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地下水资源与水井牙轮钻探技术中国地质科学院勘探技术研究所许刘万1地下水资源现状随着国民经济建设的发展，地下水的开发利用愈来愈深，加之人们生活水平的不断提高，节约能源和保护环境，开发利用地下水资源已越来越引起国内外的高度重视。21世纪面临人口、资源、环境协调的问题，其规模和难度都将是空前的。水资源是重要的矿产资源，国家“十一五”计划纲要强调水资源的可持续利用和开源节流并重，要求合理利用地下水资源。国土资源战略中亦要把地下水资源的勘查、开发和有效利用放在突出位置，尤其要把“加强西北重要工业、农牧业开发区、重要城市、黄土高原等缺水地区和地方病重灾区，防病改水及地下水勘查”，“优化地下水资源利用布局”特别列入国土资源部“十一五”计划纲要中。我国西北、华北地区的缺水面积相当于国土面积的50%，全国600多个城市，有400多个供水不足，其中严重缺水的城市有100多个，月缺水量达1500万吨。因为缺水，全国工业产值平均每年减少2000多亿元。由于大量集中开采浅层地下水资源，造成一系列生态环境问题，包括地下水污染，河道常年断流，城市地面沉降，沿海海水入侵，地下水咸化，农田盐碱化，洼地干枯萎缩。原因：主要是开采地下水的深度位置过浅，而且被过分集中超采导致浅层地下水（即地表水）天然补给速度低于过分开采速度等。中国城市水资源缺乏原因是大中城市流动人口剧增，生活污水相应增多，供需关系紧张。水资源时空分布极不平衡，每年夏季由于天气酷热，自然造成用水高峰期，一旦久旱无雨，使得可供水资源进一步减少。供水设施建设与经济发展不成比例，造成城市供水量严重不足，所以按照国际通用标准，中国已经成为一个贫水国。然而经济发展的事实有力地说明，缺水不仅严重影响人民群众的基本生存，而且是造成长期贫困的主要原因。2如何解决好地下水资源问题为了解决好严重缺水问题，许多专家积极献计献策，共同为开采地下水“把脉会诊”，提高全社会对地下水循环规律的认识；遵循地表水与地下水多次相互转化、相互调剂的关系，提高水资源总利用率；开展深层地下水井及地热井钻井新技术研究，积极促进科技成果转化，包括研制不同类型的深水井钻机和与之配套的新技术工艺方法，加强已有成果的综合深入研究，坚持科研与生产单位之间的密切结合，集中优势技术力量，尽快研究解决目前我国深层地下水井和地热井钻井技术难题，优质高效地开发深部地下水资源对促进干旱缺水地区经济社会发展具有非常重要的意义。3地下水资源钻探技术3.1钢丝绳冲击和冲击反循环钻探钢丝绳冲击钻探是最古老的一种方法。近年来经过不断革新已发展成为冲击反循环钻探技术，受到了广大用户的好评。但此种钻进主要用于卵砾石、致密性基岩效果好，但钻进其它地层速度慢。这种钻探方式突出的优点是：钻探设备少，操作简单，易于搬迁，用水量小，钻开含水层时不易堵塞和污染含水层，不需要泥浆。缺点是：在一般地层钻探效率较低，故除卵砾石和漂石层外，不常采用。3.2回转钻探在钻进方法上可分为：3.2.1冲洗液钻进（正循环钻进）,即清水钻进和泥浆钻进。清水钻进用于稳定地层，泥浆钻进用于次稳定或不稳定地层。在我国冲洗液泥浆钻进目前使用最为普遍，国外则要求采用多种钻进工艺，并能快速完成钻井。3.2.2空气钻进空气钻进适用性：▲纯空气钻进，用于稳定地层；▲雾化清水钻进，用于湿润地层；▲雾化泥浆钻进，用于不稳定地层；▲粘性泡沫钻进，用于大直径钻孔；▲充气泥浆钻进，用于漏失地层。3.3反循环钻进按冲洗介质的类型不同，分为充气（泡沫、雾气等）反循环与冲洗液反循环；以返水原理分：分为单管、双管和三管反循环等。在水井和地热井钻探中，以气举反循环钻进用得最多。一般：孔深在50m以内多采用泵吸反循环或喷射反循环钻进；孔深大于50m后，多采用气举反循环钻进。空压机钻头钻头钻头砂石泵排渣管水龙头水龙头气水龙头进气管排渣管喷射器高压水入管气举反循环钻进示意图泵吸反循环钻进示意图射流反循环钻进示意图3.4冲击回转钻探冲击回转钻探：液动潜孔锤和气动潜孔锤，主要优越性为：钻进效率高，钻头寿命长，回转速度低，扭矩和钻压小，并有防斜作用。液动潜孔锤耗用功率较大，目前仅应用于小口径岩心钻探。气动潜孔锤有利于在干旱、缺水和寒冷地区及永冻地层凿孔。国产气动潜孔锤用的最多的是浙江嘉兴嘉冶矿山钻具有限公司的产品。更好一些的则选用（原美国英格索兰公司）阿特拉斯·科普柯集团与我国宣化合作生产的各种型号。4牙轮钻探技术牙轮钻头钻进，适用范围比较广泛，从软地层到硬基岩层均可采用。由于它具有独特的破岩作用，从20世纪初开始使用，到现在已有一百多年的历史，经过在油气钻井方面长期使用考验而证实效果很好。随着水井钻探技术和设备的不断发展，在地下水资源开采深度不断增加、竞争与机遇并存，困难与希望同在的形势下，挖掘技术潜力，用速度快、投资省的钻进技术方法进行施工，这是业内人士的共同心愿。所以牙轮钻探技术已作为一项重要技术措施逐步推广采用。4.1牙轮钻头的结构类型▷按牙轮的数量分为：单牙轮、双牙轮、三牙轮、四牙轮及多牙轮钻头；单牙轮钻头双牙轮钻头三牙轮钻头四牙轮钻头▷按破碎岩石的方法分为：取心牙轮钻头、全面钻进牙轮钻头；全面钻进钻头取心钻头▷按钻进工作性质分为：直接钻进与扩孔用两类；扩孔钻头直接钻进钻头▷按牙轮的牙齿和结构分为：镶齿、钢齿、锥形及盘型轮等。钢齿钻头镶齿钻头（楔齿、锥齿、球齿）4.2牙轮钻头的工作原理及破岩机理牙轮钻头在钻杆和钻铤轴心压力的驱动下，牙轮钻头在井底以钻头公转、牙轮本身的自转，产生上下往复运动（纵向振动）和静压以压碎、冲击和剪切作用来破碎井底岩石。纵向振动是牙轮在滚动过程中，双齿单齿交替着岩，而形成整个钻头的纵向振动，构成了轮齿对岩石的动压入作用。由于牙轮钻头采用牙轮超顶、复锥和移轴的结构，使得在井底滚动的同时产生轮齿对岩石的滑动来实现剪切作用，以提高破碎效果。破碎的坑穴扩大，加上水力作用，冲蚀并扩大破碎体积，这就形成牙轮钻头对岩石的压入，冲击和剪切的综合破碎机理。4.3牙轮钻头选型的方法牙轮钻头选型是否合理与钻井成本的关系很大。所以，根据施工情况合理地选择钻头是非常关键。目前在地质和水井钻探方面使用的牙轮钻头均为石油钻井规格范围，其中三牙轮钻头用的最为普遍，但特殊钻孔施工时只能采用自制的组焊式牙轮钻头。从我们多年来科研开发生产实践经验来看，往往由于钻头选型不当，使得钻井速度慢，成本高。正确地选择钻头，一方面要对现有钻头的工作原理与结构性能特点有清楚的了解；另一方面还应对所钻地层的岩石物理机械性能有充分的认识，如：岩石的硬度、塑脆性、研磨性、可钻性等。4.3.1研磨性地层的选型研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速降低很快，钻头进尺少，特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻头直径磨小，轴承外露，加速钻头损坏，这时最好选用镶齿钻头。4.3.2软硬交错地层的选型一般应选择镶齿钻头中加高楔形齿或加高锥球形齿，这样既在较软地层中有较高的机械钻速，也能保证对付硬地层，但在钻进时的钻压及转速上应有区别，钻进软地层时可提高转速降低钻压，在硬地层井段应提高钻压降低转速，以达到更好的经济效果。4.3.3容易井斜地层的选型地层倾角较大是产生井斜的主要原因，而下部钻柱的弯曲与钻头类型选择不当，是造成井斜的技术因素。通过生产试验得出，移轴类型的钻头，在倾斜地层钻进时易造成井斜，所以应选用不移轴或移轴量很小的钻头，同时，保证移轴小的前提下，还应选比地层岩石性能较软类型的钻头，这样可在较低的钻压下提高机械钻速。4.3.4浅井段与深井段的选型在浅井段应选用机械钻速较高类型的钻头，深井段应考虑使用寿命长的钻头，这样既经济又安全。选择钻头的原则是把钻进成本降到最低。钻进成本可用下列公式计算：C=[Cb+Cr（Tt+T）]/R/T(元/m)式中：Cb——钻头成本；Cr——钻机作业费；Tt——起下钻时间；T——纯钻时间或钻头寿命；R——平均钻速。从公式看，要降低成本就要提高钻速和寿命，但钻速比寿命显得更为重要。不过随着孔深的增加，起下钻时间Tt增加，这个重要程度会降低，但钻速总是比寿命重要。从优选钻井参数的角度来考虑，钻速与寿命是相矛盾的，即钻速增加寿命缩短，尤其是镶齿钻头，牙齿的磨损程度对钻速的影响不大。因此钻头的初步选型软硬主要从获得最高的钻速出发。4.4牙轮钻头钻进的优越性及适应条件▷不论在国内还是去国外承包水井钻探工程，采用牙轮钻头钻进的可以说占到了80%以上，尤其深水井、地热井施工占到的比例最大。从近年来牙轮钻头使用的领域来看，已扩展到桩基施工、非开挖工程施工、煤矿瓦斯排放井施工等，应用范围不断扩大，产生的社会和经济效益非常显著。▷实践证明：牙轮钻头钻进对地层及地下水情况无特殊要求，其适应范围是很宽阔的。同一般筒钻取心钻进、钢粒钻进相比效率要高出1倍以上，钻头寿命也高，一只三牙轮钻头在5~6级中硬岩石中钻进数十米至百米不成问题，成本低，一次性投资也不大。钻进过程中增加了纯钻时间、缩短了辅助时间（有时几个班才提一次钻）。所钻井壁圆滑、完整、垂直度高。这是正循环钻进所具有的优越性。如若采用气举反循环钻进用牙轮钻头的话，产生的优越性比正循环钻进更为突出。▷采用气举反循环钻进用牙轮钻头其优越性比正循环钻进更为突出。主要表现在以下几个方面：（1）进尺快，效率高，成井周期短。比牙轮正循环钻进节省时间一半以上。（2）井孔质量好。据调查，凡是采用牙轮钻头气举反循环钻进的供水井，孔斜率均为零度，优质孔达100%。（3）牙轮钻头寿命长。（4）事故少，成本低。特别对付难以钻进的复杂地层更有其独特的优点。大力推广气举反循环技术是当前水井和地热井钻探及煤矿瓦斯排放井等工程钻探工作的方向。4.5牙轮钻头钻进注意事项为保证牙轮钻头下钻后取得较高钻速，应注意以下几点：（1）正循环钻进时必须配备大泵量的泥浆泵，也可用两台泵并联使用。（2）钻压是牙轮钻头钻进的主要参数之一，钻压的大小直接影响着钻进效率的高低和钻头的使用寿命。（3）转速不宜太高，因为太高的转速会使载荷作用于岩石的时间短，达不到体积破碎的效果，而只停留在表面或疲劳破碎阶段。（4）牙轮钻头使用时间的确定，正常情况下，钻头的使用时间一是轴承磨损以至不能使用；二是牙齿磨钝，钻速明显下降。5结语地下水资源问题，党中央、国务院非常重视，只有解决了水的问题，我国中西部地方必定能够更快更大的发展具有十分重大的意义。认真总结地下水钻探取得的成功经验，进一步依靠科技进步和创新，提高地下水资源钻探开发利用水平，充分发挥牙轮钻探技术，尤其是气举反循环钻进牙轮钻探技术在地下水资源开采中的作用。根据地下水资源的分布与补给规律，科学开发利用地下水，始终贯彻“节约资源、保护环境”的基本国策，坚持在“保护中开发，在开发中保护”的总原则，坚持开源和节流并举、节约优先、治污为本、高效利用的总方针，加强用水的统筹规划与管理。