钻孔结构设计及钻探特点

1.钻孔的结构

（1）钻孔（井）的结构。钻孔（井）的结构包括孔径、孔段和孔深三个方面。

除勘探孔外，井身结构应包括：①井管：包括井壁管、过滤管、沉淀管的直径、孔段和深度；②填砾、止水与固井位置及深度。

（2）典型钻孔（井）结构型式：

1）一径成孔（井）。除孔口管外，一径到底的钻孔，即一种口径、一道管柱的钻孔。这类钻孔通常是在地层较稳定的第四纪松散地层或基岩为主的水文地质钻孔、探采结合孔或观测孔。有下井管、过滤管并填砾或不填砾及没有井管、过滤管的基岩裸孔等几种。下井管、过滤管并填砾孔的孔径一般应比管子直径大150～200mm。

2）多径成孔（井）。具有两个或两个以上变径孔段的钻孔，即多次变径，并用一套或多套管柱的钻孔。通常是上部为第四纪松散层、下部为基岩或具有两个以上主要含水层的水文地质钻孔、探采结合孔及地质孔。通常是在第四纪地层中下井管、过滤管，并填砾或不填砾；在基岩破碎带、强烈风化带下套管。其余情况下的孔一般为裸孔。

2.钻孔结构设计

水文地质钻孔的结构设计是根据钻探的目的、任务、钻进地点的地质、水文地质剖面以及现有的钻探设备等条件，对钻孔的深度、孔径的变换，以及止水要求等提出的具体设计方案。钻孔的结构设计是否合理，关系到水文地质钻探的质量、出水量、能耗、安全等方面的重要环节。

（1）钻孔深度的确定。主要取决于含水层底板埋藏深度，原则上应揭穿当地具有供水意义的全部含水层。若含水层厚度很大，应根据勘探目的，结合生产要求和技术条件，来确定钻孔深度。对于勘探开采孔，还要考虑增加沉淀管的深度。孔深误差不大于2‰。

（2）孔斜的要求。在现有钻探技术的条件下，钻孔在一定深度内产生一定的孔斜是难免的。但如孔斜过大，不但加大设备的磨损，增加孔内事故，而且还影响孔内管材和抽水设备的安装及正常运转。特别是当孔斜过大，而又采用深井泵抽水时，还可能造成立轴和进水管折断，等等。因此对孔斜必须有一定的要求。按《机井技术规范》（SL 256—2000）第3.3.2条的规定：井孔必须保证井管的安装，井管必须保证抽水设备的正常工作。泵段以上顶角倾斜的要求是安装长轴深井泵时不得超过1°，安装潜水电泵时不得超过2°；泵段以下每百米顶角倾斜不得超过2°，方位角不能突变。

（3）孔径的确定。钻孔孔径首先决定于所设计的钻孔类型，是整个钻孔设计的中心环节。钻孔直径的大小，与选用的钻探设备、钻探方法、井管的类型以及抽水方法等关系密切。对于水文地质勘探试验孔而言，设计钻孔直径时，以将来能在孔内顺利地安装过滤器和抽水设备，并能使抽水试验正常进行为原则，因此要按抽水试验的要求，并根据预计的出水量和是否需要下过滤器及其类型，以及拟用的抽水设备等，来确定其终孔直径。一般的要求是：勘探抽水井的过滤器骨架管的内直径，在松散地层中，应大于200mm；在基岩地层中，应大于100mm。对于探采结合的生产井，应按供水的要求决定钻孔直径，一般采用的过滤器直径比勘探抽水井大，在中细砂层中常用300mm，砂卵石层中采用350～400mm。具体可参考表1.10和表1.11。

探明一般水文地质条件的勘探孔和地下水动态测孔，孔径一般为130～250mm，一般为异径；而供水目的的抽水孔和探采结合孔，则要求设计较大口径，一般在松散地层中多在400mm以上，在基岩岩层中一般应大于200mm，多为同径到底。

孔径与钻孔结构有关。常见的供水勘探钻孔结构如图1.6所示。一般孔深小于100m的浅孔，可采用一个口径的孔身结构；孔深为100～300m的中深孔，采用1～2个口径的孔身结构，孔深大于300m的深孔，采用2～3个口径的孔身结构。

孔身直径还决定于抽水段和止水段的层数、孔内结构和填料的要求（图1.6）。为简化水井结构，应尽可能“一径到底”。当不得不变径时，变径的位置，多在含水层下部的隔水层顶部。

再根据已确定的终孔直径，按预计需要隔离的含水层（段）的个数及其止水要求、方法和止水部位，并考虑钻孔的深度、钻进方法、岩石的可钻程度和孔壁的稳定程度等多种因素，来确定钻孔是否需要变径、变径的位置和变径尺寸、下套管的深度和直径。例如，要对各个含水层分别进行水资源评价而要求隔离各个含水层时，或需隔离水质有害的含水层时，就要求换径止水。当钻孔深度大，为防止因孔深增加使负荷增大而产生孔内事故时，往往也需要变换孔径。而当地层松软易钻，孔深较浅、孔径较大的勘探开采孔，可以采用同径止水而不变换孔径（图1.6）。

在某些地质结构复杂的地区，可能在不太大的深度内出现数个含水层。这时如果全部下套管进行止水，换径次数过多，就会造成钻孔结构复杂，施工困难。此时需仔细研究该地区的地质条件和抽水实验（或开采条件）的要求，合理地采用有关技术措施，在确保优质、高产、低耗、安全的前提下，应尽量简化钻孔结构。

滤水管的直径，应根据预计的钻孔涌水量来设计。根据有关试验证明，钻孔涌水量随孔径增加而增加，但增加到一定数值后，其增加率逐渐减少，甚至不再增加。图1.7是砾石含水层中进行的1～10组抽水试验结果，从图中可以看出，口径增加，涌水量明显增加，但口径大于254mm时，涌水量增加较少，因此过滤器直径不应大于254mm。

需要说明，大口径抽水孔设计是有条件的，在富水性较弱的含水层中的大口径抽水，一般都不会有显著增加水量的效果，但在一些矿区，为了获得大降深、大流量的抽水资料，也常设计大口径的抽水孔。

（4）滤水管的设计。滤水管是安装在钻孔中含水（层）段的一种带孔井管，其作用是保证含水层中的地下水能够顺利地流入井管，同时又防止井壁坍塌、阻止地层中细粒物质进入井内造成水井堵塞，保证井的涌水量和井的使用寿命。在松散沉积物及不稳定的岩层中钻进时，必须安装滤水管。

水管的类型：如按材料分，水管有钢滤水管、铸铁滤水管、钢筋骨架滤水管、石棉水泥滤水管、木制与竹制滤水管、矿渣混凝土滤水管、水泥砾石滤水管、陶瓷滤水管及塑料滤水管等；如按滤水管孔隙的形式分，有圆孔、条形孔、半圆孔三种；如按结构形式分，有骨架、缠丝、包网、填砾、贴砾、笼状、筐状等类型，如图1.8所示。

针对不同地区和不同的水文地质条件，应选用不同材料和不同结构形式的滤水管。合理地选择滤水管，才能保证对钻孔的质量要求和降低成本。不同含水层适用的滤水管类型见表1.12。

1）滤水管的长度确定。当含水层的厚度≤15m时，按小于含水层厚度0.8～1.0m取；不过当含水层的厚度很大时，滤水管的长度不宜超过20～30m，须按式（1.1）计算：

式中　Q——钻孔涌水量，m3/h；

L——滤水管的长度，m；

D——滤水管的外径，mm；

α——经验系数，与含水层的颗粒大小有关，按表1.13取。

2）滤水管的直径按式（1.2）确定：

式中　D——滤水管的外径，mm；

Q——井的预计涌水量，m3/h；

l——滤水管进水部分的长度，m；

m——滤水管的孔隙率；

v——最大允许进水速度，m/d，按式（1.3）计算：

式中　K——含水层的预计渗透系数，m/d。

3）滤水管孔隙尺寸和孔隙率的确定。滤水管的挡砂作用主要是由滤水孔或连续孔的间隙的大小来完成的。因此滤水孔的尺寸应取决于地层砂砾的有效粒度。

若滤水管外面要填砾，其滤水孔的大小应按能保留住90%填料或更多的填料为原则来确定。大于砾料的滤水孔会造成漏砾的严重后果，而过小的滤水孔对水井的清砂不利，也会增大水流阻力和堵塞。

若滤水管外不填砾而直接接触天然层，则滤水孔的尺寸应根据含水层砂样的筛分资料来确定。

孔隙率是衡量滤水性能优劣的指标。孔隙率大，则进水面积相对的也大，水经滤水管的阻力就小。但是，过大的孔隙率必然影响到滤水管的强度。因此，滤水管的孔隙率应与地层的给水度相吻合，在选择滤水管的孔隙率时至少不应小于地层的给水度。

滤水管的孔隙率的计算随滤水管的类型不同而异。骨架滤水管、缠丝滤水管等，因滤水孔直接穿透，故滤水孔的孔隙率为进水面积（滤水孔总面积）与滤水管表面积之比。贴砾滤水管、砾石水泥滤水管的孔隙率，则以滤水管所吸收水的体积与滤水管体积之比来表示。

3.钻孔止水

在多层结构含水层中进行钻探，为了分层观测，分层抽水，分层取样，获得各个含水层的水文地质参数，防止水质不良的含水层的地下水流入孔内，以及钻进时产生严重渗漏而影响正常工作时，都必须进行止水工作。水文地质钻孔和供水钻孔的止水，一般均采用套管隔离，在止水的位置用止水材料封闭套管与孔壁之间的间隙。止水的部位应尽量选在隔水性能好及孔壁较完整的孔段。

（1）止水方法的选择。止水方法按不同的条件可分为：临时性止水和永久性止水，同径止水和异径止水，管外和管内止水等方法。

止水方法的选择，主要取决于钻孔的类型（目的）、结构、地层岩性和钻探施工方法等多种因素。临时性止水应用于一个钻孔要对两个或两个以上含水层进行测试，或该目的层取完资料后并无保存钻孔的必要时所采用的止水方法。永久性止水则用于供水井中，主要作用是封闭含有害水质的含水层。一般管外异径止水的效果较好，且便于检查，但钻孔结构复杂，各种规格管材用量大，施工程序复杂，多实用于含水层研究程度较差的勘探试验孔。管外同径止水或管外管内同径联合止水方法，钻孔结构简单，钻探效率较高，管材用量较少，但止水效果检查不便，多用于大口径的勘探开采孔或开采孔止水。

（2）止水材料的选择。止水材料应根据止水要求和孔内地质条件来选择和确定，止水材料必须具备隔水性好、无毒、无臭、不污染水质等条件，以经济、耐用、性能可靠为原则。常用止水材料对比表见表1.14。

1.1.3.4　钻进方法及钻进过程中的观测编录工作

1.钻进的方法及选择

钻进的方法，应根据地层的岩性、钻孔结构、水文地质要求及施工地区的特殊条件而定，一般可参考表1.15选择。

根据岩石可钻性，常规口径（91～172mm）1～6级，大口径（219～426mm）1～4级的岩石可用合金钻进；常规口径7～9级，大口径5～9级的岩石可用钢粒或牙轮钻头钻进。

卵砾石为主的地层，可采用回转钻进的方法，大口径钢粒钻进或硬质合金钻头与钢粒混合钻进，一次成孔。在松软地层中进行大口径钻进时，可用冲击定深取样，刮刀钻头、鱼尾钻头无岩芯钻进，并配合电测井。

由于钻探技术种类很多，以下仅就目前两种新引进的钻进技术进行详细介绍。

（1）空气钻进技术。多工艺空气钻进技术（含空气泡沫钻进、空气潜孔锤、气举反循环等）被视为当代衡量钻探技术水平的重要标志之一。空气钻进技术的实质主要是用压缩空气代替常规钻进时用水或泥浆循环，起冷却钻头、排除岩屑和保护井壁的作用。此外，多工艺空气钻进可使钻井的速度提高几倍至十几倍。空气或泡沫钻进不会在井壁形成泥皮或堵塞岩层孔隙水流通道，这样也有利于增大出水量和成井质量。用气举反循环钻进可以对口径较大和1000～2000m以上的深井进行施工，同时还可减少完井前的洗井作业的时间。这些优点在西北干旱地区及低压层中效果更为突出。

该项技术已先后应用于非洲、亚洲20多个国家。中国是缺水国家，尤其是西北地区更加干旱缺水。这一现状迫切要求在这一地区发展空气钻进技术。通过一系列研究与推广应用，中国现已能较全面地掌握和推广应用此项钻井技术。迄今中国已能自行设计、生产一系列用于空气钻进的钻机及配套机具和若干井内用泡沫剂，如能钻300m和600m的钻机、空气潜孔锤、气举反循环、跟套管钻进、中心取样钻进用的设备、管材、钻头等绝大部分实现了国产化，并有部分出口。

空气钻进技术的优点：①空气取之不尽，气液混合介质亦易制备，利于在干旱缺水、高寒冰冻、供水困难地区钻探施工，减少用水费用和成本；②空气或气液混合介质（气水混合、泡沫、充气泥浆等）密度低，明显降低对井底的压力，利于提高钻速；③空气或气液混合介质对不稳地层和复杂岩矿层、漏失层的钻进都有明显的效果，并对低压含水层有保护作用；④压缩空气除在井内循环作用外，还可作为动力源实现冲击回转（如空气潜孔锤）钻进，大幅度提高基岩井的钻井速度，并能克服水井常遇的卵砾层钻进困难；⑤空气在井内循环流速快，能迅速将井底岩屑（样）输至地表，利于及时判明井底情况；⑥空气在井内的循环方式可以根据需要采用正循环或反循环，当用气举反循环钻进时，可以施工较大口径和2～3km的深井。

以下主要介绍气举反循环及空气潜孔锤两种钻进技术。

1）气举反循环钻进技术。气举反循环钻进技术是中国20世纪90年代引进并推广的新型钻进技术，是利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后形成的低密度气液混合物，以较高速度向上流动，从而将孔底的岩屑连续不断地带出地表。

气举反循环钻与常规的正循环（或泵吸反循环）钻进方法相比有如下优点：①气举反循环钻进空压机的工作介质是空气，钻进可靠性高，与泵吸反循环钻进中所用的泥浆泵、砂石泵相比，事故明显减少；②气举反循环钻进时，钻具内各处均不存在负压（压力都不小于0.1MPa），不会因钻具密封不良而不能工作，也不存在气蚀损坏水力机械现象，而泵吸反循环钻进时，钻具内处于负压状态，如果钻具密封不严出现漏气现象，则会导致冲洗液停止循环而不能继续钻进，严重时甚至可能造成事故；③气举反循环钻进不仅可以在孔内未完全充满液体（只要孔内有稳定水位）的条件下工作，而且可以钻进中深孔和深孔，而在这种情况下泵吸反循环则很难实现；④气举反循环钻进属于低能系统的钻进方法（空压机的额定风压一般在1MPa左右，风量也不大），与其他钻进方法相比，还有功率消耗低的优点等。

【例1.1】

我国曾在黄河郑州段地下水凿井工程（中深井）采用气举反循环钻进技术施工，施工发现，沿黄河地下水含水层颗粒细、流速大，要求钻进技术高、成井工艺复杂，因而黄河郑州段“九五○”地下水凿井工程（中深井）中在浅孔段（＜15m）采用正循环钻进，而在15m以下的深孔段采用气举反循环钻进，先用250合金钻头钻进引孔，后分级快速扩孔成孔。为详细介绍气举反循环这种新型的钻进技术，下面就以该工程为例对该工艺的钻进参数和施工技术进行详细介绍。

钻进参数：以中钻压（20～25kN）、中低转速（70～120r/min）、中风压（0.45～0.90MPa）、中高沉没比（0.60～0.95）和中风量（5～10m3/min）为主。钻进钻具组合为（由下至上）：250六翼合金钻头＋121钻铤＋89钻杆＋混合器＋SHB－127/87mm双臂钻杆＋双臂主动钻杆＋气水龙头；扩孔工具组合为（由下至上）：350、500、650、750六翼合金钻头＋121钻铤＋89钻杆＋混合器＋SHB－127/87mm双臂钻杆＋双臂主动钻杆＋气水龙头。

冲洗液：采用低固相泥浆作冲洗液，其具有黏度低、密度小、固相颗粒少、固孔壁作用快、渗透性好、可实现钻孔的快速堵漏、携屑排屑能力强、易洗井等特点，同时还可缩短倒风管时间，提高钻进效率。泥浆配制为：水（89.0%～93.8%）＋黏土粉（5%～8%）＋纯碱（0.5%～1.0%）＋烧碱（0.5%～1.5%）＋水解聚丙烯酰胺（0.2%～0.5%）。性能控制如下：泥浆比重1.02～1.10kg/m3；黏度1～22s；pH值9～10；失水量20～30mL/h（0.7MPa）。冲洗液循环系统由一个沉淀池、一个泥浆供给池及循环槽构成，池规格为6m×5m×2m（两个），槽规格为10m×0.8m×1m。钻进过程中泥浆靠自身流动性流入孔内。

冲孔技术：气举反循环泥浆钻进至设计孔深后应及时冲孔。由于孔内泥浆黏度大，含砂量较高，因此应及时向孔内注入钻进配制的泥浆，替换出孔内的原有泥浆，以保证下管过程中孔内泥浆不产生岩屑沉淀，使井管顺利下到预定位置，同时防止堵塞滤水管的孔隙。换浆一般以孔口返出泥浆和送入孔内泥浆的性能接近时为宜，时间为4～6h。换浆冲孔过程中，保持泥浆性能逐渐由稠变稀，防止泥浆性能突变，导致粗颗粒沉淀或孔壁坍塌。同时要经常转动钻具，以防泥浆在孔内上返时产生“串流”现象，影响换浆效果。

下管工艺：选择的井滤管质量达到抗拉强度不小于15N/mm2，弯曲公差不大于2.5mm/m，内外径公差不大于±1mm，内壁不得有沟和铸瘤，外壁水纹深度不得超过2mm，铸瘤高度不超过3mm，在每端丝扣长度内砂眼数量不得超过3个，并不得连通。缠丝间距0.75～1.00mm，孔隙率不小于20%。为此选定邯郸铸铁井滤管（国标管）。

下管方法：因供水井成井较浅（≤150m），管柱总重量小于升降机、钻塔等设备起重能力和井管自身抗拉强度，故采用一次提吊法下管。下管操作同常规下管方法，但需要稳拉、慢放，严防紧急刹车；下管遇到阻力时不得猛墩，下到滤水管时应保持井滤管内外泥浆压力平衡，以防止挤破缠丝滤网造成大量进砂。扶正器为木质（规格为350mm×50mm ×150mm），在距两端80mm处钻孔穿铁丝固定于井管接头处，每组4块，并依实测地层资料安装在比较稳定的黏土层和亚砂土层。

填砾：砾料选用直径1～3mm浑圆度较好的石英砂，严禁使用尖角碎石，不合格砾料含量不能超过10%～15%。

填砾方法：泵吸反循环施工的浅孔因使用清水钻进，故采用静水填砾；气举反循环泥浆钻进，孔较深，孔壁泥皮较厚，采用泵压法填砾。填砾速度一般控制在10～15m3/h，砾料一次填完，中途不能停歇，以免造成砾料分选和孔壁坍塌，填砾厚度达187.5mm。止水工艺：该工程46口供水管井，设计与实际均需要永久隔离地表水渗透，故选用经济、耐久、性能可靠的优质黏土。

止水方法：采用黏土球和黏土碎块围填止水，止水位置在0～14m左右。黏土球的加工采用黏土加黏土粉混配，揉实风干，直径15～40mm不等，投入速度不宜太快，以防架桥堵塞，以大小不同规格混杂投入，以缩小黏土球间的空隙，投完黏土球后（投入黏土球高度40cm左右），上部投入黏土碎块，以使其遇水溶化后充填黏土球间空隙，增强止水效果。

洗井工艺：先采用空压机洗井，排出管内泥浆直至变清。80m以上井段采用具有强力破壁兼排浆作用的活门抽筒活塞升降机单绳提拉；80m以下井段用双盘胶皮活塞钻杆提拉，空压机、大泵量深井潜水泵交替进行；洗井顺序自上而下，直至水清砂净。洗井后，经试抽单位涌水量均无反常现象，含砂量均小于1：106。

2）空气潜孔锤钻进技术。空气潜孔锤钻进技术是利用压缩空气作为循环介质，并作为驱动孔底冲击器的能源而进行的冲击回转钻进，它是空气钻进技术在破岩方法上的一个突破。它具有以下优点：①钻进效率高，在坚硬岩层采用潜孔锤钻进比普通金刚石回转钻进的效率要提高10多倍，其机械钻速可达8～40m/h，台月效率达千米以上；②钻头的寿命长，一个直径220mm的球齿钻头在花岗岩地层可钻进500m，在石灰岩地层可钻进1000m；③水文水井钻进中，成井质量高，出水量大，其出水量比其他工艺方法（如清水或泥浆循环）提高30%左右；④需要钻压和转数较低，能改善钻杆扭矩和钻具工作条件，如220mm的潜孔锤只需要钻压13～17kN即可达到很好的钻进效果；⑤防孔斜效果好，由于钻压和转数低，一般情况下，每百米孔斜均小于1°。

空气潜孔锤钻进最先用于矿山开采，20世纪40年代末用于露天和井下开采，经过30年的研究和改进后，于70年代起逐渐被应用到水文水井钻探上。在80年代，美国水文水井钻进中采用潜孔锤钻进的已占到其总工作量的75%。80年代后，潜孔锤钻进技术在中国得到迅速发展。这项技术作为“多工艺空气钻进技术”项目的课题之一，被列入地矿部“七五”重点科技公关项目。1992年被国家科委列入“国家科技成果推广项目计划”。目前中国有100多个单位推广这项新技术，已用之钻井近万眼。

潜孔锤钻进技术包括系列潜孔锤：贯通式潜孔锤、800～1200mm的大直径潜孔锤、潜孔锤跟管钻进、扩孔钻具、取芯钻具及相关的钻进工艺。

潜孔锤是在井底做功的冲击器，由配气装置、活塞、汽缸、外套及一些附属件所组成；潜孔锤所使用的钻头种类很多，其中刀片钻头用于软地层，球齿钻头用于硬地层。

【例1.2】

在贵州省某公司的成井施工中，曾使用空气潜孔锤钻进工艺施工成井1眼，完成井深99.88m，出水量540t/d。现以之为例说明该钻进的技术工艺和施工工序。

该场地地层情况：上部为第四系（Q）黏土，厚约3m；下部为关岭组（T2g）中厚层白云岩，夹薄层白云岩，岩体内溶孔、溶蚀裂隙、小溶洞较为发育，大部分溶裂充填黄色黏土。钻孔静止水位埋深2m。

采用的施工设备和机具：SP530H型移动式螺杆空压机，风量22.33m3，最大风压1.2MPa，SPJ300型水文水井钻机；4135型柴油机；89mm钻杆；JG150、JW150、JW200B型潜孔锤各1套；JG50·165、JW150·165、JW200·205钻头各1个，JW250扩孔钻头1个。

采用的钻进工艺：钻压控制在8～15kN；钻具转速一般控制在14～24r/min；风量一般在20～24m3/min。为使潜孔锤能正常工作，工作压力必须满足P1－（P2＋P3）≥P4（P1为空压机输出压力；P2为沿途管道压力损失；P3为井内水柱对冲击器造成的负压；P4为潜孔锤正常工作压力）。

施工开始时首先用常规硬质合金钻头钻进，将上部土层及基岩强风化层钻穿，下入325钢管作定向管，然后用JW200B型潜孔锤带205钻头施工至井深51m，再用JW200B型潜孔锤带250扩孔钻头扩完井段，下入219无缝钢管51m作成井管，最后用JW150型潜孔锤带入165钻头钻进至终孔。

施工中发现，因SP530H型空压机输出最大风压为1.2MPa，施工成井深度只能达100m左右，如需钻更深的孔，则需添置增压机或使用高压力空压机才能实现。

（2）无固相冲洗液钻进技术。在水文地质孔含水层中钻进时，若该含水层段地层稳定性差，通常是采用优质泥浆护壁钻进。然而由于泥浆中的黏土颗粒会造成含水层堵塞，抽水前不得不采用各种方法洗井，不仅耗时耗物，而且有时会因洗井效果不理想而影响水文地质资料的准确性。如果用清水钻进，则容易产生孔壁垮塌、埋钻等孔内事故。针对这一问题，江苏省煤田地质勘探第三队近年来在某矿若干个水文地质孔施工中，使用聚丙烯酰胺—水玻璃—腐植酸钾无固相冲洗液钻进，取得了较好效果，既安全穿过局部不稳定地层，终孔后又不用洗井而直接进行抽水试验。

【例1.3】

江苏省煤田地质勘探第三队使用聚丙烯酰胺—水玻璃—腐植酸钾无固相冲洗液钻进。

钻探区的地层为：表层110m左右的冲积层，岩性多为灰白、灰绿色黏土，局部为没有胶结的细砂，孔壁很不稳定；冲积层以下是205m左右的泥岩、粉细砂岩互层，再往下则是煤层、泥岩、泥质砂岩所组成的煤系地层。其目的层为两个含水层，岩性均以泥质砂岩为主。按照水文地质设计要求，在含水层段钻进时不得使用泥浆，也不能使用清水钻进，否则会发生塌孔现象，甚至产生埋钻事故。煤系地层以下至终孔是45m左右的灰岩。

无固相冲洗液使用机理：无固相冲洗液的良好性能是通过添加化学处理剂来实现的。高分子聚合物聚丙烯酰胺（PHP）不仅能絮凝钻屑，而且其分子链上的羧基（—COOH）可以加强水解聚丙烯酰胺和孔壁之间的吸附作用，所以有较好的稳定孔壁作用，而水玻璃（Na2O·nSiO2）则是一种以Si－O－Si键连成的低聚合度聚合物，为黏稠状半透明体，pH值为11.5～12，水解后生成胶态沉淀，能促进沉渣；另外水玻璃遇钙、镁、铁等离子会反应产生沉淀反应：

这不仅有助于沉砂，也能促进孔壁形成钙化层，使孔壁得到稳定。腐植酸钾（KHm）含有K＋，在足够的浓度下，K＋对黏土矿物具有封闭作用，能使易水化膨胀的泥质岩层呈现较好的惰性。

基本配方与室内试验：

（1）无固相冲洗液的基本配方：PHP300～600ppm、Na2O·nSiO26%～8%、 KHm 1%。

（2）浆液性能：漏斗黏度17s，密度1.02g/cm3，pH值11，失水量为全失水。

（3）室内试验：浸泡试验。目的是观察试样在浸泡时发生的变化（膨胀、变形及发生的时间）。浸泡岩样取自施工现场，与目的层易坍塌的泥质砂岩及泥岩岩性相同，将其粉碎后过100目筛，用水拌和后做成直径20mm，高25mm的圆柱，自然晾干而成。

施工措施：根据室内试验情况，用泥浆钻穿冲积层，下入146mm护壁套管，继续用泥浆钻进至含水层顶板，换用聚丙烯酰胺—水玻璃—腐植酸钾无固相冲洗液，代替泥浆钻进，直至灰岩顶板，其间穿过两层煤和两个含水层，孔内一切正常，未发生掉块、坍塌等现象，孔内干净，钻具一下到底。进入灰岩后，由于灰岩裂隙发育，冲洗液全漏失，基于降低成本考虑，改用清水钻进至终孔（终孔深度540m左右），孔内未发生任何异常情况。

2.钻进过程中的观测工作

为获得各种水文地质资料，在钻进过程中必须进行水文地质观测工作。需观测的项目如下：

（1）冲洗液的消耗量及其颜色、稠度等特性的变化，记录其增减变化量及位置。

（2）钻孔中的水位变化。当发现含水层时，要测定其初见水位和天然稳定水位。

（3）及时地描述岩芯，统计岩芯的采取率；测量其裂隙率或岩溶率。

（4）测量钻孔的水温变化值及其位置。

（5）观测和记录钻进过程中发生的涌水、涌砂、涌气现象及其起止深度与数量。

（6）观测和记录钻进的速度、孔底压力及钻具突然下落（掉钻）、孔壁坍塌、缩径等现象及其深度。

（7）按钻孔设计书的要求及时采集水、气、岩、土样品。

（8）在钻进工作结束后，按要求进行综合性的水文地质物探测井工作。

对以上在钻进过程中观测到的数据和重要现象，均要求反映在终孔后编制的水文地质钻探综合成果图表中。该图表主要包括钻孔结构及地层柱状图、地质—水文地质描述及在该孔中完成的试（实）验、分析等资料，如测井曲线。

3.钻进过程中的编录工作

水文地质钻探所取得的资料都要及时、准确、完整、如实地进行编录。编录就是将钻探过程中所取得的一系列原始数据和观察的现象编辑并记录下来，作为技术资料保存和使用。编录以钻孔为单位进行，每一个钻孔都要有完整的编录资料，内容如下：

（1）钻孔类型与钻孔位置。钻孔类型是反映钻孔的用途（地质孔、抽水试验孔、勘探开采孔、长期观测孔等）。钻孔位置是说明钻孔的地理位置、地质与地貌位置、坐标位置及孔口地面高程。

（2）钻进情况。使用钻机种类、钻探工作类型、钻头种类、施工起止时间、施工单位、取样方法、取样深度与编号、岩芯采取率等。

（3）地层情况。地层名称、地质时代、变层深度、地层厚度及地层的岩性描述。

（4）观测与试验。冲洗液的消耗量、漏水位置、孔壁坍塌、掉块、掉钻、涌砂与气体逸出等情况、取水样的位置、各含水层地下水的水位与水温、自流水水头与自流量；各含水层简易抽水试验的延续时间、水位下降、出水量、恢复水位高度与水位恢复时间；含水层颗粒的筛分结果；水质分析成果；隔离封闭含水层的止水效果；洗井方法及洗井台班数等。

（5）钻孔结构。钻孔的深度、钻孔直径（开孔直径、终孔直径及各部位直径）、钻孔斜度、下套管位置、套管种类与规格、井管材料种类与规格、滤水管位置、填砾规格、管外封闭位置、封闭材料及钻孔回填情况等。

最后将钻进过程中所有的成果资料，汇总成钻探成果图表上报。