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鉆探技術
水文地質鉆探的應用與分類
文章來源:地大熱能 發(fā)布作者: 發(fā)表時間:2021-10-27 17:19:39瀏覽次數:2335
在水文地質各勘察階段所進行的鉆探工作,其目的是了解地層巖性、地質構造、地下水的賦存條件和運動規(guī)律,水質、水量、水溫的變化,為正確評價地下水資源,合理開發(fā)利用與保護地下水提供資料。
(一)鉆孔分類。
一般分勘探孔、試驗孔、觀測孑L和探采孔四種。
(1)勘探孔:用于水文地質普查。主要獲取地層的巖性、地質構造和含水層的埋藏深度、厚度、性質及富水性等資料。鉆探要求滿足巖心采取率、校正孔深、測量孔斜、簡易水文地質觀測、原始記錄和封孔等六項指標。
(2)試驗孔:用于初勘階段。在初步掌握地層巖性、地質構造等資料的基礎上,著重了解地下水的水量、水位、水質、水溫等資料。要求進行分層觀測、分層抽水,單孔或群孔抽水等。
(3)觀測孔:用于研究地下水動態(tài)變化規(guī)律和為測定與抽水孔水位變化關系,以及了解不同含水層的水位、水溫、水質變化而布置的鉆孔。
(4)探采孔:用于已定水源地的詳勘階段。在已取得水文地質資料的基礎上,結合工農業(yè)生產開采水源的需要布置鉆孔。通過鉆探進一步取得水文地質資料后,即可作為開采井使用。鉆探既要滿足獲得有關水文地質資料,又要滿足開采生產井對水質、水量、衛(wèi)生防護等的要求。
(二)鉆孔布置。
在水文地質測繪和工程地球物理勘探的基礎上進行鉆孔布置,其目的是能查明勘察區(qū)的水文地質條件,取得水文地質參數和評價地下水資源所需的資料。在松散沉積物地區(qū),須根據地質、地貌及水文地質條件布置勘探線網,勘探線間距與孔距按勘察階段和不同類型松散沉積物地區(qū)的水文地質條件復雜程度而定。在碎屑巖地區(qū),勘探線的布置應能控制勘察區(qū)不同水文地質單元和地質構造、地貌條件,并且須垂直構造線或沿地層水文地質條件變化最大的方向布置。在巖溶地區(qū),除按碎屑巖地區(qū)布置勘探線網外,還應考慮布置在沿地表水系和斷層附近、巖溶裂隙發(fā)育帶和巖溶微地貌發(fā)育處。
(三)鉆孔結構設計。
鉆孔結構設計內容包括開孔直徑、終孔直徑、鉆孔深度、換徑的層次結構和深度、過濾器類型、止水方法等。
(1)孔徑。隨鉆孔的勘探目的不同而異。勘探孔孔徑一般在200 mm以下。試驗孔和探采孔孔徑一般都比較大,通常松散層孔徑在400 mm以上,基巖層孔徑在200 mm以上。觀測孔孔徑比較小,通常松散層孔徑在200 mm'以下,基巖層孔徑在150 mm以下。
(2)孔深。要求鉆穿有供水意義的主要含水層(組)或含水構造帶(巖溶發(fā)育帶、斷裂破碎帶、裂隙發(fā)育帶等)。
(3)孔的垂直度。要求以保證井壁管、過濾器順利安裝和抽水設備正常工作為難。
(4)沖洗液。應適于含水層的情況和鉆探的要求。基巖中的勘探鉆孔,常采用清水作為沖洗液,松散層中的勘探鉆孔,根據含水層情況和勘探的要求,一般采用清水水壓鉆進或用泥漿作沖洗液。采用泥漿鉆進時,宜選用利于護孔、不污染含水層、易于洗井的優(yōu)質泥漿。
(5)止水、封孔??碧姐@孔須分別查明各含水層(帶)的水位、水質、水溫、透求性,或對某含水層進行隔離時,須進行止水工作??碧姐@孑L獲取資料后,如沒有其他用途,都要進行封孔。封孔是為了避免含水層中的水互相串通,使地下水受到污染,或使承壓水遭到破壞。在主要含水層的頂底板封閉要超過5 m。一般壓力的含水層可采用黏土封閉,如果是高壓含水層或下部有開采的礦床則要用水泥封閉。對可能受到地表水污染的鉆孔,孔口要用水泥封閉。
(四)鉆探設備。
常和水井鉆探設備通用,和其他鉆探設備相比,具有扭矩大、適應性強、運移性好、種類多等特點,中國當前常用的水文地質鉆探設備有沖擊式鉆機、回轉式鉆機和復合式鉆機。
(五)鉆探方法。
水文地質鉆探大多是在第四紀松散的卵石層、礫石層以及砂、黏土、砂土等地層中進行,這類地層的特點是膠結差,易坍塌、漏失,取心困難。部分鉆探是在基巖中進行,含水巖層多有裂隙、溶洞。不同地層采用不同的鉆進方法,常用的鉆探方法按鉆進方式分為沖擊鉆進法、回轉鉆進法、沖擊回轉鉆進法。
(1)沖擊鉆進法:又分為鉆桿沖擊鉆進和鋼絲繩沖擊鉆進。常用的鋼絲繩沖擊鉆進是借助于一定重量的鉆頭,在一定的高度內周期地沖擊井底,使地層破碎而得進尺。在每次沖擊之后,鉆頭或抽筒在鋼絲繩帶動下回轉一定的角度,從而使鉆孔得到規(guī)則的圓形斷面。用該法鉆進卵石、礫石層、致密的基巖層效果較好。在第四紀地層中鉆進,多使用工字形鉆頭和抽筒式鉆頭,在基巖層中多使用十字形鉆頭和圓形鉆頭。
(2)回轉鉆進法:又分為正循環(huán)鉆進法和反循環(huán)鉆進法。正循環(huán)鉆進法是由轉盤或動力頭驅動鉆桿回轉,鉆頭切削地層而獲得進尺。沖洗液由泥漿泵送出,經過提引水龍頭和鉆桿流至孔底冷卻鉆頭后,經由鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙返出井口,同時將孔底的巖屑帶出,用這種方法鉆進砂土、黏土、砂等地層時效率較高。在第四紀地層中全面鉆進,多使用魚尾鉆頭、三翼刮刀鉆頭和牙輪鉆頭。在基巖層取心鉆進,多使用巖心管取心合金鉆頭和鋼粒鉆頭,全面鉆進多使用牙輪鉆頭。反循環(huán)鉆進法適于在卵石、礫石、砂、土等地層鉆進大直徑鉆孔,具有鉆進效率高、成本低等優(yōu)點。有三種反循環(huán)方式:①泵吸反循環(huán),利用離心泵(砂石泵)的抽吸作用,井孔內的沖洗液自上向下流動,經過井底與被切削擾動的巖屑一起進入鉆桿,再經吸水軟管進入離心泵而排人沉淀池.沉淀后的沖洗液再流回井孔,形成循環(huán)。離心泵的抽吸效率,在孔深50 m以內效率較高,隨著孔深的增加其效率逐漸降低。②噴射反循環(huán),利用水泵或空氣壓縮機所產生的高壓流,經裝在噴射腔內的噴嘴將水或空氣高速噴射出去,在噴嘴外部形成負壓區(qū),其負壓可達0 .08-0.09 MPa,此負壓區(qū)可使鉆桿內的沖洗液流動,并排出孔外,以此造成沖洗液不斷循環(huán)。噴射反循環(huán)的功率損失較大、利用率低,并隨著孔深的加深效率迅速下降,一般在50 m以內孔段使用,在深孑L常和氣舉反循環(huán)鉆進法配合使用。③氣舉反循環(huán)(壓氣反循環(huán)),利用壓縮空氣與鉆桿內的沖洗液混合后形成低比重的混合物,以高速向上流動,從而將孔底巖屑帶出孔外。其效率主要取決于壓縮空氣的壓力和排量,以及輸氣管沉沒在水中的深度和混合室的結構等。
此法不能用于10 m以內的孔段。在孔深50m以內效率低于泵吸反循環(huán)和噴射反循環(huán),但隨著鉆孔的加深,其效率逐漸提高。這種方法常與泵吸反循環(huán)或噴射反循環(huán)配合使用,I以便充分發(fā)揮各自的特點,取得更加經濟合理的效果。
(3)沖擊回轉鉆進法:分為液動沖擊回轉鉆進法和氣動沖擊回轉鉆進法(即潛孔錘鉆進法)。常用的潛孔錘鉆進法是以轉盤或動力頭驅動鉆桿和潛孔錘回轉,并以高壓大風量的壓縮空氣驅動潛孔錘的活塞,以高頻率沖擊鉆頭破碎巖石,通過鉆頭排出的壓縮空氣將巖屑帶出孔外。其效率約為空氣沖洗牙輪鉆頭回轉鉆進效率的數倍,鉆進堅硬巖層效果更為顯著。這種鉆進方法是以壓縮空氣為沖洗介質,因受空氣壓縮機壓力限制,在水位高、富水性強的巖層中使用,其鉆進深度不能很大。
(六)鉆探編錄和成果。
鉆探過程中要保證采取土樣、巖樣的質量。試驗用土樣的取樣質量、巖心采取率、土的分類、定名以及土樣和巖樣(巖心)的描述均需按一定要求進行。并對水位、水溫、沖洗液消耗量、漏水位置、自流水的水頭和自流量、孔壁坍塌、涌砂和氣體逸出情況,巖層變換深度、含水層構造和溶洞的起止深度等進行觀測和記錄,鉆探結束后,應對所揭露的地層進行準確分層。水文地質鉆探應提交達到設計要求的鉆孔,按一定要求采取巖土樣、水樣,字跡清晰的鉆探編錄,以及鉆孔綜合地質柱狀圖等成果。
(一)鉆孔分類。
一般分勘探孔、試驗孔、觀測孑L和探采孔四種。
(1)勘探孔:用于水文地質普查。主要獲取地層的巖性、地質構造和含水層的埋藏深度、厚度、性質及富水性等資料。鉆探要求滿足巖心采取率、校正孔深、測量孔斜、簡易水文地質觀測、原始記錄和封孔等六項指標。
(2)試驗孔:用于初勘階段。在初步掌握地層巖性、地質構造等資料的基礎上,著重了解地下水的水量、水位、水質、水溫等資料。要求進行分層觀測、分層抽水,單孔或群孔抽水等。
(3)觀測孔:用于研究地下水動態(tài)變化規(guī)律和為測定與抽水孔水位變化關系,以及了解不同含水層的水位、水溫、水質變化而布置的鉆孔。
(4)探采孔:用于已定水源地的詳勘階段。在已取得水文地質資料的基礎上,結合工農業(yè)生產開采水源的需要布置鉆孔。通過鉆探進一步取得水文地質資料后,即可作為開采井使用。鉆探既要滿足獲得有關水文地質資料,又要滿足開采生產井對水質、水量、衛(wèi)生防護等的要求。
(二)鉆孔布置。
在水文地質測繪和工程地球物理勘探的基礎上進行鉆孔布置,其目的是能查明勘察區(qū)的水文地質條件,取得水文地質參數和評價地下水資源所需的資料。在松散沉積物地區(qū),須根據地質、地貌及水文地質條件布置勘探線網,勘探線間距與孔距按勘察階段和不同類型松散沉積物地區(qū)的水文地質條件復雜程度而定。在碎屑巖地區(qū),勘探線的布置應能控制勘察區(qū)不同水文地質單元和地質構造、地貌條件,并且須垂直構造線或沿地層水文地質條件變化最大的方向布置。在巖溶地區(qū),除按碎屑巖地區(qū)布置勘探線網外,還應考慮布置在沿地表水系和斷層附近、巖溶裂隙發(fā)育帶和巖溶微地貌發(fā)育處。
(三)鉆孔結構設計。
鉆孔結構設計內容包括開孔直徑、終孔直徑、鉆孔深度、換徑的層次結構和深度、過濾器類型、止水方法等。
(1)孔徑。隨鉆孔的勘探目的不同而異。勘探孔孔徑一般在200 mm以下。試驗孔和探采孔孔徑一般都比較大,通常松散層孔徑在400 mm以上,基巖層孔徑在200 mm以上。觀測孔孔徑比較小,通常松散層孔徑在200 mm'以下,基巖層孔徑在150 mm以下。
(2)孔深。要求鉆穿有供水意義的主要含水層(組)或含水構造帶(巖溶發(fā)育帶、斷裂破碎帶、裂隙發(fā)育帶等)。
(3)孔的垂直度。要求以保證井壁管、過濾器順利安裝和抽水設備正常工作為難。
(4)沖洗液。應適于含水層的情況和鉆探的要求。基巖中的勘探鉆孔,常采用清水作為沖洗液,松散層中的勘探鉆孔,根據含水層情況和勘探的要求,一般采用清水水壓鉆進或用泥漿作沖洗液。采用泥漿鉆進時,宜選用利于護孔、不污染含水層、易于洗井的優(yōu)質泥漿。
(5)止水、封孔??碧姐@孔須分別查明各含水層(帶)的水位、水質、水溫、透求性,或對某含水層進行隔離時,須進行止水工作??碧姐@孑L獲取資料后,如沒有其他用途,都要進行封孔。封孔是為了避免含水層中的水互相串通,使地下水受到污染,或使承壓水遭到破壞。在主要含水層的頂底板封閉要超過5 m。一般壓力的含水層可采用黏土封閉,如果是高壓含水層或下部有開采的礦床則要用水泥封閉。對可能受到地表水污染的鉆孔,孔口要用水泥封閉。
(四)鉆探設備。
常和水井鉆探設備通用,和其他鉆探設備相比,具有扭矩大、適應性強、運移性好、種類多等特點,中國當前常用的水文地質鉆探設備有沖擊式鉆機、回轉式鉆機和復合式鉆機。
(五)鉆探方法。
水文地質鉆探大多是在第四紀松散的卵石層、礫石層以及砂、黏土、砂土等地層中進行,這類地層的特點是膠結差,易坍塌、漏失,取心困難。部分鉆探是在基巖中進行,含水巖層多有裂隙、溶洞。不同地層采用不同的鉆進方法,常用的鉆探方法按鉆進方式分為沖擊鉆進法、回轉鉆進法、沖擊回轉鉆進法。
(1)沖擊鉆進法:又分為鉆桿沖擊鉆進和鋼絲繩沖擊鉆進。常用的鋼絲繩沖擊鉆進是借助于一定重量的鉆頭,在一定的高度內周期地沖擊井底,使地層破碎而得進尺。在每次沖擊之后,鉆頭或抽筒在鋼絲繩帶動下回轉一定的角度,從而使鉆孔得到規(guī)則的圓形斷面。用該法鉆進卵石、礫石層、致密的基巖層效果較好。在第四紀地層中鉆進,多使用工字形鉆頭和抽筒式鉆頭,在基巖層中多使用十字形鉆頭和圓形鉆頭。
(2)回轉鉆進法:又分為正循環(huán)鉆進法和反循環(huán)鉆進法。正循環(huán)鉆進法是由轉盤或動力頭驅動鉆桿回轉,鉆頭切削地層而獲得進尺。沖洗液由泥漿泵送出,經過提引水龍頭和鉆桿流至孔底冷卻鉆頭后,經由鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙返出井口,同時將孔底的巖屑帶出,用這種方法鉆進砂土、黏土、砂等地層時效率較高。在第四紀地層中全面鉆進,多使用魚尾鉆頭、三翼刮刀鉆頭和牙輪鉆頭。在基巖層取心鉆進,多使用巖心管取心合金鉆頭和鋼粒鉆頭,全面鉆進多使用牙輪鉆頭。反循環(huán)鉆進法適于在卵石、礫石、砂、土等地層鉆進大直徑鉆孔,具有鉆進效率高、成本低等優(yōu)點。有三種反循環(huán)方式:①泵吸反循環(huán),利用離心泵(砂石泵)的抽吸作用,井孔內的沖洗液自上向下流動,經過井底與被切削擾動的巖屑一起進入鉆桿,再經吸水軟管進入離心泵而排人沉淀池.沉淀后的沖洗液再流回井孔,形成循環(huán)。離心泵的抽吸效率,在孔深50 m以內效率較高,隨著孔深的增加其效率逐漸降低。②噴射反循環(huán),利用水泵或空氣壓縮機所產生的高壓流,經裝在噴射腔內的噴嘴將水或空氣高速噴射出去,在噴嘴外部形成負壓區(qū),其負壓可達0 .08-0.09 MPa,此負壓區(qū)可使鉆桿內的沖洗液流動,并排出孔外,以此造成沖洗液不斷循環(huán)。噴射反循環(huán)的功率損失較大、利用率低,并隨著孔深的加深效率迅速下降,一般在50 m以內孔段使用,在深孑L常和氣舉反循環(huán)鉆進法配合使用。③氣舉反循環(huán)(壓氣反循環(huán)),利用壓縮空氣與鉆桿內的沖洗液混合后形成低比重的混合物,以高速向上流動,從而將孔底巖屑帶出孔外。其效率主要取決于壓縮空氣的壓力和排量,以及輸氣管沉沒在水中的深度和混合室的結構等。
此法不能用于10 m以內的孔段。在孔深50m以內效率低于泵吸反循環(huán)和噴射反循環(huán),但隨著鉆孔的加深,其效率逐漸提高。這種方法常與泵吸反循環(huán)或噴射反循環(huán)配合使用,I以便充分發(fā)揮各自的特點,取得更加經濟合理的效果。
(3)沖擊回轉鉆進法:分為液動沖擊回轉鉆進法和氣動沖擊回轉鉆進法(即潛孔錘鉆進法)。常用的潛孔錘鉆進法是以轉盤或動力頭驅動鉆桿和潛孔錘回轉,并以高壓大風量的壓縮空氣驅動潛孔錘的活塞,以高頻率沖擊鉆頭破碎巖石,通過鉆頭排出的壓縮空氣將巖屑帶出孔外。其效率約為空氣沖洗牙輪鉆頭回轉鉆進效率的數倍,鉆進堅硬巖層效果更為顯著。這種鉆進方法是以壓縮空氣為沖洗介質,因受空氣壓縮機壓力限制,在水位高、富水性強的巖層中使用,其鉆進深度不能很大。
(六)鉆探編錄和成果。
鉆探過程中要保證采取土樣、巖樣的質量。試驗用土樣的取樣質量、巖心采取率、土的分類、定名以及土樣和巖樣(巖心)的描述均需按一定要求進行。并對水位、水溫、沖洗液消耗量、漏水位置、自流水的水頭和自流量、孔壁坍塌、涌砂和氣體逸出情況,巖層變換深度、含水層構造和溶洞的起止深度等進行觀測和記錄,鉆探結束后,應對所揭露的地層進行準確分層。水文地質鉆探應提交達到設計要求的鉆孔,按一定要求采取巖土樣、水樣,字跡清晰的鉆探編錄,以及鉆孔綜合地質柱狀圖等成果。
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