以獲取合理開發及利用地下水所需資料而採用的一種主要技術手段,簡稱水文鑽探。與一般地質鑽探比較,水文地質鑽探的特點是鑽孔直徑較大,鑽進工藝和成井工藝比較複雜,所用的設備能力也比較大。水文地質鑽孔一般可分為水文地質普查孔、水文地質勘探孔及探采結合孔三種。此外,還有為勘探和開發地熱資源(主要是地下熱水)的地熱井。
基本介紹
- 中文名：水文地質鑽探
- 外文名：hydrogeologic drilling
- 學科：鑽探工程
- 鑽孔：抽水試驗孔等
- 目的：查明地下水的相關規律
- 鑽探方法：衝擊鑽進法
鑽孔分類,鑽孔結構設計,鑽探方法,衝擊鑽進法,迴轉鑽進法,衝擊迴轉鑽進法,
鑽孔分類
水文地質鑽探一般按鑽孔的用途分類：
抽水試驗孔為求得含水層抽水流量和水位降深的關係;計算含水層的滲透係數、給水度、儲水係數等水文地質參數;確定抽水時水位降落漏斗的影響範圍;查明地表水與地下水或不同含水層之間的水力聯繫;查明含水層水質成分而施工的水文地質試驗鑽孔。抽水試驗孔在施工中要求，①不改變或儘量少改變鑽孔周圍含水層的滲透性; ②儘量減小孔壁或過濾器對水流運動的附加阻力;③一般採用清水鑽進。只有在使用清水鑽進確有困難的鬆散、破碎岩(土)層中，才允許使用泥漿鑽進;④無論使用何種沖洗液鑽進，在正式抽水前都必須採用有效的方法洗井，清除泥皮及孔壁沉澱物。洗井的方法有活塞法、空氣壓縮機法、液態CO2法等。洗井應進行到泥漿、岩粉全部排出地面，鑽孔內水澄清透澈為止，以儘量減小泥漿、岩粉對孔壁岩層滲透性的影響。
抽水試驗孔試驗層(段)孔徑一般不小於108mm。當孔深較大時，應選擇合理的鑽孔結構和開孔孔徑，在保證試驗層(段)孔徑的前提下，儘量簡化鑽孔結構。在孔壁易坍塌的試驗層(段)要下入過濾器。過濾器根據抽水試驗段的岩性選擇。鬆散含水層處，過濾器外側往往還需填礫。鑽孔孔徑的選擇，還需考慮抽水試驗層(段)的封閉止水要求、出水量和抽水設備的安裝等因素。抽水試驗孔一般都打穿所研究的含水層(段)。鑽孔的封閉止水部位，應選擇在孔壁比較完整的隔水層(段)內，並根據抽水試驗的要求和具體情況，選擇合適的止水方法和材料。封閉止水後，應檢查止水效果並作記錄。過濾器根據含水層的孔隙性質和粒度成分選擇，一般有纏絲過濾器、紗網過濾器、篩網過濾器等類型。抽水試驗孔試驗層(段)和封閉止水層(段)鑽進時必須採取岩心，其採取率要達到規程和設計要求。抽水試驗觀測孔一般也應採取清水鑽進，有效地洗井。下入觀測管時，管徑一般不小於73mm。
長期水文觀測孔用以定期測定地下水水位、水質和水溫，觀測地下水動態，以便為地下水資源評價及其它水文地質計算提供基礎資料的專門水文地質鑽孔。其洗井要求嚴格，封閉止水應長期有效，並應建立鑽孔資料卡片。
底板含水層延深孔為揭露煤層底部可能向礦井(坑)充水的含水層，了解其特徵並對其與煤層間隔水層的岩性組合、斷層及裂隙發育程度以及隔水性能進行研究而施工的鑽孔，多利用地質鑽孔延深。為了解煤層下伏直接充水含水層的富水性，這類鑽孔揭露含水層的厚度一般不小於50m，可按實際需要確定，但也不宜過大。
採樣孔用來採取岩(土)樣，供室內進行水文地質分析和試驗的鑽孔。其施工關鍵是提高岩心採取率和儘量保持岩心的天然狀態及完整性，所采岩(土)樣品要不失水、不風化、不污染。
鑽孔結構設計
設計內容包括開孔直徑、終孔直徑、鑽孔深度、換徑的層次結構和深度、過濾器類型、止水方法等。①孔徑。隨鑽孔的勘探目的不同而異。勘探孔孔徑一般在 200毫米以下。試驗孔和探采孔孔徑一般都比較大，通常鬆散層孔徑在400毫米以上，基岩層孔徑在200毫米以上。觀測孔孔徑比較小，通常鬆散層孔徑在200毫米以下，基岩層孔徑在150毫米以下。②孔深。要求鑽穿有供水意義的主要含水層（組）或含水構造帶（岩溶發育帶、斷裂破碎帶、裂隙發育帶等）。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準。④沖洗液。應適於含水層的情況和鑽探的要求。基岩中的勘探鑽孔，常採用清水作為沖洗液，鬆散層中的勘探鑽孔，根據含水層情況和勘探的要求，一般採用清水水壓鑽進或用泥漿作沖洗液。採用泥漿鑽進時，宜選用利於護孔，不污染含水層、易於洗井的優質泥漿。⑤止水、封孔。勘探鑽孔須分別查明各含水層（帶）的水位、水質、水溫、透水性，或對某含水層進行隔離時，須進行止水工作。勘探鑽孔獲取資料後，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米。一般壓力的含水層可採用粘土封閉；如果是高壓含水層或下部有開採的礦床則要用水泥封閉。對可能受到地表水污染的鑽孔，孔口要用水泥封閉。
鑽探方法
水文地質鑽探大多是在第四紀鬆散的卵石層、礫石層以及砂、粘土、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。部分鑽探是在基岩中進行，含水岩層多有裂隙、溶洞。不同地層採用不同鑽進方法。常用的鑽探方法按鑽進方式分為衝擊鑽進法、迴轉鑽進法、衝擊迴轉鑽進法。
衝擊鑽進法
又分為鑽桿衝擊鑽進和鋼絲繩衝擊鑽進。常用的鋼絲繩衝擊鑽進是藉助於一定重量的鑽頭，在一定的高度內周期地衝擊井底，使地層破碎而得進尺。在每次衝擊之後，鑽頭或抽筒在鋼絲繩帶動下迴轉一定的角度，從而使鑽孔得到規則的圓形斷面。用該法鑽進卵石、礫石層，緻密的基岩層效果較好。在第四紀地層中鑽進，多使用工字形鑽頭和抽筒式鑽頭，在基岩層中多使用十字形鑽頭和圓形鑽頭。
迴轉鑽進法
又分為正循環鑽進法和反循環鑽進法。正循環鑽進法是由轉盤或動力頭驅動鑽桿迴轉，鑽頭切削地層而獲得進尺。沖洗液由泥漿泵送出，經過提引水龍頭和鑽桿流至孔底冷卻鑽頭後、經由鑽桿與孔壁之間的環狀間隙返出井口，同時將孔底的岩屑帶出，用這種方法鑽進砂土、粘土、砂等地層時效率較高。在第四紀地層中全面鑽進，多使用魚尾鑽頭、三翼刮刀鑽頭和牙輪鑽頭。在基岩層取心鑽進，多使用岩心管取心合金鑽頭和鋼粒鑽頭，全面鑽進多使用牙輪鑽頭。反循環鑽進法適於在卵石、礫石、砂、土等地層鑽進大直徑鑽孔，具有鑽進效率高，成本低等優點。有三種反循環方式：①泵吸反循環，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岩屑一起進入鑽桿，再經吸水軟管進入離心泵而排入沉澱池，沉澱後的沖洗液再流回井孔，形成循環。離心泵的抽吸效率，在孔深50米以內效率較高，隨著孔深的增加其效率逐漸降低。②噴射反循環，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，其負壓可達0.08～0.09兆帕，此負壓區可使鑽桿內的沖洗液流動，並排出孔外，以此造成沖洗液不斷循環。噴射反循環，功率損失較大，利用率低，並隨著孔深的加深，效率迅速下降，一般在50米以內孔段使用，在深孔常和氣舉反循環鑽進法配合使用。③氣舉反循環（壓氣反循環），利用壓縮空氣與鑽桿內的沖洗液混合後形成低比重的混合物，以高速向上流動，從而將孔底岩屑帶出孔外。其效率主要取決於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。此法不能用於10米以內的孔段。在孔深50米以內效率低於泵吸反循環和噴射反循環，但隨著鑽孔的加深，其效率逐漸提高。這種方法常與泵吸反循環或噴射反循環配合使用，以便充分發揮各自的特點，取得更加經濟合理的效果。
衝擊迴轉鑽進法
分為液動衝擊迴轉鑽進法和氣動衝擊迴轉鑽進法（即潛孔錘鑽進法）。常用的潛孔錘鑽進法是以轉盤或動力頭驅動鑽桿和潛孔錘迴轉，並以高壓大風量的壓縮空氣驅動潛孔錘的活塞，以高頻率衝擊鑽頭破碎岩石，通過鑽頭排出的壓縮空氣將岩屑帶出孔外。其效率約為空氣沖洗牙輪鑽頭迴轉鑽進效率的數倍，鑽進堅硬岩層效果更為顯著。這種鑽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、富水性強的岩層中使用，其鑽進深度不能很大。
