(一)概述
水文水井钻探的主要目的是为了勘察和开发利用地下水资源。而为了获得水文地质资料所进行的钻探工程称水文地质钻探工程;而为了工农业供水和人民生活饮用水需要进行的钻探工程称供水井钻探工程。习惯上统称为水文水井钻探工程。
1.水文地质钻探工程的任务
1)通过钻进采取岩心来研究水文地质剖面,确定含水层位、厚度、埋藏深度,查明岩石成分和岩性结构,研究含水层的孔隙性及水文地质条件,并通过钻探揭露含水层。
2)通过在钻孔内抽水、采取水样等试验达到确定地下水水位、水质、地下水的水力性质及含水层与地表之间的水力联系,含水层的水理性质等水文地质参数。
3)通过在钻孔内长期观测来了解区域水文地质情况,预测其变化趋势,为经济建设提供长久的地下水情报。
在水文地质钻探工程中,根据水文地质勘察的性质和阶段可以设计成不同种类的专用钻孔,如水文普查孔、水文勘探钻孔和探采结合钻孔。
2.供水井钻探工程的任务
供水井钻探工程是为了工农业供水而采用的钻进工程。因而它的任务是根据水文地质资料和用户要求为用户提供优质的水井。有些水文地质钻孔在完成勘探任务以后,应尽量转交地方做生产井,即所谓探采结合孔。供水井钻探工程的钻孔直径较大,习惯上称为井。
3.水文水井钻探工程的特点
由于水文水井钻探工程的任务与其他类型钻探工程不同,因而水文水井钻探工程具有以下特点:
1)地层复杂。水文水井钻探工程大多数是在第四系的卵砾石层、砂层或黏土层中进行钻进工作。这些地层给钻探工程带来的问题是坍塌、漏失和不易取心等。即使在基岩层中钻进,也多半是断裂带、溶洞或破碎带。这类地层,在钻探上统称为“复杂地层”,即发生事故多、效率低、钻进取心困难。
2)钻孔结构复杂。由于要获得准确的水文地质资料,就要求切断各含水层之间的水力联系。因此,下入的套管层次多,钻孔直径大,止水封闭要求严格,故井身结构较岩心钻探工程要复杂得多。
3)钻进方法多。由于地层复杂,即使在同一个钻孔中往往遇到不同的几种地层。因此,近年来水文水井钻探工程的钻进方法发展很快,出现了相当多的行之有效的钻进方法,如冲击钻进、反循环钻进、空气钻进、潜孔锤钻进和震动钻进等。
4)设备类型多。由于水文水井应用范围广及钻进方法的改进,近几年来世界各国都发展了相应的水文水井钻探设备。因此,与其他类型钻探工程相比,水文水井钻探工程设备类型较多。常用钻机为SP系列转盘式水文水井钻机,如SPJ-300型、SPC-300H型、SPC-600型;CZ系列钻机如CZ-22型、CZ-22-1型、CZ-30型,以及XY系列各型钻机等。其他主要设备还有动力机(电动机或柴油机)、泥浆泵(常用BW型)、桅杆或门字形钻架。
5)劳动强度大。由于水文水井钻探工程钻孔直径大,破碎岩屑多,但深度较浅(相对石油钻而言),因此,给钻探工作带来了很多不便实现机械化操作问题,如换钻具、清渣等工作,这些都使劳动强度大大增加。
6)钻进过程完成后还需进行成井和抽水试验,成井工艺过程为:冲孔换浆—安装井管—填砾—止水—洗井—抽水试验。
(二)水文水井钻进工艺
1.水文地质和水井钻孔的分类
(1)水文地质普查孔
在未进行水文地质工作的地区,通过钻探了解地层情况,含水层的埋藏条件、构造等。这类钻孔采用常规口径钻进,其质量按钻探六项质量指标要求,即岩心采取率、钻孔弯曲度、校正孔深误差、简易水文地质观测、封孔及钻孔原始记录和技术档案。
(2)水文地质勘探孔
水文地质勘探孔,除达到水文地质钻孔的质量要求外,还需取得地下水位、水量、水质、水温以及其他水文地质资料,为此需进行抽水等试验。这就需要将钻孔直径加大,进行下管、填砾、止水、洗井等成井工序,然后再进行抽水试验和水文地质观测工作。
(3)水文地质长期观测孔
水文地质长期观测孔是通过钻孔定时测定地下水位,以了解大范围内地下水动态变化。
(4)探采结合孔
水文地质勘探孔在满足水文地质勘探之目的后,应根据用户的要求,进行扩孔成井,或在勘探孔施工时就按供水井要求进行,在取得水文地质勘探资料后,移交用户做供水井使用。
(5)供水井
为满足供水需要而进行钻井成井。按成井规范要求,一般其钻孔直径都较大。
2.水文地质和水井钻孔(井)身结构要素
(1)孔(井)深
钻孔(井)深度由勘探或开采地下水目的层的埋藏深度决定。钻穿设计最后一层含水层3～5m即可终孔。
(2)孔(井)径
钻孔(井)直径包括开孔直径、终孔直径以及换径次数。终孔直径按地质要求不能小于110mm,同时还应考虑滤水管的直径和抽水泵泵体外径的尺寸。换径次数由地质情况决定。开孔直径由终孔直径和换径次数计算得出。
3.水文地质和水井钻孔的分类
(1)水文地质钻孔结构
水文地质钻孔结构如图4-17所示。
1)水文地质普查钻孔。这类钻孔要求全孔取心,取心孔段钻孔直径要求不小于110mm。因此终孔直径—般为110mm。
2)水文地质勘探钻孔。这类钻孔除要求取心外,还要进行抽水试验,并要求滤水管直径不小于108mm,同时还应考虑填砾时对钻孔直径的要求。
3)水文地质观测钻孔。这类钻孔是在取得水文地质资料后,为监测地下水活动规律而保留的水文地质勘探钻孔。其孔径应满足观测工具、仪器顺畅工作。
(2)探采结合孔
探采结合孔要同时满足勘探和成井的要求。多采用直径146mm或更大的滤水管,上部井管直径要比下入井内的抽水泵泵体直径大一级。钻孔可以一径到底,井管变径可用异径接头连接(图4-18)。
图4-17 水文地质钻孔结构图
图4-18 探采结合钻孔结构图
(3)供水井井身结构
供水井井径大,管外止水常采用永久性封固。所以在确定供水井结构时应充分考虑这些特点以及用户要求和水井的深度。
1)浅供水井(浅井)。指井深小于100m的供水井。这类水井一般做农田灌溉井,井径一般大于400mm。浅供水井多采用一径成井的结构(图4-19)。
2)中深供水井。指井深为100～300m的供水井,井径多在200～300mm。中深供水井可采用一径或两径成井的结构。
3)深供水井。指井深超过300m的供水井。深供水井要求对非供水层需进行严格封隔,保护水质,且中间采用多层套管,结构复杂,常采用的结构形式如图4-20所示。
图4-19 浅供水井结构图
图4-20 深供水井结构图
图4-21 基岩供水井结构图
4)基岩供水井。岩石中的裂隙、岩溶是地下水赋存和运动的场所。当开发岩石中的水时,必须将上部地表水或第四系的含水层加以封隔,以保护岩石中水的质和量,其结构如图4-21所示。
以上水井结构都比较单一。随着钻探技术的发展,已出现了井下局部扩孔、横向输水井、辐射井等结构形式,应及时总结、推广和应用。