影響水井鉆探效率的因素及提高鉆井速度的關(guān)鍵技術(shù)

許劉萬(wàn)，王艷麗，劉 江，張 進(jìn)

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000;2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引言

為加快我國(guó)地下水資源勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展速度，滿足人類對(duì)水的需求，水井的鉆進(jìn)深度越來(lái)越深，所遇地層更為復(fù)雜，施工難度也不斷增大，所以提高鉆進(jìn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，已對(duì)水井鉆探技術(shù)提出了新的要求，必須做到高效率低成本。從全世界看，70%～90%城市生活飲水依靠地下水，而我國(guó)80%以上湖泊已非凈水。這樣鉆采地下水資源在世界鉆探工業(yè)界一直占有非常重要的地位。原因是城市人口激增、工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展、生活要求高標(biāo)準(zhǔn);使得地表水不可避免污染和土地沙漠化侵襲等，導(dǎo)致地下水不斷下降。另外，對(duì)于一些干旱缺水地區(qū)，群眾打井乃至公益性打井限于缺乏新技術(shù)與設(shè)備，原本就缺水而還用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，在很多情況下需要拉水，當(dāng)遇到漏失地層無(wú)形中增加了鉆井成本。尤其在弱含水層泥漿滲入孔隙堵塞水路，有時(shí)將含水層錯(cuò)判為無(wú)水。此外，由于很多施工單位鉆井工藝技術(shù)配套不完善，鉆井效率低已成為制約水井開發(fā)的“瓶頸”問(wèn)題。

1 水井鉆探與地下水之間的關(guān)系

水井鉆探就是利用鉆探設(shè)備和工藝方法，很好地將地層中水資源合理開發(fā)利用的一項(xiàng)工程。而地下水是存在于地殼巖石裂縫或土壤空隙中的水。對(duì)埋藏于地表以下的各種狀態(tài)的水，我們把它統(tǒng)稱為地下水。大氣降水是地下水的主要來(lái)源。

根據(jù)地下水埋藏條件的不同，地下水可分為上層滯水、潛水和自流水3大類。按含水層性質(zhì)分類，可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水。

不同結(jié)構(gòu)的含水特性對(duì)水井產(chǎn)量的影響如下。

(1)干凈的砂礫沉積巖是最好的取水源。這種結(jié)構(gòu)巖層的吸水性強(qiáng)、含水率高并且水滲透性好。

(2)砂和砂礫混合層。砂和砂礫混合層也是產(chǎn)水結(jié)構(gòu)。因其含砂比例的高低不同而作為次一級(jí)的產(chǎn)水巖層?；旌蠈雍霸缴伲a(chǎn)水特性越高。

(3)粘土結(jié)構(gòu)。雖然粘土結(jié)構(gòu)儲(chǔ)水能力很強(qiáng)，但是水很難在其中運(yùn)動(dòng)。這就意味著粘土結(jié)構(gòu)不會(huì)向井內(nèi)涌水，因此它不是蓄水層。

(4)砂巖。它是指粒度為0.0625～2 mm的砂占全部碎屑顆粒50%以上的陸源碎屑巖。如果在砂巖中粘土作為膠合劑使砂粘在一起，它是一個(gè)差的產(chǎn)水巖層。

(5)石灰?guī)r。在所有的沉積巖中它是一種極佳的水源地層。石灰?guī)r通常含有較大的開口，例如地下溶洞，這些溶洞會(huì)含有高產(chǎn)水層但水質(zhì)比較差。

(6)玄武巖。較早的地床因?yàn)檩^密的擠壓在一起，很致密，而不是好的產(chǎn)水巖層。如果它是發(fā)育較晚，它有海綿狀結(jié)構(gòu)發(fā)展，它就會(huì)是好的水源。

(7)硬巖。這類巖石像花崗巖、斑巖和其它水晶巖通常都是差的產(chǎn)水層。最差的產(chǎn)水層是變質(zhì)巖，例如片麻巖、片巖、石英巖、板巖和皂石。

2 水井鉆探效率低下的原因分析

2.1 井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆頭匹配不合理

在水井、地?zé)峋@探中，由于設(shè)計(jì)的孔徑和井深各有不同，采用的井身結(jié)構(gòu)也存在明顯的差別。有許多單位在井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周，前導(dǎo)孔三牙輪鉆頭直徑選用不合理，導(dǎo)致擴(kuò)孔組焊牙輪鉆頭加工復(fù)雜，甚至擴(kuò)孔級(jí)數(shù)多，輔助時(shí)間長(zhǎng)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，鉆進(jìn)效率低。因此在設(shè)計(jì)鉆孔直徑時(shí)應(yīng)選用石油標(biāo)準(zhǔn)的牙輪鉆頭規(guī)格，否則需加工組焊牙輪鉆頭。逐級(jí)擴(kuò)孔時(shí)前導(dǎo)孔標(biāo)準(zhǔn)牙輪鉆頭的選擇，一定要利于擴(kuò)孔組焊牙輪鉆頭的加工，以降低鉆頭加工成本。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)鉆進(jìn)效率的影響

(1)鉆壓。鉆壓的大小根據(jù)地層軟硬程度來(lái)確定，同時(shí)還應(yīng)考慮到鉆頭的質(zhì)量、井身質(zhì)量、鉆具質(zhì)量、沖洗液的排量和性能以及設(shè)備、動(dòng)力等因素。目前石油鉆井中，牙輪鉆進(jìn)常用的鉆壓范圍，中硬～硬地層為每吋直徑加壓15～20 kN，對(duì)于水井鉆進(jìn)，往往都達(dá)不到此值。

(2)轉(zhuǎn)速。一般機(jī)械鉆速隨轉(zhuǎn)速的增加而提高，但受洗井條件、設(shè)備和鉆柱強(qiáng)度、巖石性質(zhì)等諸多因素的限制，不能任意增大轉(zhuǎn)速。在良好的洗井條件下，井底的巖屑能被及時(shí)排出，反之會(huì)造成重復(fù)破碎，降低鉆速且易造成泥包鉆頭。在深井井段應(yīng)考慮設(shè)備動(dòng)力的實(shí)際情況，以及鉆柱的強(qiáng)度，一般應(yīng)限制轉(zhuǎn)速。若使用的鉆具質(zhì)量較差，用高轉(zhuǎn)速容易造成斷鉆具事故。另外在研磨性大的地層鉆進(jìn)，如果轉(zhuǎn)速過(guò)快，除降低鉆頭工作壽命外，施工成本也會(huì)增加，所以不提倡采用過(guò)快的轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。

(3)泵量。對(duì)于泵量的影響，它是隨著沖洗液排量的加大，鉆進(jìn)效率也相應(yīng)提高，鉆頭進(jìn)尺也同時(shí)提高，當(dāng)排量加大到一定程度時(shí)，鉆進(jìn)效率的變化就不太明顯了，一般要求沖洗液的上返速度應(yīng)大于1 m/s，不能小于0.5 m/s，否則巖屑不能及時(shí)上返，容易產(chǎn)生重復(fù)破碎和孔內(nèi)復(fù)雜情況。

2.3 鉆井工藝技術(shù)相對(duì)落后

目前水井施工中，許多單位還不具備多工藝鉆進(jìn)技術(shù)條件，無(wú)法根據(jù)地層情況及時(shí)變換適宜的工藝方法(如氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)、氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)、空氣泡沫鉆進(jìn)技術(shù)等)。普遍采用的仍是泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，鉆孔與鉆桿之間的環(huán)狀間隙大，泥漿上返速度極慢，攜帶巖屑的能力特差，導(dǎo)致重復(fù)破碎、施工周期長(zhǎng)、孔內(nèi)事故多，成本高等。

2.4 鉆井設(shè)備不配套

為了降低鉆井成本，有些單位選用的鉆機(jī)設(shè)備功率小，不利于粗直徑鉆具的配套，關(guān)鍵時(shí)候提升能力小，處理孔內(nèi)事故的能力差。出現(xiàn)這些問(wèn)題主要是選購(gòu)設(shè)備時(shí)對(duì)鉆機(jī)的提升能力和扭矩沒(méi)有了解，只注意到鉆機(jī)生產(chǎn)廠家標(biāo)的鉆深多少米，忽視了所用鉆桿直徑和孔徑的關(guān)系。再加之所配泥漿泵排量也小，不利于巖屑的排出。此外，對(duì)孔徑、孔深和鉆機(jī)以及泥漿泵的配套關(guān)系認(rèn)識(shí)不清楚，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率。

3 水井鉆進(jìn)施工應(yīng)注意的問(wèn)題

3.1 施工前的組織準(zhǔn)備問(wèn)題

對(duì)水井施工設(shè)計(jì)方案要認(rèn)真研究，科學(xué)合理的分配任務(wù)、組織生產(chǎn)，在施工之前一定要對(duì)設(shè)計(jì)書相關(guān)技術(shù)要求做好準(zhǔn)備工作，分析施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，并做出具體的應(yīng)對(duì)方案和保障措施，以引起全體施工人員的高度重視。

3.2 正循環(huán)鉆進(jìn)泥漿問(wèn)題

提高正循環(huán)鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵是如何保證泥漿的質(zhì)量，維護(hù)、使用高效優(yōu)質(zhì)的鉆井沖洗液是鉆井工程安全、高效的前提。由于水井鉆探口徑大、地層相對(duì)復(fù)雜的特點(diǎn)，所以一定要嚴(yán)格按照泥漿設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，對(duì)水源要求保護(hù)，控制失水量和預(yù)防水層受到污染。

3.3 水井鉆探成井質(zhì)量問(wèn)題

水井鉆進(jìn)是成井質(zhì)量的保證，而成井質(zhì)量好壞是完井的技術(shù)關(guān)鍵。在水井鉆孔成井工藝方面，有些單位往往沒(méi)有引起重視，沖孔換漿沒(méi)按要求辦、安裝井管前沒(méi)有探孔，井管與孔徑的同心度差，下管因孔斜遇阻、填礫料同含水層滿足不了要求、止水不徹底、洗井和抽水試驗(yàn)沒(méi)有搞好，最后驗(yàn)收井出水量不夠，水質(zhì)達(dá)不到要求等。所以，成井工藝的目的主要是將含水層(目的層)的水經(jīng)過(guò)疏通而能自由地流入井內(nèi)。封閉或隔離非目的層，以防止地下含水層的水互相串通或污染含水層。這種有選擇的疏通和封閉，是成井工藝要解決的主要問(wèn)題，尤其在沿海地區(qū)施工以及地表水污染嚴(yán)重的地域，如何能取到淡水，這就要求止水的質(zhì)量一定要高，成井工藝必須規(guī)范。

4 提高鉆井效率的綜合技術(shù)

鉆井是一項(xiàng)開發(fā)利用地下水的入地工程，鉆井技術(shù)的進(jìn)步對(duì)抗旱打井有著舉足輕重的作用。鉆井關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用受到了高度重視并快速發(fā)展，常規(guī)鉆探技術(shù)得到進(jìn)一步強(qiáng)化，特色鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，鉆井裝備與工程發(fā)展迅速，一些新的技術(shù)成果已在鉆井中得到推廣應(yīng)用，現(xiàn)將有關(guān)提高鉆井效率的技術(shù)措施探討如下。

4.1 泥漿正循環(huán)牙輪鉆進(jìn)技術(shù)

在水井鉆進(jìn)中使用牙輪鉆頭已很普遍，除正確選擇鉆頭型號(hào)外，還必須合理地確定鉆進(jìn)規(guī)程，這樣才能提高鉆進(jìn)效率，延長(zhǎng)鉆頭壽命，降低鉆探成本，更好地發(fā)揮牙輪鉆頭在水井鉆進(jìn)中的優(yōu)越性。

4.2 牙輪鉆頭的正確使用

(1)選擇牙輪鉆頭型號(hào)盡可能適合巖性要求、鉆頭尺寸與鉆孔的設(shè)計(jì)匹配，并按大小順序排隊(duì)使用。

(2)牙輪鉆頭鉆進(jìn)操作注意事項(xiàng)。

連接鉆頭時(shí)不能猛蹾，下部應(yīng)放一墊木，下鉆時(shí)要平穩(wěn)，遇阻井段要慢，鉆頭若在中途掃孔，要計(jì)算好掃孔時(shí)間，防止事故發(fā)生，一般用掃孔時(shí)間的1.5倍折算為鉆進(jìn)時(shí)間。鉆頭下到距孔底7～8 m部位時(shí)，開泵循環(huán)然后下到孔底，正常鉆進(jìn)，嚴(yán)禁一次性下到孔底再開泵循環(huán)。反對(duì)加壓起動(dòng)轉(zhuǎn)盤或動(dòng)力頭，防止憋壞鉆頭和扭斷鉆具。

鉆頭使用過(guò)程中若出現(xiàn)憋跳現(xiàn)象，應(yīng)立即分析原因，檢查地層有無(wú)變化，井壁有無(wú)坍塌掉塊等。應(yīng)立即分析調(diào)整參數(shù)，上提鉆頭用大泵量循環(huán)，如不能正常鉆進(jìn)，就要提鉆檢查。做好鉆頭在孔內(nèi)工作情況的分析判斷。另外要做好控制井斜的措施，減少鉆具與鉆孔的間隙，發(fā)揮滿眼鉆進(jìn)與剛性防斜的作用。為了達(dá)到防斜目的，可采用牙輪鉆頭上部加扶正器和鉆鋌的方法。扶正器和井壁的間隙不能過(guò)大，一般經(jīng)驗(yàn)為小于孔徑6.5～10 mm即可。若扶正器直徑小于孔徑30 mm以上，防斜效果會(huì)明顯下降。

4.3 空氣牙輪、泡沫牙輪鉆進(jìn)方法

目前這方面的鉆進(jìn)技術(shù)在我國(guó)有些單位已進(jìn)行大膽試驗(yàn)應(yīng)用。適合大多數(shù)地層，操作容易可控制復(fù)雜地質(zhì)情況，投入成本低，但巖層鉆進(jìn)速度慢。

4.4 地下水開發(fā)快速鉆進(jìn)技術(shù)——?dú)鈩?dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)

這種鉆進(jìn)技術(shù)目前在基巖地層鉆進(jìn)水井應(yīng)用較為普遍，鉆進(jìn)效率較高。其鉆進(jìn)速度是牙輪鉆進(jìn)的5～10倍，鉆頭壽命長(zhǎng)，鉆孔不易傾斜，有利于保護(hù)地下水或油氣的滲透性。

4.4.1 空氣壓力的作用

空氣壓力主要有2個(gè)作用:一是驅(qū)動(dòng)潛孔錘(沖擊器)做功，使鉆頭高頻沖擊巖石破碎;二是克服水壓，使井底的水和巖屑順利排出井口。

4.4.2 空氣流量的作用

空氣流量主要有2個(gè)作用:一是滿足沖擊器的固有耗氣量;二是在環(huán)隙中達(dá)到一定空氣上返速度排出巖屑。

在重力作用下，10 m水柱的壓力相當(dāng)于1 bar(0.1 MPa)壓力，要將井底的水返到地表，必需具備足夠的壓力。

例如300 m深的井，就需要30 bar(3 MPa)的氣壓才能將水柱頂出地表。

4.4.3 空壓機(jī)的選擇

(1)空壓機(jī)壓力的選擇原則:壓力盡可能比鉆井深度大些。因?yàn)樵阢@進(jìn)到含水層后，由于涌水較多，壓差降低?？諌簷C(jī)提供的壓力要確保為潛孔錘(沖擊器)提供足夠的壓差，使?jié)摽族N能夠沖擊巖石。

(2)空壓機(jī)氣量的選擇原則:根據(jù)最小動(dòng)能法的基本計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)出參考?xì)饬?

式中:V——巖屑上返速度，m/min;Q——所需氣量，m3/min;A環(huán)——環(huán)狀空間面積，即鉆頭孔徑面積減去鉆桿外徑面積，m2。

有關(guān)正循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)相關(guān)實(shí)踐技術(shù)數(shù)據(jù)參考見表1。

此表計(jì)算忽略了很多影響因素，而給出的最低巖屑上返速度僅供參考。換算出的15 m/s的最小環(huán)空流速實(shí)際效率較低，大塊的巖屑不能直接被空氣循環(huán)帶出，而是需要鉆頭重復(fù)破碎后才能被返至地表，或巖屑與水結(jié)合形成泥圈粘結(jié)在潛孔錘與鉆桿的軸間部位，下沉集滿環(huán)空，最容易造成卡鉆、埋鉆事故。

表1 正循環(huán)氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)孔徑與鉆桿直徑獲得的參考數(shù)據(jù)

4.5 地下水開發(fā)快速鉆進(jìn)技術(shù)——?dú)馀e反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是目前大口徑深水井、地?zé)峋┕ぶ械囊豁?xiàng)先進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)許多單位將氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)與氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)組合應(yīng)用，有些單位將其作為水井鉆進(jìn)首選的技術(shù)大力推廣，不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外承攬工程均取得了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該工藝最大應(yīng)用深度已達(dá)4200余米，國(guó)內(nèi)最大特殊工程孔孔徑已達(dá)13 m。在一些復(fù)雜地層、大口徑工程孔正循環(huán)無(wú)法鉆進(jìn)的情況下，這項(xiàng)技術(shù)可大顯威力。巖屑在鉆桿內(nèi)上返速度快，減少了巖屑在孔內(nèi)的重復(fù)破碎，提高了鉆進(jìn)效率，增加了鉆頭壽命，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，大大降低了鉆進(jìn)成本。

氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)效率取決于壓縮空氣的壓力和排量，以及氣水混合器的沉沒(méi)比。氣水混合器需要有一定的沉沒(méi)深度才能形成很好的氣水混合流，因此該方法在50 m以淺效率較低，氣水混合器的沉沒(méi)比要達(dá)到0.5以上才能發(fā)揮良好的效果。

當(dāng)氣舉反循環(huán)選定了空氣混合室的最大安裝深度后，即可計(jì)算出空壓機(jī)的壓力:

式中:P——空壓機(jī)的壓力，MPa;H——混合室的安裝最大深度，m;γh——沖洗液的密度，kg/m3;ΔP——空氣在地面管道中的壓力損失，一般ΔP=0.04～0.1 MPa。

如果空氣壓縮機(jī)已確定，可用該式校核混合室的安裝深度。

空氣壓縮機(jī)風(fēng)量Q的計(jì)算，根據(jù)鉆桿內(nèi)混合流體上升的速度v和鉆桿內(nèi)徑d來(lái)進(jìn)行估算。其經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中:Q——所需空氣的量，m3/min;d——鉆桿內(nèi)徑，mm;v——鉆桿內(nèi)混合流體的上返速度，m/min。

實(shí)踐總結(jié)的循環(huán)介質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)速度和鉆頭壽命的影響見表2、表3。

表3 循環(huán)介質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)速度的影響

5 結(jié)語(yǔ)

鉆井工程在水資源開發(fā)中有著非常重要的地位，水井鉆進(jìn)效率的提高，對(duì)于地下水的開發(fā)利用有著舉足輕重的作用。因此，在鉆進(jìn)水井時(shí)，施工單位一定要注重設(shè)備的選型，積極學(xué)習(xí)和應(yīng)用鉆探新技術(shù)，不斷提高鉆進(jìn)效率，降低鉆探成本，同時(shí)在提高鉆進(jìn)效率時(shí)還要做好安全防護(hù)工作，保證水井成井質(zhì)量的提高。

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