加納水井鉆完井施工技術(shù)

李保紅，歐陽(yáng)昊

（1.湖北省地質(zhì)局武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，湖北 武漢430051；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢430034）

1 項(xiàng)目背景

自1957年獨(dú)立以來(lái)，加納基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重匱乏，道路、電力設(shè)施、飲用水問(wèn)題一直是困擾該國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的“瓶頸”。其中，因飲用水問(wèn)題導(dǎo)致的霍亂、傷寒、瘧疾、幾內(nèi)亞血吸蟲病致死致殘人數(shù)逐年上升。為解決飲用水問(wèn)題，改善該國(guó)人民生活狀況，自20世紀(jì)末至今，利用世界銀行、非洲開發(fā)銀行及歐盟提供的貸款，該國(guó)建設(shè)了一批水文水井和自來(lái)水廠項(xiàng)目，德國(guó)、丹麥及我國(guó)政府也通過(guò)提供貸款或援助等方式，先后實(shí)施了大批旨在促進(jìn)地下水資源開發(fā)利用的水文水井項(xiàng)目。通過(guò)20年來(lái)的努力，該國(guó)大部分地區(qū)和民眾的飲用水問(wèn)題得到了極大改善，安全衛(wèi)生飲用水比例從當(dāng)初的20%提高到70%，從而控制了傳染病的發(fā)生，促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐男l(wèi)生健康狀況，助力了加納經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和非洲千年發(fā)展目標(biāo)。

湖北地質(zhì)工程有限公司自1998年進(jìn)軍加納水井施工市場(chǎng)，本著誠(chéng)信經(jīng)營(yíng)、效率優(yōu)先的理念，積極參與國(guó)際競(jìng)標(biāo)，先后承擔(dān)了世界銀行、非洲開發(fā)銀行、丹麥政府、德國(guó)政府、中國(guó)政府貸款或援助的一系列水文水井項(xiàng)目，足跡遍布加納全境。通過(guò)借鑒國(guó)內(nèi)外類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)［1-7］，結(jié)合長(zhǎng)期野外鉆井工作經(jīng)驗(yàn)的提煉和總結(jié)，由當(dāng)初的4～5天完成1口井，提高到1天完成1口甚至2口水井的優(yōu)良業(yè)績(jī)，多次被加納建工部供排水局點(diǎn)名表?yè)P(yáng)，深得業(yè)主單位的信任和支持，許多水井應(yīng)急項(xiàng)目都采用議標(biāo)或直接委托形式由公司承擔(dān)。加納歷年來(lái)最大的水井施工項(xiàng)目，該公司都榜上有名，占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。公司項(xiàng)目部經(jīng)過(guò)科學(xué)管理，創(chuàng)造了在加納市場(chǎng)鉆井20年無(wú)質(zhì)量、安全事故發(fā)生，無(wú)不良工作負(fù)面清單的業(yè)績(jī)。在加納鉆井行業(yè)內(nèi)有口皆碑，為單位創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為當(dāng)?shù)厝嗣窠鉀Q了基本民生，為當(dāng)?shù)卣瞰I(xiàn)了社會(huì)效益。

2 加納水文地質(zhì)概況

加納地處西非幾內(nèi)亞灣北部，西鄰科特迪瓦，北接布基納法索，東毗多哥，南瀕大西洋，海岸線長(zhǎng)約562 km。國(guó)土面積238537 km2。該國(guó)總體地勢(shì)北高南低，沿海平原和西南部阿桑蒂高原屬熱帶雨林氣候，白沃爾特河谷和北部高原地區(qū)屬熱帶草原氣候。4-9月為雨季，11月至翌年4月為旱季。各地降雨量差別很大，西南部平均年降雨量2180 mm，北部地區(qū)為1000 mm。北部受地勢(shì)地形、地質(zhì)條件、氣候環(huán)境等影響，地下水資源比較匱乏，以縱貫北部的白沃爾特和黑沃爾特2條河流補(bǔ)給為主，南部熱帶雨林地區(qū)，雨量充沛，補(bǔ)給條件好，地下水資源豐富，但開采難度較大。

在地質(zhì)構(gòu)造上，加納可劃分成3個(gè)主要單元：

（1）位于加納西北和西南部的古元古代的上地殼侵入巖，其形成時(shí)代在22億～20.5億年前，以花崗巖為主。

（2）分布于加納東南部和東部地區(qū)的泛非活動(dòng)帶，以片麻巖和上地殼巖石為主。

（3）主要分布在加納中部和東北部地區(qū)，零星分布在沿大西洋海岸的前寒武紀(jì)到白堊紀(jì)、呈水平產(chǎn)出的大陸架和海相沉積巖，由石英巖、頁(yè)巖砂巖、玄武質(zhì)到粗面狀的熔巖和火山碎屑巖組成。

在地下水方面，加納地下水主要可分為3種類型：

（1）花崗巖侵入體地區(qū)，主要分布在該國(guó)北部，地下水普遍具有承壓性，以強(qiáng)-弱風(fēng)化帶風(fēng)化裂隙水為主，水量不大，?165 mm口徑單孔出水量3～20 L/min，但此類水井采用后續(xù)水力壓裂實(shí)驗(yàn)增水效果明顯。偶見(jiàn)花崗巖侵入脈體裂隙水和構(gòu)造裂隙水，水量豐富，單井出水量40～200 L/min，甚至更大，滿足機(jī)井化條件。此類地區(qū)按照加納手壓井出水量標(biāo)準(zhǔn)，成井率中等。

（2）千枚巖地層區(qū)，分布在加納中部北東向成礦構(gòu)造帶地區(qū)，風(fēng)化程度高，風(fēng)化深度大，地下水以強(qiáng)-半風(fēng)化裂隙水為主，受構(gòu)造影響，補(bǔ)給條件好，水量大，具有承壓性，適合機(jī)井化建造。此類地區(qū)成井率高，達(dá)90%以上，但鉆探成井施工難度大、周期長(zhǎng)。

（3）石英砂巖、頁(yè)巖地區(qū)，分布在塔馬里盆地，地下水埋藏深，以潛水形式賦存，補(bǔ)給條件差，單井出水量普遍偏小，僅能滿足低出水量手壓泵安裝。此類地區(qū)成井率低，大約30%，即使采用后續(xù)水力壓裂試驗(yàn)，增水效果亦不明顯。

3 施工技術(shù)要求

按照國(guó)際水文水井技術(shù)規(guī)范和加納水井建造的成井標(biāo)準(zhǔn)，安裝手壓泵的最低水量要求為13.5 L/min，最小口徑165 mm，最小孔深60 m，下置?125/140 mm PVC井管；安裝電動(dòng)水泵的最低水量要求為80 L/min，最小口徑200 mm，最小孔深80 m，下置?150/165 mm PVC井管。對(duì)于出水量低于13.5 L/min的鉆孔，將結(jié)合聲波測(cè)井和預(yù)抽水試驗(yàn)，甄別出具有潛在水量的鉆孔進(jìn)行水力壓裂試驗(yàn)，以期通過(guò)疏通裂隙提高水量滿足成井要求。對(duì)于干井，要求鉆探進(jìn)尺≮120 m。

4 配套施工機(jī)具

加納水文水井項(xiàng)目主要目標(biāo)是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村人口基本飲用水問(wèn)題，其自然環(huán)境比較惡劣，井位偏遠(yuǎn)分散，設(shè)備搬遷距離遠(yuǎn)，路況條件差，有些村落甚至位于熱帶雨林深處，無(wú)法通行?；诋?dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，施工裝備輕型化、靈活化、機(jī)動(dòng)化是提高施工效率的最佳手段。湖北地質(zhì)工程有限公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期摸索，形成了一套適合當(dāng)?shù)厥┕l件的水井施工設(shè)備，包括：（1）D-300型車載水文水井鉆機(jī)。

（2）XP750型空壓機(jī)，為了設(shè)備安全和轉(zhuǎn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)性，改裝為車載式。

（3）鉆探工具運(yùn)輸車，用于裝載?89 mm鉆桿、開孔鉆具、潛孔錘、牙輪鉆頭、工作套管、鉆探輔助工具等。

（4）材料車，用于裝載?140、165 mm規(guī)格PVC井管、濾料。

（5）水罐車，用于泥漿鉆進(jìn)配漿用水補(bǔ)給。

另外還配備了皮卡車，用于員工上下班通勤和燃油補(bǔ)給。圖1所示為一套完整的水文水井鉆井施工設(shè)備。

圖1 一套完整的水文水井施工設(shè)備Fig.1 A complete water well drilling fleet

5 水文水井施工技術(shù)方法

5.1 花崗巖地區(qū)

5.1.1 地層特點(diǎn)

花崗巖地區(qū)分布在該國(guó)北部。地層情況如圖2所示。表層為玄武質(zhì)粗面狀熔巖，俗稱“鐵帽石”，硬度較大，厚薄不一，1～5 m，其出露地表部分為弱風(fēng)化、中間微風(fēng)化、底部強(qiáng)風(fēng)化-全風(fēng)化。表層以下為Q3老粘土，厚度4～5 m，粘土上部失水呈硬塑狀，遇水易膨脹，下部與花崗巖強(qiáng)風(fēng)化飽水帶接觸，為可塑至軟塑，粘滯力強(qiáng)。強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層普遍不含水或弱含水，穩(wěn)定性較差，厚約1～5 m，部分鉆孔可達(dá)6～10 m，通常情況下，強(qiáng)風(fēng)化層越厚，底部含水或富水的可能性越大。強(qiáng)風(fēng)化層以下為半風(fēng)化層，普遍含水，是花崗巖地區(qū)地下水主要富集帶，厚度為0.5～5 m不等。強(qiáng)風(fēng)化層與新鮮基巖之間為半風(fēng)化層過(guò)渡帶。最下方地層為新鮮基巖層，該地層巖性強(qiáng)弱不一，底部巖性強(qiáng)度大、剛性強(qiáng)的花崗巖存在巖脈侵入體的可能性更大，脆性裂隙的發(fā)育程度更高，富水、貯水構(gòu)造更豐富，即使在達(dá)到設(shè)計(jì)孔深時(shí)未見(jiàn)可觀水量，但具備較強(qiáng)的裂隙發(fā)育程度，后續(xù)水力壓裂效果依然十分明顯。反之，強(qiáng)度不大，韌性強(qiáng)的花崗巖層，裂隙發(fā)育程度不高，基本無(wú)貯水構(gòu)造，此類地層水井出水以上部強(qiáng)-半風(fēng)化裂隙水為主。

圖2 花崗巖地區(qū)地層情況和井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Lithology and the well structure in the granite area

5.1.2 鉆井工藝

開孔：用?250 mm潛孔錘開孔鉆進(jìn)，安裝孔口管，啟動(dòng)空壓機(jī)，連接鉆具，利用車載鉆機(jī)加壓裝置施加鉆壓，以提高鉆進(jìn)效率。

探孔：目的是了解地層情況，確定工作套管下深。Q3老粘土地層，由于粘土粘滯力強(qiáng)，易包裹鉆頭。在前期施工過(guò)程中，試用過(guò)2種鉆進(jìn)工藝：一是采用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，進(jìn)尺慢能耗高；二是采用水循環(huán)葉片刮刀鉆頭鉆進(jìn)，但作業(yè)程序較復(fù)雜，鉆進(jìn)效率低，耗時(shí)長(zhǎng)。后期結(jié)合2種鉆探工藝的優(yōu)點(diǎn)，參閱了相關(guān)資料［8-11］，采用?180 mm空氣循環(huán)釬頭鉆具鉆進(jìn)，為克服上部粘土層縮徑，防止底部粘土包裹鉆頭，對(duì)鉆具進(jìn)行了優(yōu)化，鉆具底部?jī)H焊接3個(gè)等位的一字形釬頭，釬頭在平面上不重合排列，確保釬頭對(duì)土層切割的最大工作效能，在鉆具中部焊接一個(gè)與釬頭成孔口徑等徑的圓形腰帶，以對(duì)螺旋鋸齒狀孔壁進(jìn)行鏜孔，最大程度減小粘土孔壁表面積，克服粘土的粘滯力，如圖3所示。改進(jìn)后的施工工藝有效提高了機(jī)械鉆速。

圖3 ?180 mm釬頭鉆具Fig.3 180mm chisel type drill bit

繼續(xù)鉆進(jìn)至花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，該層普遍不含水或弱含水，穩(wěn)定性較差，使用?165 mm潛孔錘鉆進(jìn)能獲得較高的機(jī)械鉆速，鉆穿半風(fēng)化層，直到進(jìn)入新鮮基巖1～2 m，為工作套管下入位置。

擴(kuò)孔：用?245 mm葉片刮刀鉆頭（附加等徑圓形腰帶）或?244 mm牙輪鉆頭。依據(jù)Q3老粘土層、強(qiáng)風(fēng)化層的厚度選擇循環(huán)介質(zhì)和配套鉆具。當(dāng)粘土層較厚、強(qiáng)風(fēng)化層較薄時(shí)，選擇風(fēng)循環(huán)葉片刮刀鉆進(jìn)；若粘土層較薄、強(qiáng)風(fēng)化層較厚時(shí)，宜選擇風(fēng)循環(huán)牙輪鉆頭鉆進(jìn)，并嚴(yán)格控制風(fēng)量；若粘土層和強(qiáng)風(fēng)化層均較厚時(shí)，則應(yīng)選擇泥漿循環(huán)葉片刮刀鉆進(jìn)，在底部強(qiáng)風(fēng)化層再采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化層超厚的情況，擴(kuò)孔時(shí)必須采用泥漿鉆進(jìn)，嚴(yán)禁采用風(fēng)循環(huán)，因?yàn)榭諝鈹_動(dòng)性大，極有造成孔壁坍塌和埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)。

二開鉆進(jìn)：起鉆，下入?219 mm薄壁鋼管至孔底，鋼管周邊環(huán)狀間隙進(jìn)行填充壓實(shí)處理，隨后下入?165 mm潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn)，在下鉆過(guò)程中要充分考慮地下水位和孔底沉渣的影響，避免鉆具下入過(guò)快過(guò)深，空壓機(jī)停風(fēng)過(guò)早，造成孔內(nèi)沉渣反吸、潛孔錘堵塞。

在花崗巖地層中鉆進(jìn)時(shí)，底部形成的錘擊粉塵碎屑在上返風(fēng)力作用下與上部滲下的裂隙水融合，易在潛孔錘上部孔壁粘附堆積形成泥環(huán)，影響鉆具提升。應(yīng)每進(jìn)尺20～30 cm提升一次鉆具，讓潛孔錘脫離工作狀態(tài)，借助瞬間釋放的空氣壓力，將泥環(huán)破壞沖出孔口。鉆探終孔前，將鉆具提離孔底1 m左右，關(guān)閉空氣開關(guān)，等候10 min，使上部裂隙水充分下滲孔底，或從孔口加注清水，借助水的作用分解泥環(huán)，最后開啟空氣開關(guān)，用高壓氣流托舉孔內(nèi)積水和巖屑，對(duì)孔壁進(jìn)行強(qiáng)力沖刷，確?？變?nèi)干凈，鉆具提升順暢，能大大縮減成井后的洗井時(shí)間。

5.1.3 完井工藝

鉆進(jìn)完成后，下入PVC井管（包括濾管和實(shí)管）成井。基于花崗巖地區(qū)風(fēng)化裂隙含水層的位置，濾管下入到強(qiáng)-半風(fēng)化層之間，部分濾管處于工作套管內(nèi)。因此，在投濾料階段，需要對(duì)細(xì)節(jié)工作進(jìn)行嚴(yán)格把控，濾管在強(qiáng)風(fēng)化層不宜出露過(guò)多，否則強(qiáng)風(fēng)化層中極細(xì)顆粒的細(xì)沙和云母易造成水質(zhì)渾濁不清，延長(zhǎng)洗井時(shí)間［12-13］。同時(shí)投濾過(guò)程中采用灌漿預(yù)埋深度法，保證濾料在套管內(nèi)1～2 m后，緩慢起拔套管，邊投邊拔，確定投濾至預(yù)定位置，停止套管起拔，拆卸孔口以上套管，下入風(fēng)管進(jìn)行空氣洗井，待水清沙凈，復(fù)測(cè)濾料深度，若濾料下沉則進(jìn)行補(bǔ)充，濾料填充厚度須超出濾管頂部3～5 m，隨后提拔全部套管，投入水泥砂漿1 m左右，回填巖屑距孔口4 m，再投入水泥砂漿4 m至孔口，保留井管高出地面0.8 m，至此施工結(jié)束。后期抽水試驗(yàn)班組進(jìn)行6 h非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，3 h水位恢復(fù)觀測(cè)及水樣采集工作。

5.2 千枚巖地區(qū)

5.2.1 地層特點(diǎn)

加納中部北東向成礦構(gòu)造帶地區(qū)，以千枚巖為主，風(fēng)化程度高，風(fēng)化深度大，地下水以強(qiáng)-半風(fēng)化裂隙水為主，受熱帶雨林氣候影響，補(bǔ)給條件好，水量大，具有高承壓性。其上覆玄武質(zhì)粗面狀的熔巖風(fēng)化程度高，近乎完全分解。其下為Q3老粘土，普遍厚度7～10 m，局部達(dá)20 m以上，普遍飽水。粘土層以下依次為強(qiáng)風(fēng)化、半風(fēng)化和新鮮千枚巖地層。其中強(qiáng)風(fēng)化層為主要含水層。如圖4所示。

5.2.2 鉆井工藝

開孔：首選?180 mm釬頭鉆具鉆進(jìn)，安置孔口管，啟動(dòng)空壓機(jī)，連接鉆具，利用主動(dòng)鉆桿和車載鉆機(jī)加壓裝置進(jìn)行鉆進(jìn)。

探孔：對(duì)于Q3老粘土層，繼續(xù)采用風(fēng)動(dòng)釬頭切割鉆進(jìn)，同時(shí)提高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，增加風(fēng)量，盡可能多地將孔內(nèi)粘土切割并攜帶至孔口。鉆進(jìn)至底部飽水帶粘土?xí)r若產(chǎn)生泥皮包裹鉆頭現(xiàn)象，應(yīng)該立即停止風(fēng)動(dòng)鉆進(jìn)，改為泥漿循環(huán)鉆進(jìn)。

圖4 千枚巖地區(qū)地層情況和井身結(jié)構(gòu)Fig.4 Lithology and the well structure in the phyllite area

千枚巖強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化程度高，巖性軟弱，釬頭鉆頭易于破碎切割，但碾壓擠碎能力不強(qiáng)，加之孔內(nèi)泥漿濃度、粘度不夠，攜帶巖屑能力較弱，易造成孔底沉渣，因此需提鉆更換?152 mm牙輪鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，直到鉆進(jìn)至半風(fēng)化層，進(jìn)尺明顯變慢，巖屑由棕黃變成灰黑。

擴(kuò)孔：提鉆，換?245 mm葉片刮刀鉆頭（附加等徑圓形腰帶）或?244 mm牙輪鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔。在Q3老粘土層段用葉片刮刀鉆頭鉆進(jìn)，底部采用? 244 mm牙輪鉆頭鉆進(jìn)。由于上部擴(kuò)孔刮落的粘土泥皮與水充分拌和，泥漿濃度增大，非常有利于底部牙輪鉆頭的擴(kuò)孔鉆進(jìn)，加入適量聚丙烯酰胺，攜巖能力明顯提升。鉆進(jìn)至套管預(yù)置孔深時(shí)，加水稀釋泥漿，反復(fù)上下活動(dòng)鉆具，以破壞孔壁泥皮，防止縮徑造成下套管困難。對(duì)于超厚強(qiáng)風(fēng)化層擴(kuò)孔，必須采用泥漿循環(huán)鉆進(jìn)，嚴(yán)禁采用擾動(dòng)性大的空氣循環(huán)鉆進(jìn)，否則將有孔壁坍塌和埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)［14-15］。

二開鉆進(jìn)：沖孔換漿，上提鉆具，下入工作套管。千枚巖地區(qū)工作套管下置深度普遍較深，達(dá)20～50 m，由于Q3老粘土層和千枚巖強(qiáng)風(fēng)化層都會(huì)遇水膨脹并形成粘性物質(zhì)，對(duì)套管的附著粘滯力極強(qiáng)，造成成井后套管起拔困難。在施工過(guò)程中，采取了2種方法解決這一問(wèn)題，一是將食用油、生化泥漿或聚丙烯酰胺濃溶液均勻涂抹在套管外壁，在套管外壁與孔內(nèi)泥皮間形成一道“油膜”或“粘膜”，二是用聚乙烯塑料薄膜纏繞套管，在套管外壁與孔內(nèi)泥皮間形成一道“塑料薄膜”，能有效克服粘滯阻力的影響。

套管下置完畢后，為防止?jié)摽族N鉆進(jìn)上返空氣和高壓水流對(duì)套管鞋的擾動(dòng)掏蝕，需要對(duì)套管進(jìn)行預(yù)壓處理，確保套管鞋與外部環(huán)狀間隙的密封性，同時(shí)對(duì)孔口周邊環(huán)狀間隙進(jìn)行填充壓實(shí)處理，隨后下入?165 mm潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn)，在下入潛孔錘鉆具過(guò)程中要充分考慮地下水位和孔底沉渣影響，避免鉆具下入過(guò)快過(guò)深，空壓機(jī)停風(fēng)過(guò)早，造成孔內(nèi)沉渣反吸、潛孔錘堵塞的孔內(nèi)事故。

鉆至終孔時(shí)，將鉆具提離孔底1 m左右，關(guān)閉空氣開關(guān)，靜候幾分鐘，利于裂隙水充分下滲孔底，借助水的作用沉淀分解孔壁巖屑，考慮到千枚巖地層穩(wěn)定性較差，應(yīng)輕微開啟空氣開關(guān)，以低-中壓氣流托舉孔內(nèi)積水和巖屑，達(dá)到預(yù)洗井目的。

5.2.3 完井工藝

千枚巖地區(qū)地下水普遍賦存于強(qiáng)-半風(fēng)化地層，含水層厚度大，水量多，因此段地層不穩(wěn)定，在泥漿循環(huán)擴(kuò)孔鉆進(jìn)后已被套管隔離或部分隔離，為爭(zhēng)取水井最大出水量，減小云母含量和渾濁度，在濾管設(shè)計(jì)上使頂部濾管位于半風(fēng)化層內(nèi)，同時(shí)準(zhǔn)備2種規(guī)格濾料。在設(shè)計(jì)井管下置完成后，進(jìn)行投濾作業(yè)，先投入?3～4 mm粒徑濾料，直到濾料層達(dá)到套管鞋位置，再投入?1～2 mm濾料，入套管段1～2 m（勿投入過(guò)多，以免影響套管起拔），此時(shí)迅速起拔所有工作套管，將鉆機(jī)水泵吸水管連接水罐車放水閥，將鉆機(jī)主動(dòng)鉆桿放入井管內(nèi)，利用編織袋纏繞，撥杠壓覆密封，開啟放水閥，啟動(dòng)水泵進(jìn)行孔內(nèi)換漿和動(dòng)水投濾，逐步投入?1～2 mm濾料，停泵復(fù)測(cè)濾料深度，補(bǔ)充至設(shè)計(jì)厚度5 m左右，投入水泥砂漿1 m左右，回填鉆探巖屑至井口4 m，投入水泥砂漿4m至孔口，保留井管距地面高度0.8 m，下入風(fēng)管進(jìn)行空氣洗井，完井施工結(jié)束。

5.3 石英砂巖地區(qū)

5.3.1 地層特點(diǎn)

加納北部塔馬里盆地，分布有石英砂巖、泥頁(yè)巖，地下水位埋藏深，以潛水形式賦存，補(bǔ)給條件差，單井出水量偏小，僅能滿足低出水量手壓泵安裝。此類地區(qū)成井率低，大約30%。表層為玄武質(zhì)粗面狀熔巖，厚薄不一（1～5 m），出露地表部分弱風(fēng)化、中間微風(fēng)化、底部強(qiáng)風(fēng)化-全風(fēng)化。其下依次為Q3老粘土，石英砂巖強(qiáng)風(fēng)化、半風(fēng)化和新鮮石英砂巖層，如圖5所示。其中，半風(fēng)化石英砂巖巖性剛脆，受應(yīng)力影響裂隙較為發(fā)育，為地下水貯存提供了良好條件。不同地區(qū)石英砂巖厚度不一，少則50～60 m，多者100～120 m，地下水類型多以潛水為主。

圖5 石英砂巖地區(qū)地層情況和井身結(jié)構(gòu)Fig.5 Lithology and the well structure in the quartzite sandstone

5.3.2 鉆完井工藝

（1）開孔：采用?250 mm潛孔錘開孔，安置孔口管，啟動(dòng)空壓機(jī)，連接鉆具，利用主動(dòng)鉆桿、潛孔錘自重及車載鉆機(jī)加壓裝置提高鉆進(jìn)效率。

（2）鉆進(jìn)：Q3老粘土為相對(duì)隔水層，厚度4～5 m，該層普遍失水呈硬塑狀，遇水膨脹，粘滯力強(qiáng)，潛孔錘鉆進(jìn)困難，多采用風(fēng)循環(huán)釬頭鉆進(jìn)。繼續(xù)鉆進(jìn)至強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖層，風(fēng)化程度高，但研磨性強(qiáng)，需更換?165 mm潛孔錘鉆進(jìn)，沉積巖地層普遍弱含水，地層穩(wěn)定性好，潛孔錘鉆進(jìn)進(jìn)尺快、效率高，并且多數(shù)鉆孔采用無(wú)套管鉆進(jìn)。缺點(diǎn)是鉆進(jìn)時(shí)粉塵大，需要采取適當(dāng)?shù)慕祲m處理措施。

此類地層鉆井工藝較簡(jiǎn)單，一套設(shè)備一天可完成2口井各120 m的鉆井任務(wù)，但成井率極低。在低水量水井鉆進(jìn)過(guò)程中一定要對(duì)孔內(nèi)含水層位置、出水量大小判斷準(zhǔn)確，石英砂巖粉塵遇水有一定的粘滯性，在潛孔錘上部孔壁極易粘附堆積形成環(huán)形泥環(huán)，影響鉆具提升，遇此情況，每進(jìn)尺20～30 cm，提升一次鉆具，讓潛孔錘脫離工作狀態(tài)，借助瞬間釋放的空氣壓力，將泥環(huán)破壞沖出井口。同時(shí)粉塵還會(huì)吸附和充填在孔壁上的微小含水裂隙，影響孔內(nèi)真實(shí)出水量測(cè)試，因此每完成一段進(jìn)尺，需向孔內(nèi)注入清水，一則借助水的作用分解孔壁泥環(huán)，二則利用高壓氣流托舉孔內(nèi)積水和巖屑對(duì)孔壁進(jìn)行強(qiáng)力沖刷，疏通含水裂隙。

若出水量滿足要求，下入井管，投濾封孔成井；若出水量接近成井標(biāo)準(zhǔn)，通常會(huì)做擴(kuò)徑處理或水力壓裂試驗(yàn)，盡可能提高出水量以滿足成井要求。若出水量過(guò)小，無(wú)法滿足成井要求，則作為干井進(jìn)行棄井處理。施工完成的水井井場(chǎng)如圖6所示。

圖6 施工完成的水井井場(chǎng)Fig.6 Completed water well pad

6 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于陌生地質(zhì)環(huán)境的水文水井施工，宜采用“先探后采”的方式進(jìn)行鉆井作業(yè)。對(duì)上覆不良和欠穩(wěn)定地層，利用小口徑鉆孔穩(wěn)定性優(yōu)的特點(diǎn)，摸清地層結(jié)構(gòu)和特性，采用不同的鉆井工藝進(jìn)行鉆進(jìn)和后期擴(kuò)孔處理。

（2）鉆探工作需要掌握基本的巖土力學(xué)知識(shí)，善于分析總結(jié)孔內(nèi)事故原因，針對(duì)不同地層力學(xué)性質(zhì)的差異，探索研究適宜的鉆井工藝，達(dá)到逐步提高工作效率、減小井內(nèi)事故的目的。

（3）在非洲地區(qū)材料緊缺、物質(zhì)匱乏、技術(shù)落后、加工能力薄弱的條件下，充分發(fā)揮自身聰明才智，集思廣益，創(chuàng)造性地開展水文水井鉆井施工工作。