鄭州沿黃水源地不同鉆井工藝試驗(yàn)研究

張立新，陳 瑩

(1.河南省水利廳，河南鄭州450003;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074;3.河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450053)

鄭州沿黃水源地不同鉆井工藝試驗(yàn)研究

張立新1，陳 瑩2，3

(1.河南省水利廳，河南鄭州450003;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北武漢430074;3.河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450053)

以生產(chǎn)科研相結(jié)合的方式，在鄭州沿黃地下水源地地區(qū)使用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝施工水井8眼，泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝施工水井11眼，通過這2種水井鉆進(jìn)工藝的效率和經(jīng)濟(jì)性分析，得出鄭州沿黃地下水源地地區(qū)使用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝的最佳成井深度為140.75 m以淺，正循環(huán)鉆進(jìn)施工工藝最佳成井深度為140.75 m以深的結(jié)論，以此為今后類似地區(qū)水井施工鉆進(jìn)工藝選擇提供參照依據(jù)。

沿黃地下水源地;水井;鉆井工藝;正循環(huán);泵吸反循環(huán)

鄭州沿黃水源地是鄭州主要的傍河取水地下水源地，經(jīng)過近年來勘探和地下水資源調(diào)查工作，鄭州沿黃地下水源地淺層地下水允許開采量為26.00× 104m3d，是鄭州市城市供水的重要地下水源地之一。鉆井是地下水源地取水的唯一途徑，鉆井技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著水井建設(shè)成本、周期，水井運(yùn)行質(zhì)量、水質(zhì)等因素。本文通過生產(chǎn)科研相結(jié)合的形式，結(jié)合市場(chǎng)鉆井項(xiàng)目，對(duì)鄭州沿黃地區(qū)正循環(huán)、反循環(huán)鉆井工藝的試驗(yàn)研究，總結(jié)出了鄭州沿黃地區(qū)適用的鉆井工藝。

1 地層及水文地質(zhì)條件

鄭州沿黃地區(qū)80～350 m深度內(nèi)，含水砂層7～10層，北部累計(jì)厚度68.5～103 m，南部累計(jì)厚度60～66 m，巖性為中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)和部分上第三系沖湖積細(xì)砂、中細(xì)砂、粉細(xì)砂、中砂和少量中粗砂。這些砂層一般較為密實(shí)，局部呈半膠結(jié)狀，東西方向分布較穩(wěn)定，北部及東部顆粒較粗，厚度較大，富水性較差。

中深層含水層與淺層含水層之間，一般有20～50 m厚的粉質(zhì)粘土、粘土和粉土相隔，二者之間水位差4～8 m，大型抽水試驗(yàn)期間，抽淺水層而附近中深井水位不變化，中深層承壓水和淺層微承壓水水力聯(lián)系不密切。

北部的花園口—黃莊—萬灘一帶，東部的姚橋—?jiǎng)⒓粠В?5 m降深的單井涌水量2000～3000 m3d，局部可達(dá)4000 m3d;柳林—新莊一帶及劉集以南，15 m降深單井涌水量為1000～2000 m3d，富水性稍差。

2 鉆井工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 鉆井工藝選擇

鄭州沿黃地區(qū)地層主要以細(xì)砂層為主，鉆進(jìn)工藝以回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)最為適合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法以泥漿循環(huán)方式不同分為正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)，反循環(huán)鉆進(jìn)又根據(jù)循環(huán)介質(zhì)的不同分為氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)(空氣循環(huán)介質(zhì))和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)(液體循環(huán)介質(zhì))。鄭州沿黃地區(qū)地層以軟的砂層為主，不適宜以空氣作為循環(huán)介質(zhì)。因此，本文選擇正循環(huán)鉆進(jìn)和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)2種不同鉆井工藝，研究其對(duì)鄭州沿黃地下水源地鉆井中的成井效率、成井質(zhì)量的影響。

正循環(huán)鉆進(jìn)和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)(如圖1)在鉆進(jìn)成孔工藝上是相同的，都是通過泥漿或清水來保護(hù)鉆孔壁、冷卻鉆頭和攜帶巖屑。正循環(huán)鉆進(jìn)是指泥漿或清水由泥漿泵經(jīng)高壓管線抽到鉆桿中，通過鉆桿不斷的將其輸送至孔底，然后攜帶巖屑的泥漿從鉆桿與井壁的環(huán)隙返回至地上。泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)則是泥漿或清水自泥漿池由泥漿槽自然流入孔內(nèi)，鉆機(jī)配置離心泵將孔內(nèi)泥漿(清水與巖屑顆粒混合物)經(jīng)鉆頭通過鉆桿、高壓管、離心泵、排水管排至泥漿池。

圖1 正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)原理示意圖

正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)由于泥漿循環(huán)方式不同而各具優(yōu)缺點(diǎn)。正循環(huán)鉆進(jìn)對(duì)設(shè)備要求不高，施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單;反循環(huán)鉆進(jìn)具有較強(qiáng)的循環(huán)能力和排渣能力，且能排出顆粒較大的鉆屑，鉆進(jìn)成孔質(zhì)量較好，但對(duì)泥漿泵的抽吸能力要求較高。

2.2 水井參數(shù)設(shè)計(jì)

由于水源井為鄭州市城市供水系統(tǒng)使用，為滿足日益增長(zhǎng)的城市供水需求，對(duì)本項(xiàng)目中各水源井的水量要求較高。水源井水量大小與水源井管徑、井管過濾器孔隙率、井壁進(jìn)水能力、管井出水能力等因素有關(guān)。但井管過濾器孔隙率、井壁進(jìn)水能力、一般在管材選定后為不可改變因素，而管井出水能力則與地層和管井結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。因此，本項(xiàng)目本著設(shè)計(jì)方可控因素角度出發(fā)，在水源井管徑設(shè)計(jì)上僅從其對(duì)水量的影響上進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。

一般來講井管管徑對(duì)水源井出水量有直接影響，在水源井管徑初始增加階段，水源井管徑與水源井出水量成正比，但隨著水源井管徑增加到一定程度后，水源井管徑的增加對(duì)水源井的出水量影響甚微。水井參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

表1 水井參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)鄭州沿黃地下水源地地層條件，本項(xiàng)目中選擇正循環(huán)鉆進(jìn)和泵吸反循環(huán)2種鉆進(jìn)工藝進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)鄭州沿黃地區(qū)最佳鉆井工藝。由于本項(xiàng)目為生產(chǎn)科研相結(jié)合方式進(jìn)行，在試驗(yàn)方案選擇過程中以實(shí)際生產(chǎn)需求為主，由于泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)設(shè)備能力限制，泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝只在100 m水井中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表2。

表2 鄭州沿黃地下水源地鉆井技術(shù)研究試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)過程中，不同鉆井工藝及最終成井深度、成井時(shí)間見表3。

表3 鄭州沿黃地下水源地鉆井技術(shù)研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可以看出，鄭州沿黃地下水源地地區(qū)水源井鉆進(jìn)過程中，100 m左右的淺井采用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝比正循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)效率提高了3～4倍。由于現(xiàn)階段泥漿泵能力問題，本項(xiàng)目中300 m深度左右的水源井只能夠采用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工。通過對(duì)100 m水井正循環(huán)鉆進(jìn)效率和反循環(huán)鉆進(jìn)效率數(shù)據(jù)分析和整理，采用線性回歸的方法，分別得出了100 m水井正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)效率的關(guān)系式。

由圖2和圖3中線性回歸趨勢(shì)線方程可知，淺井正循環(huán)鉆進(jìn)和反循環(huán)鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)效率的關(guān)系式分別為(1)式和(2)式。

圖2 正循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)深度與綜合成井效率趨勢(shì)圖

圖3 泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)深度與綜合成井效率趨勢(shì)圖

將(1)式、(2)式聯(lián)立，得x=140.75 m，y= 0.4028 m/h。即當(dāng)鉆進(jìn)深度在140.75 m時(shí)，在鄭州沿黃地下水源地地區(qū)采用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝和反循環(huán)鉆進(jìn)工藝其鉆進(jìn)效率相等，當(dāng)鉆進(jìn)深度＜140.75 m時(shí)，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工效率要高于正循環(huán)鉆進(jìn)工藝，當(dāng)鉆進(jìn)深度＞140.75 m時(shí)，反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工效率要低于正循環(huán)鉆進(jìn)工藝。

3 成井質(zhì)量分析

正循環(huán)鉆進(jìn)過程中，由于大量使用了鉆井泥漿，在成井后需要洗井，100 m井深水井一般成井周期在15天左右，泥漿在鉆進(jìn)過程中在保護(hù)孔壁的同時(shí)也堵塞了含水層，成井后洗井工序時(shí)間一般在1～2天左右才能使水井出水做到水清砂凈，其中個(gè)別水井由于泥漿對(duì)含水層堵塞過為嚴(yán)重，還采用了活塞洗井方法。

泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)過程中，不使用鉆井泥漿，不存在泥漿在井壁形成的泥皮堵塞含水層的情況，成井后無需洗井工序，節(jié)約了成井周期，水井出水量有保障。

正循環(huán)鉆進(jìn)與泵吸反循環(huán)鉆井工藝成井水量對(duì)比見表4。

表4 沿黃地區(qū)不同鉆進(jìn)工藝成井效果對(duì)比(100 m左右井深水井)

4 經(jīng)濟(jì)性分析

實(shí)施過程中100 m左右水井使用了正循環(huán)鉆進(jìn)和泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)2種工藝，這2種不同鉆進(jìn)工藝的成井經(jīng)濟(jì)性分析見表5。

表5 鄭州沿黃地區(qū)100 m水井不同鉆進(jìn)工藝經(jīng)濟(jì)性分析 /元

由表5可以看出，在井深適用的情況下，采用反循環(huán)工藝可節(jié)約直接施工成本78%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)本文對(duì)鄭州沿黃地下水源地地區(qū)不同鉆井工藝成井周期及其經(jīng)濟(jì)性的分析，得出以下主要結(jié)論和建議:

(1)鄭州沿黃地下水源地地區(qū)，當(dāng)鉆進(jìn)深度在140.75 m以淺時(shí)，宜使用反循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆井施工，當(dāng)鉆進(jìn)深度＞140.75 m時(shí)，宜使用正循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆井施工。

(2)在水井深度＜140.75 m時(shí)，采用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，施工周期短，經(jīng)濟(jì)效果明顯，推薦使用此工藝。

(3)建議進(jìn)一步對(duì)鄭州沿黃地下水源地地區(qū)鉆井工藝進(jìn)行施工成本、鉆進(jìn)中各工序的效率等因素的研究，以便得出更優(yōu)化的該地區(qū)鉆井施工方式，在保證成井質(zhì)量的前提下，最大限度降低該地區(qū)水井施工成本和成井周期。

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Experimental Study on Different Well Drilling Technologies in Groundwater Resource along the Yellow River in Zhengzhou

ZHANG Li-xin1，CHEN Ying2，3(1.Department of Water Resources of Henan Province，Zhengzhou Henan 450003，China;2.China University of Geosciences，Wuhan Hubei 430074，China;3.Henan Engineering Research Center of Depth Exploration，Zhengzhou Henan 450053，China)

Combining the production and scientific research，8 water wells were constructed with normal circulation drilling method and 11 water wells were constructed with pump suction reverse circulation drilling method in groundwater resource region along the Yellow River in Zhengzhou.By the analysis on the efficiency and economy of these 2 different drilling technologies，the conclusions were got:in groundwater resource region along the Yellow River in Zhengzhou，the best well depth should be smaller and larger than 140.75m respectively with pump suction reverse circulation drilling method and with normal reverse circulation drilling method each.The conclusions can be the reference for water well construction in the similar area.

groundwater resource along the Yellow River;water well;drilling technology;normal circulation;pump suction reverse circulation

P634.5

A

1672－7428(2012)08－0029－03

2012－07－03

張立新(1965－)，男(漢族)，河南鞏義人，河南省水利廳農(nóng)田水利水土保持技術(shù)推廣站總工程師、高級(jí)工程師，水利及水文地質(zhì)專業(yè)，從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理及鉆井工作，河南省鄭州市金水區(qū)緯五路11號(hào)，hnslzlx@hnsl.gov.cn;陳瑩(1981－)，女(漢族)，河北唐山人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)博士在讀，河南省深部探礦工程技術(shù)研究中心工程師，地質(zhì)工程專業(yè)，從事深部鉆探、地下水和地?zé)豳Y源勘查開發(fā)工作，河南省鄭州市南陽路56號(hào)地礦大廈。