水文地质钻探的应用与分类

  在水文地质各勘察阶段所进行的钻探工作，其目的是了解地层岩性、地质构造、地下水的赋存条件和运动规律，水质、水量、水温的变化，为正确评价地下水资源，合理开发利用与保护地下水提供资料。
 
  （一）钻孔分类。
 
  一般分勘探孔、试验孔、观测孑L和探采孔四种。
 
  (1)勘探孔：用于水文地质普查。主要获取地层的岩性、地质构造和含水层的埋藏深度、厚度、性质及富水性等资料。钻探要求满足岩心采取率、校正孔深、测量孔斜、简易水文地质观测、原始记录和封孔等六项指标。
 
  (2)试验孔：用于初勘阶段。在初步掌握地层岩性、地质构造等资料的基础上，着重了解地下水的水量、水位、水质、水温等资料。要求进行分层观测、分层抽水，单孔或群孔抽水等。
 
  (3)观测孔：用于研究地下水动态变化规律和为测定与抽水孔水位变化关系，以及了解不同含水层的水位、水温、水质变化而布置的钻孔。
 
  (4)探采孔：用于已定水源地的详勘阶段。在已取得水文地质资料的基础上，结合工农业生产开采水源的需要布置钻孔。通过钻探进一步取得水文地质资料后，即可作为开采井使用。钻探既要满足获得有关水文地质资料，又要满足开采生产井对水质、水量、卫生防护等的要求。
 
  （二）钻孔布置。
 
  在水文地质测绘和工程地球物理勘探的基础上进行钻孔布置，其目的是能查明勘察区的水文地质条件，取得水文地质参数和评价地下水资源所需的资料。在松散沉积物地区，须根据地质、地貌及水文地质条件布置勘探线网，勘探线间距与孔距按勘察阶段和不同类型松散沉积物地区的水文地质条件复杂程度而定。在碎屑岩地区，勘探线的布置应能控制勘察区不同水文地质单元和地质构造、地貌条件，并且须垂直构造线或沿地层水文地质条件变化最大的方向布置。在岩溶地区，除按碎屑岩地区布置勘探线网外，还应考虑布置在沿地表水系和断层附近、岩溶裂隙发育带和岩溶微地貌发育处。
 
  （三）钻孔结构设计。
 
  钻孔结构设计内容包括开孔直径、终孔直径、钻孔深度、换径的层次结构和深度、过滤器类型、止水方法等。
 
  (1)孔径。随钻孔的勘探目的不同而异。勘探孔孔径一般在200 mm以下。试验孔和探采孔孔径一般都比较大，通常松散层孔径在400 mm以上，基岩层孔径在200 mm以上。观测孔孔径比较小，通常松散层孔径在200 mm'以下，基岩层孔径在150 mm以下。
 
  (2)孔深。要求钻穿有供水意义的主要含水层（组）或含水构造带（岩溶发育带、断裂破碎带、裂隙发育带等）。
 
  (3)孔的垂直度。要求以保证井壁管、过滤器顺利安装和抽水设备正常工作为难。
 
  (4)冲洗液。应适于含水层的情况和钻探的要求。基岩中的勘探钻孔，常采用清水作为冲洗液，松散层中的勘探钻孔，根据含水层情况和勘探的要求，一般采用清水水压钻进或用泥浆作冲洗液。采用泥浆钻进时，宜选用利于护孔、不污染含水层、易于洗井的优质泥浆。
 
  （5）止水、封孔。勘探钻孔须分别查明各含水层（带）的水位、水质、水温、透求性，或对某含水层进行隔离时，须进行止水工作。勘探钻孑L获取资料后，如没有其他用途，都要进行封孔。封孔是为了避免含水层中的水互相串通，使地下水受到污染，或使承压水遭到破坏。在主要含水层的顶底板封闭要超过5 m。一般压力的含水层可采用黏土封闭，如果是高压含水层或下部有开采的矿床则要用水泥封闭。对可能受到地表水污染的钻孔，孔口要用水泥封闭。
 
  （四）钻探设备。
 
  常和水井钻探设备通用，和其他钻探设备相比，具有扭矩大、适应性强、运移性好、种类多等特点，中国当前常用的水文地质钻探设备有冲击式钻机、回转式钻机和复合式钻机。
 
  （五）钻探方法。
 
  水文地质钻探大多是在第四纪松散的卵石层、砾石层以及砂、黏土、砂土等地层中进行，这类地层的特点是胶结差，易坍塌、漏失，取心困难。部分钻探是在基岩中进行，含水岩层多有裂隙、溶洞。不同地层采用不同的钻进方法，常用的钻探方法按钻进方式分为冲击钻进法、回转钻进法、冲击回转钻进法。
 
  (1)冲击钻进法：又分为钻杆冲击钻进和钢丝绳冲击钻进。常用的钢丝绳冲击钻进是借助于一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底，使地层破碎而得进尺。在每次冲击之后，钻头或抽筒在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面。用该法钻进卵石、砾石层、致密的基岩层效果较好。在第四纪地层中钻进，多使用工字形钻头和抽筒式钻头，在基岩层中多使用十字形钻头和圆形钻头。
 
  (2)回转钻进法：又分为正循环钻进法和反循环钻进法。正循环钻进法是由转盘或动力头驱动钻杆回转，钻头切削地层而获得进尺。冲洗液由泥浆泵送出，经过提引水龙头和钻杆流至孔底冷却钻头后，经由钻杆与孔壁之间的环状间隙返出井口，同时将孔底的岩屑带出，用这种方法钻进砂土、黏土、砂等地层时效率较高。在第四纪地层中全面钻进，多使用鱼尾钻头、三翼刮刀钻头和牙轮钻头。在基岩层取心钻进，多使用岩心管取心合金钻头和钢粒钻头，全面钻进多使用牙轮钻头。反循环钻进法适于在卵石、砾石、砂、土等地层钻进大直径钻孔，具有钻进效率高、成本低等优点。有三种反循环方式：①泵吸反循环，利用离心泵（砂石泵）的抽吸作用，井孔内的冲洗液自上向下流动，经过井底与被切削扰动的岩屑一起进入钻杆，再经吸水软管进入离心泵而排人沉淀池．沉淀后的冲洗液再流回井孔，形成循环。离心泵的抽吸效率，在孔深50 m以内效率较高，随着孔深的增加其效率逐渐降低。②喷射反循环，利用水泵或空气压缩机所产生的高压流，经装在喷射腔内的喷嘴将水或空气高速喷射出去，在喷嘴外部形成负压区，其负压可达0 .08-0.09 MPa，此负压区可使钻杆内的冲洗液流动，并排出孔外，以此造成冲洗液不断循环。喷射反循环的功率损失较大、利用率低，并随着孔深的加深效率迅速下降，一般在50 m以内孔段使用，在深孑L常和气举反循环钻进法配合使用。③气举反循环（压气反循环），利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后形成低比重的混合物，以高速向上流动，从而将孔底岩屑带出孔外。其效率主要取决于压缩空气的压力和排量，以及输气管沉没在水中的深度和混合室的结构等。
 
  此法不能用于10 m以内的孔段。在孔深50m以内效率低于泵吸反循环和喷射反循环，但随着钻孔的加深，其效率逐渐提高。这种方法常与泵吸反循环或喷射反循环配合使用，I以便充分发挥各自的特点，取得更加经济合理的效果。
 
  (3)冲击回转钻进法：分为液动冲击回转钻进法和气动冲击回转钻进法（即潜孔锤钻进法）。常用的潜孔锤钻进法是以转盘或动力头驱动钻杆和潜孔锤回转，并以高压大风量的压缩空气驱动潜孔锤的活塞，以高频率冲击钻头破碎岩石，通过钻头排出的压缩空气将岩屑带出孔外。其效率约为空气冲洗牙轮钻头回转钻进效率的数倍，钻进坚硬岩层效果更为显著。这种钻进方法是以压缩空气为冲洗介质，因受空气压缩机压力限制，在水位高、富水性强的岩层中使用，其钻进深度不能很大。
 
  (六）钻探编录和成果。
 
  钻探过程中要保证采取土样、岩样的质量。试验用土样的取样质量、岩心采取率、土的分类、定名以及土样和岩样（岩心）的描述均需按一定要求进行。并对水位、水温、冲洗液消耗量、漏水位置、自流水的水头和自流量、孔壁坍塌、涌砂和气体逸出情况，岩层变换深度、含水层构造和溶洞的起止深度等进行观测和记录，钻探结束后，应对所揭露的地层进行准确分层。水文地质钻探应提交达到设计要求的钻孔，按一定要求采取岩土样、水样，字迹清晰的钻探编录，以及钻孔综合地质柱状图等成果。