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中国水文水井钻探技术及装备应用现状中国地质科学院勘探技术研究所许刘万1概述水文水井钻探是探测和开采地下水资源的重要手段之一，对于社会主义建设、改造大自然具有重要意义。近年来，由于我国工农业生产发展的需要，大量地开发利用地下水资源，地下水位逐年下降，建井越来越深，成本越来越高。因此，建井技术、钻探设备、成井工艺也需要随之提高或更新。我国是水资源贫乏的国家，缺水已成为一个社会问题，它是一些地区经济落后，贫穷人口多的一个重要原因。可见解决缺水地区人畜饮用水问题迫在眉睫。中国水资源存在三大难题：北方地区缺水、南方地区洪涝及城市与工业地区水污染。尤其我国西北、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。为解决好我国严重缺水问题，许多专家积极献计献策，共同为开采地下水“把脉会诊”，加大宣传提高全社会对地下水循环规律的认识，遵循地下水与地表水多次相互转化、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探新技术研究，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，加强已有科技成果的综合深入研究，坚持科技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和地热井钻探技术难题，使地下水资源开发工作能够上一个新台阶。2水文水井钻探的特点及工艺要求水文水井钻探与固体矿床岩心钻探、石油钻井比较具有以下特点：（1）钻孔直径大。一般在直径150~800mm之间，由于口径大，钻进过程中产生的岩屑多，当采用正循环钻进方法时，就需要有大排量的冲洗液设备将岩屑排至地表。（2）钻孔深度小。一般在数十米至数百米之间，特殊的超过千米以上，而地热井多在千米以上。因而除深井和地热井需要大型钻机外，一般水文水井钻探均用中小型钻机。（3）钻孔垂直度有一定要求。因钻（井）孔上部需要安装水泵，下部安装过滤器，所以要求钻孔在100m以内偏斜≯1º，1000m以内偏斜≯5º。（4）水文水井钻探属大口径钻进，而且主要是在松散的卵砾石层、砂砾石层以及砂土、粘性土等地层钻进。这些地层胶结性差，易坍塌，冲洗液易漏失。也有部分钻（井）孔在基岩层中钻进，而这些基岩又多为裂隙溶洞地层。在不深的钻孔中常常遇到迥然不同的数种地层，这就要求所采用的钻进工艺和钻具对各种不同地层有一定的适应性。（5）水文水井钻探工期短，流动性大，搬迁频繁，要求钻进工艺所使用的钻探设备不能过于笨重。（6）水文水井钻探的目的是提供水文钻孔或水井，其价值一般不及油井或固体矿床钻孔，在配套方面远不如油井设备配套复杂，而且地层压力、井底温度都不如油井的高，因而要求所采用的钻进工艺，较油井或固体矿床钻孔的设备投资少，钻探成本低。由于水文水井钻进的上述特点，决定了钻进工艺和钻探设备的要求，即要求达到快速钻进的目的，所选择的钻进工艺必须是：设备轻便，易于搬迁，有足够的岩屑排除能力，钻进效率高，能控制钻孔偏斜，保证钻孔质量；所使用的钻具要求成本低，寿命长，易于加工，便于推广。3国内外水文水井钻进工艺及钻具分析3.1钢丝绳冲击钻探这是一种古老的钻探方法，用于钻进卵砾石、致密性基岩效果较好，但钻进粘土、淤泥、砂岩、花岗岩时钻速慢，钻进细砂、流砂层比较困难。国外基本上被淘汰，我国有些地方仍在应用。3.2回转钻探在钻进工艺上又分为冲洗液正循环钻进、空气钻进和反循环钻进。（1）冲洗液正循环钻进。分为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。泥浆钻进目前使用最为普遍，可是国外则要求采用多种钻进工艺，并能快速完成钻井。（2）空气钻进在钻进工艺上分为：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。我国从“七五”、“八五”、“九五”期间就开始列项进行专门研究。近年来此种工艺方法已在我国干旱缺水地区得到推广应用。在国外如美国、加拿大等国家采用最多。实践证明，空气钻进法在水文水井钻进中具有很大的发展前途。（3）反循环钻进，按冲洗介质的类型不同，分为空气（包括泡沫、雾气等）反循环与冲洗液反循环；以返水原理来分可分为泵吸、射流、气举反循环。其钻进原理见图1所示。钻头钻头钻头泵吸反循环钻进射流反循环钻进气举反循环钻进空压机排渣管气水龙头喷射器高压入水管砂石泵水龙头水龙头图1泵吸、射流、气举反循环钻进方法示意图由于反循环钻进具有钻进效率高，钻头寿命长，成井质量好，在复杂地层中钻进安全可靠，并能实现连续取样（芯）钻进，节省辅助时间和减轻劳动强度等特点，已成为国内外钻进水井及大口径工程施工孔的主要技术方法之一。在我国水井钻探方面，反循环应用最多的为气举反循环钻进，泵吸、射流反循环钻进除水井钻探开孔外，多用于桩基施工钻进方面。气举反循环钻探技术已在我国水井、地热井以及煤矿瓦斯排放井中得到广泛应用，目前此项技术达到的最大孔深为3600m，取得的经济和社会效益显而易见。在国外如德国水文水井钻探主要是采用气举反循环钻进，美国气举反循环钻进技术主要用于较深钻孔和一些复杂地层钻进。所以，美国和德国为了广泛应用该项技术，从钻具到设备都已成系列配套，而我国在这方面还有一定差距。3.3冲击回转钻进在工艺上又分为液动潜孔锤和气动潜孔锤，适用于钻进基岩硬地层，其钻进速度比回转钻进高50%~100%。液动潜孔锤耗用功率较大，目前主要应用于小口径岩心钻探。现从我国这一技术的发展来看，已趋于成熟。而气动潜孔锤采用压缩空气做为冲洗介质，有利于在干旱、缺水和寒冷地区及永冻地层凿孔，特别适用于极硬、中硬地层中全面钻进。另外这一技术已在我国煤矿抢险，瓦斯排放井中得到推广应用。气动潜孔锤冲击钻探在不同条件下钻进方法见图2所示。水文水井钻探除了上述钻进方法外，其它诸如绳索取心钻进、定向钻进等也得到了应用。在松软地层中还广泛地使用无冲洗液钻进法：如螺旋钻进法、钻斗钻进法、抓斗钻进法。因此，只有根据不同的地质、地理和技术条件发展各种钻进方法才能提高水文水井钻进的经济效益。为有利于水文水井钻探方法选择，可参考表1进行。潜孔锤正循环潜孔锤隔离式潜孔锤贯通式双壁钻具单壁钻具冲击器岩屑排出口送气管送气管封堵器冲击器冲击器排岩屑管排岩屑管图2气动潜孔锤冲击钻探不同条件下钻进方法地层类型地质成因火成岩与变质岩沉积岩类型花岗岩片麻岩玄武岩石英岩深色火成岩石灰岩砂岩泥质岩粘土砂砾石硬度坚硬——硬硬——中硬——软松散含水层与水量含水层为裂隙及风化层结合部，通常水量贫乏含水层极不稳定，属中等含量，含水层多属发育很好的裂隙及溶洞含水层极不稳定，属中等含量，含水层多属发育很好的裂隙及溶洞水井简要设计口径小（4″—8″）小—适中（6″—12″）小—大（8″—24″）深度浅（50—200m）浅—深（50—1000m）浅—深（50—1000m）套管仅用于开孔或只是表层用于开孔，表层或钻深一般全井深用滤水管不下取决于地层类型需要填砾不用地层结构稳定的不用需要或自然充填钻进方法潜孔锤冲击回转范围空气和泡沫范围钢齿三牙轮钻头范围镶齿三牙轮钻头范围表1水文水井钻探方法选择指南4水文水井钻探设备发展和应用现状近年来水文水井钻机的结构和品种，随着钻进方法的发展也在不断地变化，钻机本身不但随着方法而变化，同时它的机械化程度也在不断地提高。4.1国内外水井钻机对比由于我国整个机械制造工业的能力和技术水平与世界先进水平相比还有一定的距离，因此水井钻机的发展水平也是落后于世界先进水平的。下面分几个方面进行比较。（1）从钻进工艺来看，国外为了适应不同的地层并提高钻进效率，发展了多种钻进工艺，向多种钻机发展。我国目前水井钻机的工艺相对来说较少，比较普遍采用的是泥浆正循环转盘式钻机，古老的钢绳冲击钻机还在使用。国外发展的多功能水井钻机，在我国还是缺门产品。（2）新的全液压钻机已成为国外水井钻机的主打产品，并得到了广泛地应用。而我国只是将液压技术运用在水井钻机的辅助装置上。对于全液压动力头式车装水井钻机而言，我国为了缩小同国外先进水平的差距，在20世纪80年代和90年代曾经列项研究过全液压动力头车装钻机，同时还引进了几个国家的该种钻机，而且还有单位曾仿制过国外的这类钻机。这些都为我国发展全液压动力头式车装水井钻机起到了促进作用。但由于我国的实际情况，全液压动力头式车装水井钻机未能全面推广使用。其主要原因国外液压元件质量比较好，这就使得设计人员能根据需要大胆地采用液压传动，而我国液压元件质量较差，品种规格也不全，液压油泵和马达质量还不过关等因素，妨碍了我国全液压水井钻机的发展。近年来，随着我国改革开放的不断深入，合资企业也在不断增加，液压技术合资水平也日趋成熟，各种全液压设备不断涌现。此外，人们对全液压动力头水井钻机已有了新的认识，尤其在我国解决干旱缺水地区施工，此种多功能水井钻机更能发挥其主导作用；国家对煤矿安全生产的高度重视，煤矿瓦斯排放井、抢险等特殊用途井，对全液压动力头水井钻机的渴望更大。现在中国煤炭地质总局大地公司引进的美国雪姆7685WS、山东煤田二队引进的雪姆T130XD、山东煤田一队引进的阿特拉斯·柯普科集团的RD20、河南煤田豫中勘察工程公司引进的宝峨RB50等全液压动力头式车装水文水井钻机，以及山东烟台天一机电有限公司韩国独资生产的DL-300、500、700、1200系列全液压动力头履带式水井钻机为例，都已说明全液压动力头式水井钻机在我国钻探市场潜力很大。中国地质调查局也已列项研制多功能全液压动力头车装水井钻机，看来这也是我国水井钻机发展必须要走的一条道路。（3）比较先进的国家水井钻机由于广泛采用液压传动，特别是主传动采用液压驱动，使得钻机的结构发生了很大变化，如全液压动力头式水井钻机，因用油缸、链条加减压钻进，取消了主动钻杆、绞车、天车、游动滑车等一系列笨重复杂的机构，使钻机结构简化。而我国仍普遍使用复杂笨重的结构。（4）从操纵的方便程度来看，国外先进的水井钻机配有特别齐全的仪表，能够掌握整个钻机的工况及井下状况，我国还做不到。在零部件和材料工艺性方面，自动化程度以及产品系列化、标准化、通用化方面，我们还有许多工作要做。现在各生产厂家在搞钻机产品时基本还是面面俱到，从设计到加工，周期长、质量差、效率低。（5）从整体性能来看，我国水井钻机的钻井口径一般多在500mm以上，而国外则小于500mm。由于国外水井钻机采用的工艺方法多，再加上自动化程度高，所以钻进速度比较高。4.2全液压动力头钻机与转盘钻机性能比较（1）全液压动力头既是回转器又是水龙头也是提引器，而转盘钻机必须有水龙头、方钻杆、提引器。（2）给进结构在升降钻具时起到绞车功能，在钻进时起到加压与减压功能，转盘钻机不可以。（3）能实现各种钻进方法，如各种回转钻进法，螺旋钻进法，跟管钻进法。转盘钻机有些方法不可以。（4）加接单根钻杆时间不到1min，而转盘要3-5min。（5）钻具升降及拧卸可实现机械化，塔上无人操作，下套管困难时动力头可帮助压入，但转盘钻机不能。（6）操作台可集中控制，钻进参数便于用仪表显示，提高钻进质量减少孔内事故，转盘钻机不好实现。（7）机台每班2人就可完成，转盘钻机一般4-5人。（8）平均钻速快，综合钻效高，成本低。搬迁迅速，工作环境好，工人劳动强度低，而转盘钻机则相反。4.3中国水文水井钻机行业基本情况（1）中国水文水井钻机自行设计与制造，始于20世纪60年代，基本结构为钢丝绳冲击钻机和转盘式钻机。70年代至80年代研制完成了半液压式和全液压动力头式车装水井钻机，拖挂式水井钻机，钻机种类有所增加。90年代至今研制的车装式水井钻机和深水井钻机型号有了明显的增加，使得我国中浅孔、中深孔、深孔水文水井钻机均已齐备。实现了由进口、仿制到自主研制的转变，由冲击钻机为主到回转钻机为主的转变，由散装的中浅孔钻机为主到车装钻机和散装钻机中深孔为主的转变。（2）中国现有各种钻机制造工厂初步估计400多家，其中水井钻机厂家约200多家，钻深能力达到