地下水監測井鉆探施工技術

王 剛， 王 爍， 趙建糧， 李衛華

(1.河南省地礦局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053； 2.河北地質大學，河北 石家莊 050031)

0 引言

隨著經濟和社會的快速發展，人類活動對地質環境的影響日趨嚴重，地下水的過量開采和水質污染等問題日漸突出，嚴重制約了經濟社會的發展。為科學、合理開發利用地下水資源，需要對地下水進行監測，多數發達國家在20世紀末已建成了完善的地下水監測網。我國地下水的監測工作起步相對較晚，2014年7月，國家發展和改革委員會批準了水利部和國土資源部聯合報送的《國家地下水監測工程項目建議書》，開始實施國家級地下水監測工程。2015年河南省范圍內國家級地下水監測工程國土部分、水利部分先后開始實施，2017年完成。2016年河南省級地下水監測工程開始實施，2018年完成。已實施的國家與省級地下水監測工程基本分布在黃淮平原、洛陽盆地、南陽盆地及靈三盆地，主要監測孔隙地下水、其次為基巖裂隙水和巖溶水。河南省范圍內已經實施的地下水監測工程概況詳見表1。利用監測井觀測地下水動態要素是國內實施地下水監測的主要手段，鉆探成孔則是監測井施工的重中之重，決定成井質量，直接影響后期監測效果。本文總結了國家級地下水監測工程及省級地下水監測工程實施中監測井鉆探施工的一些經驗和體會，為今后類似工程施工提供參考。

表1 河南省范圍內地下水監測工程統計Table 1 Summary of groundwater monitoring projects in Henan

1 監測的目的任務

地下水監測是在一個地區選擇有代表性的泉、井、孔等，按照一定的時間間隔和技術要求對地下水的水質、水溫、水量等動態要素進行觀測、記錄和資料整理的工作[1]。近些年，實施地下水監測的部門主要是國土資源部門和水利部門。國土資源部門開展地下水監測是地質環境監測[2]的一項重要工作，監測重點是地下水的水位、水溫的動態變化及發展趨勢等，目的是為地面沉降防治[3]、地熱、淺層地溫能利用等提供基礎數據，為防治地面沉降災害[4]、保護地質環境等政府決策提供依據。水利部門開展地下水監測是水資源統一管理的一項基礎性工作，主要為地下水資源的評價、配置、節約、保護和抗旱決策提供依據。

2 監測井的分類

監測井根據區域水文地質條件進行井身結構設計，能夠客觀、準確、真實地反應出地下水諸要素的動態情況，具有區域代表性。根據含水層的介質類型，監測井可以分為松散層地下水監測井和基巖地下水監測井。松散層監測井包括卵石層地下水監測井。根據監測含水層的數量可分為單層監測井和多層監測井。目前，國家級地下水監測工程監測井多數是單井對應特定的含水層進行監測，少數為一孔監測多層地下水。無論哪種類型的監測井都必須能夠客觀、準確地反映所監測含水層地下水的特征及變化，能夠及時獲得所需要的地下水參數。

3 鉆探工藝

鉆探施工是監測井成孔的技術關鍵，是最基礎的施工工序，其施工質量直接影響監測井的成井質量和監測效果。不同的監測井所采用的鉆探工藝也不同，需要根據監測井類型、地質條件確定科學、合理、適用的鉆探工藝。

3.1 松散層鉆探施工

3.1.1 泵吸反循環鉆進

深度100 m以淺的松散層監測井，井徑400 mm，管材為PVC-U塑料管[5]，管徑200 mm，?200 mm割縫式濾水管。地層以第四系粉土、粉細砂和粉質粘土為主的監測井，一般采用泵吸反循環施工工藝。鉆探設備選取GF-200型鉆機或ZJ-80型鉆機，鉆具組合為?400 mm刮刀鉆頭+?168 mm鉆桿，一徑成孔。鉆進參數：開孔減壓鉆進，正常鉆進時鉆壓不超過鉆具總重的80%。清水鉆進，鉆進時轉速控制在50～75 r/min，泵量根據地層、口徑等確定。泵壓根據鉆孔間隙、孔深等確定，并監控水泵的運行情況，密切注意孔內殘余巖屑和沉渣量，防止卡鉆和埋鉆。

這種鉆探工藝的優點是：清水鉆進，成井效率高，鉆進速度可以達到10 m/h。鉆孔孔壁很少有泥皮，便于洗井。缺點是鉆探深度有限，一般不超過150 m，且不適用于土質硬的地層。

3.1.2 正循環回轉鉆進

井深100～350 m的松散層孔隙水監測井，井徑450 mm，井管為無縫鋼管，管徑159～273 mm，同徑橋式濾水管。地層為第四系粉土、粉細砂和粉質粘土為主的監測井，一般采用泥漿護壁正循環回轉鉆進工藝。設備選取SPJ-300型水源鉆機或紅星-300型鉆機，鉆具組合為：?311 mm三牙輪鉆頭+?114 mm鉆鋌+?89 mm鉆桿。初次成孔直徑311 mm，鉆進到底后擴孔，采用?444.5 mm三牙輪鉆頭擴孔。鉆進參數：開孔減壓鉆進，正常鉆進時鉆壓不超過鉆具總重的80%。鉆進時轉速控制在50～75 r/min。泥漿粘度一般小于30 s，密度1.2 g/cm3，失水量<10 mL/30 min，含砂量<4%。泵量根據地層、口徑、泥漿粘度等確定。

這種鉆探工藝的優點是：鉆孔垂直度好，對地層適應性強。缺點是：鉆進速度不快，一般情況下0.5～1 m/h。

3.1.3 沖擊鉆進

井深50～100 m的卵石層監測井，成孔直徑450 mm，管材為PVC-U塑料管，管徑200 mm，?200 mm割縫式濾水管。場地地層以砂層、砂卵石、碎石等為主的監測井，軟硬不均勻，易坍塌，可采用沖擊鉆進成孔方式，高粘度泥漿護壁，利用撈渣筒撈渣。設備選用GZ-2000型沖擊鉆機和配套撈渣筒，鉆進參數一般為：沖擊錘頭直徑450 mm，錘重0.5～1.2 t，沖擊高度500～1000 mm，沖擊頻率40～45次/min，回次進尺0.2～0.4 m。

這種鉆探工藝解決了其他鉆探工藝在軟硬不均勻卵石層鉆進困難的問題，適用于卵石層、砂礫石層、含泥質卵石層等地層的鉆進，而且施工設備和工藝簡單。沖擊鉆進的深度受限制，一般不超過100 m，而且鉆進效率不高，一般情況下鉆進速度0.5～0.8 m/h。為防止孔壁坍塌，鉆進過程中需要高粘度泥漿護壁，成孔后孔壁有較厚的泥皮，下管前需要破除泥皮，否則成井后水躍值較大。

3.2 基巖鉆探施工

3.2.1 空氣潛孔錘鉆進

井深50～200 m的基巖裂隙水監測井，成孔直徑273 mm。完整基巖段不下管，局部井壁巖體破碎、易掉塊時下保護管，管材為無縫鋼管，管徑245 mm，同徑橋式濾水管。地層為泥層、砂巖、白云巖和灰巖等堅硬基巖的監測井，可采用空氣潛孔錘鉆進工藝[6]，設備選用MD400B型履帶式多功能潛孔水井鉆機，鉆具組合為：?273 mm潛孔錘+?89 mm鉆桿，一徑成孔，破碎帶跟管鉆進。鉆進參數為：鉆孔壓力8～15 kN，送風量20～30 m3/min，轉速20～40 r/min；跟管鉆進參數為：鉆孔壓力5～15 kN，送風量20～30 m3/min，轉速10～30 r/min。

這種鉆探工藝的優點是：針對堅硬的地層鉆進速度快，可以達到30 m/h，而且解決了泥漿護壁回轉鉆進時漏漿的問題。缺點是：施工成本高，當地層破碎或軟硬相間時鉆進效率不高[7]，且鉆孔圓度和垂直度控制效果不好。

3.2.2 回轉鉆進

井深200～350 m的基巖裂隙水或巖溶水監測井，成孔直徑273 mm。井管(破碎地層下管)為無縫鋼管，管徑245 mm，同徑橋式濾水管。地層為泥層、砂巖、白云巖和灰巖等基巖，質地堅硬，采用泥漿護壁回轉鉆進施工工藝。設備選用SPJ-400型水源鉆機或紅星-400型水源鉆機配套BW-280/30型泥漿泵，鉆具組合為：?273 mm鑲齒牙輪鉆頭+?159 mm鉆鋌+?89 mm鉆桿，一徑成孔。鉆進參數：鉆鋌加壓，鉆壓5～50 kN，轉速50～75 r/min，泵量根據鉆進深度、地層情況、鉆孔直徑、泥漿粘度等確定。泵壓根據泥漿粘度、鉆孔間隙、孔深等調整[8]。

這種鉆探工藝的特點是：對地層和鉆探深度適應性強，但鉆進效率低，一般情況下0.2～0.5 m/h。在破碎帶或巖溶發育地段鉆進時，經常會發生漏漿現象，易造成卡鉆、埋鉆事故。

4 鉆進原理與施工技術要點

4.1 泵吸反循環鉆進原理與技術要點

泵吸反循環是利用砂石泵(離心泵)在鉆桿內腔造成負壓產生的抽吸作用,使鉆桿內腔液體上升的反循環鉆進工藝。泵吸反循環鉆進時鉆頭壓入土體并回轉，地層一經攪動,鉆渣就很快被循環介質攜帶出孔外。一般松散層孔隙水監測井井深較淺,地層多為第四系粉土、粉質粘土和砂層，鉆進效率很高,成孔質量好,成本也低。施工中除嚴格按照規程操作外，還應重視以下方面問題：

(1)根據孔徑、孔深和地層條件，合理選擇鉆具配置、泵的型號、轉速、安裝穩定器及導向裝置，減少鉆頭、鉆桿擺動問題和因土質不均引起偏心現象。

(2)鉆進施工前檢查鉆具的彎曲、磨損和密封情況，避免影響鉆進效率和成孔質量。

(3)鉆進和成井期間采用水壓護壁，孔內滿足3 m以上的水頭壓力，以確保孔壁不坍塌。

(4)鉆進至設計深度并完成清孔排渣后應立即進行下管、投礫等后續成井工作，保持施工的連續性。

4.2 泥漿護壁回轉鉆進原理與技術要點

泥漿護壁回轉鉆進是常規的回轉鉆進工藝，利用鉆頭轉動破碎巖土體，通過泥漿循環將破碎物排出孔外。鉆進中嚴格控制施工參數外還應注意以下問題：

(1)這種鉆進工藝是靠泥漿護壁保持孔壁穩定，要保持孔內泥漿面距地面小于0.5 m，且上部有松散的土層時必須下保護管。

(2)泥漿護壁造成成孔后孔壁有泥皮，下管前需要破除泥皮并進行沖孔換漿，否則成井后監測井水躍值較大。

“我看是老賈設計混淆視聽，先讓你把一盒子錢都當是‘乾隆通寶’一樣的價位，再指鹿為馬，說你的真錢是假幣。這么一來只要你信他的話，真假就難說了。”葉總冷靜地分析。

(3)鉆進過程中需要密切注意孔內殘余巖屑、沉渣量等情況，防止卡鉆和埋鉆，并根據地層情況調整泥漿密度和粘度。

(4)鉆進時選用合理的鉆探參數，保持鉆鋌加壓，隨時測量孔斜度，及時糾正。

(5)終孔后用特制的鉆頭掃孔，使井孔圓直，上下暢通，鉆頭外徑與設計井孔直徑相適應，長度6～8 m。

(6)下井管前，校正孔徑、孔深和測孔斜，滿足設計及規范要求。

4.3 空氣潛孔錘鉆進原理與技術要點

空氣潛孔錘是以壓縮空氣為動力的風動沖擊鉆進工藝，將壓縮空氣經過潛孔錘所產生的沖擊功和沖擊頻率直接傳給鉆頭，再通過鉆機和鉆桿的回轉驅動，形成對巖石的脈動破碎能力，同時利用潛孔錘排出的壓縮空氣將破碎的巖石顆粒排出孔外。施工期間應注意以下問題：

(1)這種鉆進工藝施工中振動較大，鉆機固定要牢固，鉆進中嚴禁鉆機移動，為防止偏孔開孔時應采取慢速沖擊。

(2)隨鉆進深度增加需要調整鉆孔壓力，否則當地層涌水量變大大、水頭高度增加時，巖屑吹不上來，容易造成埋鉆和卡鉆現象。

(3)鉆進過程中遇到破碎帶或強風化層等不穩定層位必須采用跟管鉆進工藝，跟進套管在含水層段要加工成透水花管。

(4)鉆進過程中隨旋轉振動沖擊進尺6～8 m時提升鉆具排渣一次，遇到阻力時要向上提升潛孔錘，提升距離0.3～0.5 m。

(5)鉆進至設計深度后需要壓力清孔2～3 min，清孔壓力≮10 MPa。

4.4 沖擊鉆進原理與技術要點

沖擊鉆進是對卵礫石層最有效的鉆進工藝，在沖擊鉆進過程中，鉆頭底刃在切入和破碎巖(土)層的同時，也產生向周圍擠壓的作用[11]，能使孔壁密實堅固，順利鉆進成孔，對采用回轉鉆進或其他鉆進方法難以鉆進成孔的復雜地層有明顯的優越性。施工中應重視以下問題：

(1)由于砂卵石層易坍塌，護壁是關鍵，采用稠泥漿或粘土護壁，上部埋設鋼護筒，長度約5.0 m。

(2)開鉆前要向孔內灌注高粘度泥漿，保持孔內液面高于地下水位1.5～2.0 m，并低于孔口0.5 m，以防溢出。

(3)在砂及卵石夾土等鉆進時，按照1∶1投入粘土，用沖擊錐以小沖程(500 mm)反復沖擊，使孔壁形成均勻的泥膏層，發揮護壁作用。遇到流沙或厚層砂卵石層時，增加粘土用量，加大泥漿粘度，以保證孔壁穩定。

(4)調整回次沖程也是防止鉆孔坍塌的關鍵，沖程高時對孔底振動大，會造成塌孔。細粒土層鉆進時，采用小沖程(500 mm)、高頻率反復沖砸，使孔壁堅實不坍塌。在松散砂、礫類土、卵石夾土及高液限或含砂低液限粘土的地層鉆進時，采用中沖程(750 mm)。在堅硬密實卵石層或基巖漂石類的土層鉆進時，可采用高沖程(1000 mm)。

(5)采用沖擊鉆進過程中要及時撈渣，撈至泥漿內含渣顯著減少，無粗顆粒，泥漿的相對密度恢復正常為止。

(6)由于沖擊鉆進孔壁泥皮較厚，下井管前應采用同孔徑鋼絲刷通孔破壁，在含水層孔段上下提拉不少于5回次。然后進行沖孔換漿，泥漿密度達到要求后方可實施后續工作。

5 應用效果分析評價

采用不同鉆進工藝施工地下水監測井的鉆進效率差別較大。一般情況下，施工1眼井徑400 mm、井深70 m的松散層監測井，采用泵吸反循環工藝正常鉆速可達20～30 m/h，純鉆探時間僅需要3～4 h；泥漿護壁回轉鉆進正常鉆速3～4 m/h，鉆探時間需要2～3 d；沖擊鉆進正常鉆速0.6～1 m/h，鉆探時間則需要7～8 d。也就是說泵吸反循環鉆進速度最快，鉆進效率是回轉鉆進的20倍，是沖擊鉆進的60倍。當監測井深度達到100 m時，這種功效比則大打折扣。因為泵吸反循環驅動液體的壓力一般小于一個大氣壓(0.1 MPa)，在淺孔鉆進時效率很高，孔深大于80 m時抽吸效率會迅速降低，鉆進效率大幅度降低，深度約140 m時鉆進工效與回轉鉆進基本持平。在基巖地區，施工1眼深度200 m的基巖監測井，采用泥漿護壁回轉鉆進需要30 d左右，采用空氣潛孔錘鉆進則只需要1～2 d，空氣潛孔錘鉆進工藝鉆進效率是回轉鉆進效率的15倍以上。不同鉆進方式效率對比詳見表2。

表2 不同鉆進方式效率對比Table 2 Efficiency comparison of different drilling methods

不同鉆進工藝施工監測井的成井效果差別也較大。同樣的地質條件和井身結構，采用泵吸反循環施工的監測井初始單井出水量最大，洗井時間最短，采用回轉鉆進施工的監測井次之，采用沖擊鉆進施工的監測井初始單位出水量最小，洗井時間最長。據統計，采用泵吸反循環施工的監測井初始單井出水量是回轉鉆進施工監測井的1.2倍，是沖擊鉆進施工監測井的1.5倍以上。泵吸反循環施工的監測井采用潛水泵抽水的洗井方法即可，洗井時間2～3 h便可以達到水清砂凈的效果。泥漿護壁回轉鉆進施工的監測井，需要采用潛水泵大降深抽水的洗井方法，甚至要增加空壓機震蕩洗井，洗井時間1～2 d。粘土護壁沖擊鉆進施工的監測井，需要采用空壓機震蕩+潛水泵大降深抽水+拉活塞等組合式洗井方式才能達到效果，洗井時間2～3 d。

6 結語

地下水監測井是進行地下水監測的公益性、永久性基礎設施，其施工質量直接決定后期的運行效果，鉆探成孔是施工中的重要環節。泵吸反循環、回轉鉆進、空氣潛孔錘、沖擊鉆進等鉆探方法各有特點和適用范圍，施工前需要根據監測井的類型、深度和場地地質條件，合理確定鉆探工藝，以確保施工效率和工程質量。