安庆市规划区综合地质钻探成井施工工艺

汪程林

（安徽省地质矿产勘查局326地质队，安徽安庆 246003）

0 引言

地质工作是城市规划、建设和运行管理的重要基础和先行性工作。做好城市地质工作，对统筹城市地上地下建设、优化城市结构布局、拓展城市发展空间、推进绿色低碳城市建设、提高城市安全保障水平、解决大城市病等具有重要意义。当前，我国按照“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，大力推进新型城镇化和生态文明建设，城市地质调查工作需要适应新的要求，针对“空间、资源、环境、灾害”多要素开展调查，服务城市规划、建设和运行管理全过程，支撑城市集约、智能、绿色、低碳和安全发展。

安庆市多要素城市地质调查为基金项目，区域水文地质钻探目的，是了解该地区地下水动态分布及变化规律，为后期优化配置、科学管理地下水资源、防治地质灾害、保护生态环境提供优质服务，为水资源可持续利用和国家重大战略决策提供基础支撑，实现经济社会的可持续发展。

1 区域地质概况

1.1 地形地貌

1.1.1 地形

项目所在区域属长江冲积平原及江北低山丘陵区。区内地势中部为山峦起伏的低山丘陵区，两侧为大面积平坦舒缓的河湖平原区，其中东南部地势较低，主要为沿江冲积平原区，整体形成中间高两侧低的地貌景观。

1.1.2 地貌

项目所在区域整体位于沿江丘陵平原区，具体分别位于江北丘陵和波状平原亚区、沿江平原亚区。

1.2 第四纪地层划分

根据收集的资料，项目所在区域，露头（地表）区受后期侵蚀破坏，分布零散，成因多，类型杂。本次水文地质钻探主要针对第四纪砂、砾、卵松散含水地层进行抽水试验钻探，钻探所在区域第四纪地层划分为4个组，见表1。

表1 钻探所在区域第四纪地层划分表Table 1. Quaternary stratigraphic division of the drilling area

1.3 第四系基本岩性

主要岩性为褐灰色中细砂及粉砂、粉质黏土组合。在湖区边缘为青灰色夹少量细砂沉积的淤泥质粉土、黄褐色粉土、粉质黏土组合；在丘陵区长江两岸及其支流，岩性为褐灰色砾石层、砂及粉土组合，砾石主要为石英岩、石英砂岩、燧石、脉石英等，次棱角状和次圆状，砾径0.5～10cm。

1.4 地下水类型

根据地下水含水介质的不同，区内地下水可分为松散岩类孔隙水、红层孔隙裂隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水及基岩裂隙水。

2 水文水井钻探主要技术要求

2.1 水文水井取心孔径

水文水井地质取心孔径不小于110mm。

2.2 水文钻孔孔径

根据水文地质钻孔有选择地确定目标抽水含水层，并进行扩孔，孔径Φ400mm，成井井径不小于Φ 219mm，泵室段直径应比抽水设备外径大50mm。

2.3 水文地质成井质量

井管采用外径不小于Φ219mm的钢管，井管对接时，采用专用梯形丝扣的平按箍连接。滤水管采用缠紫铜丝的不锈钢桥式滤水管，沉淀管材质与滤水管相同。

围填材料采用天然石英砂，根据地层砂颗分结果，选择同级配的石英砂，止水采用Φ30mm左右的优质膨润土黏土球。

2.4 抽水试验

本次水文地质孔进行单井稳定流抽水试验，条件允许时应进行带观测孔的非稳定流抽水试验。

3 设备选择

主要依据设计工作量及井孔设计孔深。在钻探设备能力有余的前提下，地质鉴别取心孔选用履带式GXY-1型液压取心钻机、BW-160泥浆泵，进行取心钻探、试验等工作，待达到设计目的层后，再采用JPS-300型水文磨盘钻机、BW-850 泥浆泵及配套设备进行钻探。两种机型特点是：GXY-1型工程小钻机液压取心钻探，取心速度快，但扭矩力小，一次性大口径成井，易断钻杆，设备能力也达不到，须分级扩孔才能达到设计成井口径，分级扩孔时效低；JPS-300型水文磨盘钻机工作特点是：扭矩力大，钻进是靠钻杆自重进行钻进，钻孔垂直度好，取心慢，但可一次性采用Φ400mm口径金刚石牙轮钻头扩孔到设计孔深，时效高。

4 钻遇岩性

该试验场地主要钻遇岩性自上而下依次为：粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、粗砂、卵石土、含砾细砂、含砾粉砂岩。

含水层岩性基本以细砂、粗砂、卵石层为主，浅中层含水层顶底板在25.00～50.00m 之间，厚度25.00m左右，成井深度基本在55.00m。

5 钻探施工

5.1 水文地质钻探施工方法

本次水文水井地质取心钻探设备选用履带式GXY-1 型工程钻机，此机型具灵活、搬运方便等优势。钻孔为一级孔径，即：Φ110mm单套钻具开孔，全孔取心，第四纪地层采用无泵干采获取岩心，岩心出管用水泵水头压力憋出岩心；基岩采用投卡料方式获取岩心，卸钻头、敲击出岩心。待Φ110mm 钻具钻至目的层及设计孔深，再换JPS-300型水文磨盘钻机进行一次性Φ400mm口径扩孔成井。

5.2 井斜保障措施

为确保孔斜率，钻机设备及钻塔底座安装必须建在坚实、平整、牢固地基上；钻塔天车、钻机导管、孔口必须三点合一为垂直线。

5.3 钻进三参数

5.3.1 钻孔钻进三参数

5.3.1.1 钻压

确保孔斜，合适地层及时调整孔底压力。第四纪地层：钻压选择范围1～2kN；基岩：钻压选择范围5～8kN。

5.3.1.2 转速

确保岩心采取率，保证钻具的稳定性。第四纪地层：转速选择范围151～273r/min；基岩：转速选择范围151～303r/min。

5.3.1.3 泵量

选择BW/250 型。第四纪地层：53～90L/min；基岩：90L/min。钻进三参数见表2。

表2 Φ110mm钻具钻进三参数Table 2. Three drilling parameters of Φ110 mm drilling rig

5.3.2 扩孔钻进参数

直接采用Φ400mm 口径金刚石牙轮钻头全面钻进方法扩孔至设计孔深。为确保孔斜，特制加工了口径Φ350mm扶正环接箍，接在扩孔钻头后面各钻杆连接处，在Φ400mm扩孔钻头扩孔时不易摆动。钻进三参数见表3。

表3 Φ400mm扩孔钻具钻进三参数Table 3. Three drilling parameters of Φ400 mm drilling rig

5.4 冲洗液

本次钻进，采用低固相泥浆钻进。泥浆配比：水+25%～50%膨润土+4‰～6‰纯碱；性能参数：密度1.10～1.30g/cm3，黏度30～40s，失水量20～40mL/30min，泥饼厚度1.5～3mm，含砂量＜1%，pH值8.5～10。

5.5 水文地质钻探成井施工工艺

依据GXY-1 型工程钻机取心分层结果，确定含水层位置，制定成井方案。现场配好滤水管、沉淀管、井管，选定滤料颗粒大小，以及黏土球、黏土块。再换用JPS-300 型水文磨盘钻机直接一次性进行口径Φ 400mm扩孔至设计井深。

5.5.1 扩孔

是直接采用Φ400mm 口径金刚石牙轮钻头全面钻进方法扩孔至设计孔深。为确保孔斜，特制加工口径Φ350mm 扶正环接箍（图1），接在扩孔钻头后面各钻杆连接处，确保Φ400mm扩孔钻头在扩孔钻进时不易摆动。

图1 Φ350mm扶正接箍Figure 1. Φ350mm centering coupling

5.5.2 成井

5.5.2.1 下井管

当口径Φ400mm的扩孔钻头扩孔至设计孔深后，准备下井管。首先进行探孔至扩孔孔深，再进行调浆清孔，并逐渐降低泥浆比重，同时及时除砂降低含砂量，检查泥浆质量后，用大泵量冲孔，清除孔内沉渣。同时做好下井管前的准备工作，成井管应按设计好的深度和顺序摆放有序，进行两次丈量，并校对和记录。

(1)井管采用外径为Φ219mm无缝钢管，井管对接时，采用焊接法连结，沉淀管下部为圆锥型（图2），便于导向并留有小孔，井管在下入井内时，井管内与井管外环间隙同时过水，保持井管内外压力平衡，不易压垮孔壁。花管为桥式滤水管，滤水管的井管接口处，按120°三点一个面分布，焊接3 个有弧度的钢板支架做导正扶手（图3），使之滤水管在孔内处于正中。3 个钢板支架环状外直径接近Φ350mm，这样滤水井管在孔内处于正中心位置，便于投放砾料均匀分布在滤水管四周，不至于架桥。粉砂、细砂、中砂、砾砂外围滤水管外包80 目滤网，卵石层外围滤水管包60 目滤网，用14 号细铁丝每隔10cm 包困扎牢，确保下管深度和滤水管安装位置准确无误。下管方法为一次下管法。

图2 圆锥形沉淀管Figure 2. Conical settling pipe

(2)下入的滤水管长度不小于含水层厚度。

(3)沉淀管材质与井径同Φ219mm井管，长度一般为2～4m。

5.5.2.2 填砾

围填材料采用天然石英砂，滤料采用5～15mm优质石英砂，返水投料，高度一般高出含水层顶面1～5m，但不得高于上部隔水层顶面。填砾量参照下面预算计算公式：

图3 导正扶手Figure 3. Centering handrails

图4 活塞洗井Figure 4. Piston well-washing

式中：V—需要填砾量（m3）

D—钻孔直径（m）

d—井管直径（m）

L—填砾段长度（m）

K—超径系数（一般取1.2～1.5）

填砾操作步骤如下：

（1）当井管下入预计孔深后，进行填砾。砾料规格：填砾粒径必须按目标含水层的颗粒粗细及不均匀系数确定，并根据含水层的类别和不均匀系数来确定砾料的不均匀系数和砾径。根据取心及测井资料判明主要含水层砂的颗分结果，选择同级配的石英砂，作为填砾材料，砾料质地坚硬、密度大、浑圆度好，并用清水冲洗，去除泥质杂质。

（2）投砾前按规格并计算好方量以便使用，待井内泥浆稀释后比重接近1.05g/cm3时关小泵量，将填砾缓缓填入，并随填随测填砾顶面的高度，不得超出预定设计高度。

（3）填砾时，由两人分别从两个方向向井管四周均匀填入。

（4）填砾高度应自滤水管底端处至滤水管顶端以上3～5m 处(随着抽水的进行，滤料会下沉密实)充填砾料，并严格按《水文水井地质钻探规程》（DZ/T0148-2014）要求进行填砾。

5.5.2.3 止水

采用Φ20～30mm的优质黏土球，围填高度为5～35m。止水合格后，止水层上部采用黏土块围填至地面封孔。

止水操作步骤：

（1）购买优质钙基膨润土做成的黏土球，大小30mm左右，做止水材料，为防止上部土层中的水沿砾料进入抽水井内，在抽水井填砾顶部填5.00m厚的优质黏土球。

（2）充填黏土球时要速度均匀、缓慢，按经验5L/m左右的速度填入，以确保下沉速度而不造成黏土球浆化或漂浮。

（3）在止水层位的上部再充填普通膨润土至井口，以起到止水及固定和保护井壁管的作用。

（4）填入砾料和止水材料后，用管内外水位差法检测止水效果。经检验效果良好后，即可进入下部洗井工作。

5.5.2.4 洗井技术

此次水文地质孔成井结束后，均采用活塞（图4）、潜水泵联合洗井，先自上而下提拉活塞和冲水头，后采用潜水泵抽水洗井，直至水清砂净、水路畅通。活塞洗井操作步骤如下：

（1）活塞直径应根据井管内壁平整情况选定。在内壁粗糙的管中，活塞直径一般小于井管内径10～20mm；在内壁较光滑的管中，活塞直径一般小于井管内径20～30mm。

（2）活塞下降速度要适当，提升速度一般在0.6～1.2m/s 之间。在升降到浮力塞位置时，不得硬拉、猛蹬。

（3）采用自上而下逐段洗井。洗井时间视具体情况掌握，一般当水中含砂量不多时，即可停止。

（4）经常注意对比沉砂量、水位、出水量的变化情况。粗颗粒地层可多拉、猛拉，反之则少拉、慢拉，直至洗井效果达到水清砂净。

（5）水文地质试验孔均应进行洗孔与试抽对比。采用活塞和水泵联合震荡洗井。活塞的提拉，一般自上而下进行，每段提拉时间根据含水层岩性与水文地质条件而定，一般不小于0.5h。洗孔和试抽对比，即洗孔试抽两次，每次试抽时间应不少于2h，在同一降深时，前后两次单位出水量变化不超过10%；且在试抽结束时，用含砂量计测定泥浆沉淀物≤0.1‰，即可认为洗孔合格，否则，应重新洗孔和捞砂。

6 抽水试验

本次水文地质孔都进行单井稳定流抽水试验。

6.1 抽水试验

单孔稳定流抽水试验进行1～3 次降深稳定流抽水试验，结合工作区经验和试抽结果，当单井同时出现较小涌水量和较大降深时，一般进行1个最大降深的抽水试验。本次抽水试验均采用由小到大正向抽水试验。

6.2 开泵观测

观测要求为开泵后第0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120分钟各观测一次动水位，以后每30分钟观测一次。

6.3 恢复水位观测

落程结束后观测恢复水位，观测时间为0.25、0.5、0.75、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120 分钟各观测一次，以后每隔30 分钟观测一次。

6.4 抽水试验观测和记录内容

（1）包括试验前的静水位观测、抽水过程中的动水位、水量、水温、气温等以及停抽后的恢复水位观测和记录，并保证原始记录齐全、整洁。对整个观测期间所出现的可能引起水位波动的因素都需要记录，如设备、动力等情况。

（2）抽水试验过程中和结束后，在现场进行降深与单位涌水量曲线的绘制，判别降深试验是否正确，若不符合要求应及时查找原因，并重新进行抽水试验。

6.5 抽水试验公式选择

本项目所有钻孔均为承压含水层水。

抽水试验概念模型属于承压含水层完整井稳定流。选择以下公式：

式中：K—含水层渗透系数（m/d）；

Q—抽水井流量（m3/d）；

Sw—抽水井中水位降深（m）；

M—承压含水层厚度（m）；

R—影响半径（m）；

r—抽水井半径（m）

6.6 抽水试验成果

通过本次钻探，开展地质鉴别、抽水试验,进一步了解了该区地下水埋藏深度，岩性、厚度，水文地质参数和水位、水温、水质现状，真实地反映了所在地区地下水位分布现状，并获取了含水层渗透系数。

6.7 井口装置

水文地质钻孔用专用带锁的孔口盖封好，并能随时打开测量水位。井口装置见图5。

图5 井管保护装置Figure 5. Well pipe protection device

7 试验成果

通过本次抽水试验、水质测试等水文地质条件勘查工作，进一步掌握了该地区所在区域含水层埋藏深度、岩性、厚度，水文地质参数和水位、水温、水质现状。通过抽水试验结果，初步了解该区域第四纪地层单井最小涌水量52.704m3/d，最大涌水量2042.50m3/d，同时获取了该地区含水层渗透系数和影响半径等，各井孔抽水试验成果记录见表4。

8 结语

表4 各井孔抽水试验成果记录统计表Table 4. Statistics of pumping test results of each well

（1）本次水文地质钻探，进行了水文地质编录和测井，以确定地层岩性及厚度，划分含水层，采取了相关样品；水文地质孔钻至目标层位后并成井，进行抽水试验，获取含水层水文地质参数和富水性等。

（2）此次综合地质钻探施工，主要钻遇地层为第四系，岩性多为砂层、砾、卵石层为主。目前第四系取心钻探多为正循环取心钻进，获取第四系松散砂层、砾、卵石层采取率基本偏低。

（3）本次第四系综合地质钻探，砂层、砾、卵石层的采取率是凭借着钻探施工人员几十年的钻探实践经验，来完成合同技术要求。正循环取心钻探针对松散第四系，采取率确实难以保证，正循环取心钻探针对松散地层取心，目前只有单一的一种方法：是少打多提来解决采取率偏低问题，频繁提钻，台效低。反循环双动双套取心钻具，取心率高，但台效太低，这是我们这次施工遇到的最大难题，也是钻探技术人员有待解决的问题。为提高岩心采取率质量，保证第四系分层的准确性，宜采用正循环和反循环钻具交替使用，以提高施工质量。