[科普中国]-水文地质钻探

以获取合理开发及利用地下水所需资料而采用的一种主要技术手段,简称水文钻探。与一般地质钻探比较,水文地质钻探的特点是钻孔直径较大,钻进工艺和成井工艺比较复杂,所用的设备能力也比较大。水文地质钻孔一般可分为水文地质普查孔、水文地质勘探孔及探采结合孔三种。此外,还有为勘探和开发地热资源(主要是地下热水)的地热井。1

钻孔分类水文地质钻探一般按钻孔的用途分类：

抽水试验孔为求得含水层抽水流量和水位降深的关系;计算含水层的渗透系数、给水度、储水系数等水文地质参数;确定抽水时水位降落漏斗的影响范围;查明地表水与地下水或不同含水层之间的水力联系;查明含水层水质成分而施工的水文地质试验钻孔。抽水试验孔在施工中要求，①不改变或尽量少改变钻孔周围含水层的渗透性; ②尽量减小孔壁或过滤器对水流运动的附加阻力;③一般采用清水钻进。只有在使用清水钻进确有困难的松散、破碎岩(土)层中，才允许使用泥浆钻进;④无论使用何种冲洗液钻进，在正式抽水前都必须采用有效的方法洗井，清除泥皮及孔壁沉淀物。洗井的方法有活塞法、空气压缩机法、液态CO2法等。洗井应进行到泥浆、岩粉全部排出地面，钻孔内水澄清透澈为止，以尽量减小泥浆、岩粉对孔壁岩层渗透性的影响。

抽水试验孔试验层(段)孔径一般不小于108mm。当孔深较大时，应选择合理的钻孔结构和开孔孔径，在保证试验层(段)孔径的前提下，尽量简化钻孔结构。在孔壁易坍塌的试验层(段)要下入过滤器。过滤器根据抽水试验段的岩性选择。松散含水层处，过滤器外侧往往还需填砾。钻孔孔径的选择，还需考虑抽水试验层(段)的封闭止水要求、出水量和抽水设备的安装等因素。抽水试验孔一般都打穿所研究的含水层(段)。钻孔的封闭止水部位，应选择在孔壁比较完整的隔水层(段)内，并根据抽水试验的要求和具体情况，选择合适的止水方法和材料。封闭止水后，应检查止水效果并作记录。过滤器根据含水层的孔隙性质和粒度成分选择，一般有缠丝过滤器、纱网过滤器、筛网过滤器等类型。抽水试验孔试验层(段)和封闭止水层(段)钻进时必须采取岩心，其采取率要达到规程和设计要求。抽水试验观测孔一般也应采取清水钻进，有效地洗井。下入观测管时，管径一般不小于73mm。

长期水文观测孔用以定期测定地下水水位、水质和水温，观测地下水动态，以便为地下水资源评价及其它水文地质计算提供基础资料的专门水文地质钻孔。其洗井要求严格，封闭止水应长期有效，并应建立钻孔资料卡片。

底板含水层延深孔为揭露煤层底部可能向矿井(坑)充水的含水层，了解其特征并对其与煤层间隔水层的岩性组合、断层及裂隙发育程度以及隔水性能进行研究而施工的钻孔，多利用地质钻孔延深。为了解煤层下伏直接充水含水层的富水性，这类钻孔揭露含水层的厚度一般不小于50m，可按实际需要确定，但也不宜过大。

采样孔用来采取岩(土)样，供室内进行水文地质分析和试验的钻孔。其施工关键是提高岩心采取率和尽量保持岩心的天然状态及完整性，所采岩(土)样品要不失水、不风化、不污染。

钻孔结构设计设计内容包括开孔直径、终孔直径、钻孔深度、换径的层次结构和深度、过滤器类型、止水方法等。①孔径。随钻孔的勘探目的不同而异。勘探孔孔径一般在 200毫米以下。试验孔和探采孔孔径一般都比较大，通常松散层孔径在400毫米以上，基岩层孔径在200毫米以上。观测孔孔径比较小，通常松散层孔径在200毫米以下，基岩层孔径在150毫米以下。②孔深。要求钻穿有供水意义的主要含水层（组）或含水构造带（岩溶发育带、断裂破碎带、裂隙发育带等）。③孔的垂直度。要求以保证井壁管、过滤器顺利安装和抽水设备正常工作为准。④冲洗液。应适于含水层的情况和钻探的要求。基岩中的勘探钻孔，常采用清水作为冲洗液，松散层中的勘探钻孔，根据含水层情况和勘探的要求，一般采用清水水压钻进或用泥浆作冲洗液。采用泥浆钻进时，宜选用利于护孔，不污染含水层、易于洗井的优质泥浆。⑤止水、封孔。勘探钻孔须分别查明各含水层（带）的水位、水质、水温、透水性，或对某含水层进行隔离时，须进行止水工作。勘探钻孔获取资料后，如没有其他用途，都要进行封孔。封孔是为了避免含水层中的水互相串通，使地下水受到污染，或使承压水遭到破坏。在主要含水层的顶底板封闭要超过 5米。一般压力的含水层可采用粘土封闭；如果是高压含水层或下部有开采的矿床则要用水泥封闭。对可能受到地表水污染的钻孔，孔口要用水泥封闭。

钻探方法水文地质钻探大多是在第四纪松散的卵石层、砾石层以及砂、粘土、砂土等地层中进行。这类地层的特点是胶结差，易坍塌、漏失，取心困难。部分钻探是在基岩中进行，含水岩层多有裂隙、溶洞。不同地层采用不同钻进方法。常用的钻探方法按钻进方式分为冲击钻进法、回转钻进法、冲击回转钻进法。

冲击钻进法又分为钻杆冲击钻进和钢丝绳冲击钻进。常用的钢丝绳冲击钻进是借助于一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底，使地层破碎而得进尺。在每次冲击之后，钻头或抽筒在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面。用该法钻进卵石、砾石层，致密的基岩层效果较好。在第四纪地层中钻进，多使用工字形钻头和抽筒式钻头，在基岩层中多使用十字形钻头和圆形钻头。

回转钻进法又分为正循环钻进法和反循环钻进法。正循环钻进法是由转盘或动力头驱动钻杆回转，钻头切削地层而获得进尺。冲洗液由泥浆泵送出，经过提引水龙头和钻杆流至孔底冷却钻头后、经由钻杆与孔壁之间的环状间隙返出井口，同时将孔底的岩屑带出，用这种方法钻进砂土、粘土、砂等地层时效率较高。在第四纪地层中全面钻进，多使用鱼尾钻头、三翼刮刀钻头和牙轮钻头。在基岩层取心钻进，多使用岩心管取心合金钻头和钢粒钻头，全面钻进多使用牙轮钻头。反循环钻进法适于在卵石、砾石、砂、土等地层钻进大直径钻孔，具有钻进效率高，成本低等优点。有三种反循环方式：①泵吸反循环，利用离心泵（砂石泵）的抽吸作用，井孔内的冲洗液自上向下流动，经过井底与被切削扰动的岩屑一起进入钻杆，再经吸水软管进入离心泵而排入沉淀池，沉淀后的冲洗液再流回井孔，形成循环。离心泵的抽吸效率，在孔深50米以内效率较高，随着孔深的增加其效率逐渐降低。②喷射反循环，利用水泵或空气压缩机所产生的高压流，经装在喷射腔内的喷嘴将水或空气高速喷射出去，在喷嘴外部形成负压区，其负压可达0.08～0.09兆帕，此负压区可使钻杆内的冲洗液流动，并排出孔外，以此造成冲洗液不断循环。喷射反循环，功率损失较大，利用率低，并随着孔深的加深，效率迅速下降，一般在50米以内孔段使用，在深孔常和气举反循环钻进法配合使用。③气举反循环（压气反循环），利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后形成低比重的混合物，以高速向上流动，从而将孔底岩屑带出孔外。其效率主要取决于压缩空气的压力和排量，以及输气管沉没在水中的深度和混合室的结构等。此法不能用于10米以内的孔段。在孔深50米以内效率低于泵吸反循环和喷射反循环，但随着钻孔的加深，其效率逐渐提高。这种方法常与泵吸反循环或喷射反循环配合使用，以便充分发挥各自的特点，取得更加经济合理的效果。

冲击回转钻进法分为液动冲击回转钻进法和气动冲击回转钻进法（即潜孔锤钻进法）。常用的潜孔锤钻进法是以转盘或动力头驱动钻杆和潜孔锤回转，并以高压大风量的压缩空气驱动潜孔锤的活塞，以高频率冲击钻头破碎岩石，通过钻头排出的压缩空气将岩屑带出孔外。其效率约为空气冲洗牙轮钻头回转钻进效率的数倍，钻进坚硬岩层效果更为显著。这种钻进方法是以压缩空气为冲洗介质，因受空气压缩机压力限制，在水位高、富水性强的岩层中使用，其钻进深度不能很大。2

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学