钻探编录测试抽水试验

第四讲

钻探、编录、测试

及抽水试验中国有色水文地质中心主讲人：折书群电话探目的地下水具有埋藏性，通过钻探将影响地下水的诸多因素反映到地表，目的有三一是通过钻孔编录、测试、抽水试验等手段，查明不同地段不同层位含水层富水性、透水性及其空间分布特征；二是建立地下水动态观测系统，研究地下水t天然流场空间分布及其动态变化规律；三是为大流量大降深抽水试验做基础，给地下水以强烈震动，充分揭示影响地下水的诸多因素之间动态变化关系。钻孔分观测孔和抽水孔两种，钻探分小口径钻探和大口径钻探。两类钻孔布置原则各不相同。钻孔布置原则大口径水文地质钻探施工抽水孔，目的是大流量抽水，因此应布在主要充水含水层的富水段或强迳流带上。抽水孔位置的确定是水文地质勘探的关键，需要在以往地质资料综合分析、物探工作的基础上，推测富水地段或强径流带，然后先施工侦探孔兼管外观测孔，确定抽水孔孔位，再施工抽水孔。一方面避免盲目性，另一方面管外孔消除水跃值影响。水文地质钻探一般在地面测绘和物探的基础上进行布置，地面测绘与物探工作未结束之前，原则上不得进行全面钻探施工。钻孔布置原则小口径水文地质钻探施工观测孔布置原则：1、围绕抽水孔展开，形成群孔抽水试验完善的观测系统，控制开采后流场变化，特别是进水通道地段。2、通过以往资料研究，研究天然状态下和开采状态下地下水运动规律，构思水文地质模型，确立勘探指导思想，有的放矢，根据模型特点建立符合模型特点的观测系统：平面观测网络？三维空间观测系统？3、尽量构成剖面线，各个水文地质剖面线能够控制地下水天然流场的补给、径流、排泄各个地段，组合起来能够刻画地下含水系统的空间分布特征；4、尽可能利用地质勘探孔、地下水天然或人工露头作为观测孔(点)，补充布置观测孔，减少钻探工作量。松散层地区勘探线布置基岩地区勘探孔布置水文地质模型构建Q强风化带弱风化带破碎带预留隔水顶板相对隔水层相对隔水层抽水孔管外观测孔构建水文地质模型特点，要求建立三维观测系统。平面控制范围350km2，垂向控制4个层位：第四系浅层水自由面、第四系底部水头、弱风化带裂隙水头、深部构造裂隙水头，第四系浅层水自由面利用民井，不再设计钻孔；基岩浅孔观测第四系底部水头和弱风化带水头，基岩深孔观测弱风化带水头和深部构造裂隙水头

本次设计钻孔45个孔,水文地质孔兼工程地质孔28个，外围基岩观测孔6个，抽水大孔4个，第四系底部观测孔7个，累计12770m。

1）风化带与预留顶板研究钻孔14个，孔深220-250m。

2)基岩深部水文地质工程地质研究6个,孔深450-490m。

3）断层研究4个孔组，大抽水孔4个，孔深450m，侦察孔4个，孔深500m，第四系深部观测孔7个，孔深110m。多孔抽水试验观测孔4个，孔深250m。

4）外围基岩水位观测孔6个，孔深180m。220m490mKlowezi矿区Sicomines矿区KOLWEZI铜钴矿山为已采矿山，1963年停采后，长期蓄水成为巨大积水坑东西长约1000米、南北宽约500米、深70多米集水量巨大，约900万立方米，水位标高为1400m左右，年变幅1.3m左右矿区未做过水文地质工程地质勘探。

K矿罗安群孔德龙古群孔德龙古群RSC强含水层SDS弱含水层CMN强含水层CMN强含水层SDS弱含水层CMN强含水层CMN强含水层SDS弱含水层一期水文地质设计工程量Q01—Q08通过河流断面抽水试验，查明地下水地表水水力联系，设计两个河流断面，8个浅孔，160m在东、西、南、北垂直于露天边坡境界线设计4条工程地质剖面，每条剖面设计3个工程地质孔兼水文地质观测孔通过多孔分段抽水试验查明上下部含水层组间的水力联系程度，获得确切的水文地质参数——为此，在矿区的东、南、西、北各布置一个抽水孔、一个浅部管外观测孔，深部管外观测孔兼侦探孔由工程地质孔兼。这样每组多孔抽水试验抽水孔一个，分段抽水，管外观测孔一深一浅各1个，观测孔一深一浅各1个。工程地质剖面和多孔抽水试验供设计20个钻孔，其中大口径钻孔4个CK01GZ01GK08CK02GZ02GK02CK03GZ03GK05CK04GZ04ZK-7001GK01GK03GK04GK06GK07GK09ZK-5001ZK-6001G05G04G06G16G07G08G09G11G12G14G15G02G01G03通过多点式单孔抽水试验了解上部含水层组不同地段的透水性和富水性，并建立地下水观测系统——矿床外围，施工专门水文地质孔16个，Zk3001Zk-5002Zk-3501Zk-6003G13Zk710Zk-3002Zk-1001Zk3503Zk6502在矿床附近，利用地质孔10个兼做水文地质工程地质孔，上述钻孔均进行单孔抽水试验，G10Zk-1002水文地质工程地质钻探共设计54个，其中大口径钻孔4个，工程孔12个专门水文孔28个（10m浅孔8个），利用地质孔10个，钻探工作流程1、钻探技术交底：钻孔类型、预想柱状图、冲洗液、取样、采取率、测试、下管、填砾、洗井、抽水试验、封孔等2、开孔前准备工作：检查机座水平、校立轴、测机高、测量立轴长度后，下达开孔通知书3、钻孔施工过程：检查班报表、岩心采取率、简易水文观测、岩心编录、岩心拍照4、钻孔测试：当岩层破碎，下管前进行物探测井、波速试验、井下电视测试等工作5、下管：根据编录、测试结果，确定含水层，滤水管、井壁管排序，下达下管通知书钻探工作流程6、岩土采集：原状土样采用专用108取样器采取，采样后填样品标签和送样单，及时送检7、终孔验收：达到设计层位和深度后，经技术负责人批准，下达终孔通知书校正孔深、测量孔斜，8、缩减样，岩心入库8、洗井：冲孔换浆、活塞洗井、抽水洗井，做好洗井记录，以便及时检查洗井效果。9、试抽水：根据试抽水资料，决定稳定流抽水还是非稳定流抽水？抽水强度？降深次数等10、静止水位观测：基本恢复稳定，11、抽水试验：观测资料及时整理、分析12、封孔钻探技术管理文件钻孔施工通知书简易水文地质观测与编录钻孔地质分层记录表物探测井通知书测井岩性分层表孔深校正孔斜测量记录表钻孔岩心缩减样记录表终孔通知书钻孔柱状图钻孔下管通知书抽水试验安装结构及施工技术要求洗孔效果检查记录表洗孔恢复水位观测记录表试验抽水观测记录试验抽水恢复记录抽水前静止水位观测记录抽水试验观测记录抽水试验恢复水位观测记录生产井安装结构图钻孔施工小结水文地质钻孔质量验收单容易忽视的环节钻孔简易水文地质观测人们往往重视岩芯描述，而忽视钻进过程中水文地质现象的观测，钻进过程中涌（漏）水、掉快、塌孔、缩（扩）径、逸气、涌砂、掉钻、冲洗液消耗等现象的及时准确记录对含水层的划分、富水段的判定意义更大，如自流井涌水量的观测相当于一个降程的单孔抽水试验，特别是，随着钻探深度增大涌水量的变化曲线对于划分含水层意义重大。洗孔效果检查记录及恢复记录洗井效果直接关系到抽水试验成败，以往无洗井效果检查，不能有效进行机台管理。曾经有洗井不彻底，匆忙进行抽水试验，越抽水位越涨。试验抽水的意义及必要性指导正式抽水试验的设计，如抽水强度、稳定流抽水还是非稳定流抽水、降深次数的选择、排水渠道的防渗可靠性等，抽水试验资料野外及时整理抽水试验资料在野外现场必须及时整理，目的是了解抽水试验有无反常情况，及时处理。容易忽视的环节稳定流抽水试验资料整理现场绘制Q、S——t曲线、Q=f(s)关系曲线、q=f(s)关系曲线目的：了解试验进行情况，有无反常现象：1、承压水2、潜水3、水源不足4、水泵与过滤器位置、洗井？5、降深过大sQⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅤⅣⅡⅢ非稳定流抽水试验资料整理观测孔主孔拐点计算导水系数Ｔ、渗透系数K、水压传导系数a、储水系数μ、越流系数KeSmSi=Sm/2拐点时间位置ti斜率mi现场绘制S——t过程曲线、s——lgt关系曲线、目的：了解试验进行情况，有无反常现象，确定抽水延续时间：当曲线出现固定斜率的渐近线时，延续一个对数周期；若有越流补给，经过拐点后趋于水平。钻孔测试水文物探测井井下电视成像钻孔波速试验钻孔地应力测试井下电视成像井下电视是一种能直观反映孔壁信息的探测方法，常见的有以普通光源和超声波为能源的电视测井，超声波能在较脏的或浑浊的井液中工作，比较常用。工作原理：利用反射波测量井壁岩体结构。测井时，声波探头在井中旋转，发射束状声波，经井壁反射后，反射波为声波探头接收，将声波信号转换为图像信息，直观表现形式为井壁一周按N-E-S-W-N方向的展开图。图像解译方法当岩石的岩性变化时，图像上以明暗亮度的变化显示；结构面在柱状图上以原状显示，在展开图上以黑色（暗色）线条显示，规则的结构面展开呈正弦线形态，经描绘后软件可自动计算出其产状；空洞以黑色面状区域显示，如果空洞规模较大，传播时间将无限长，接受振幅为零；破碎、溶蚀等可直观看出。井下电视成像通过井下360°的声波真彩扫描，获得孔壁影像图，提取原状岩体结构特征，具体内容包括：定性评价岩体完整程度、确定破碎带（节理密集型破碎带、断层破碎带）深度、发育程度及其产状；确定节理裂隙的产状、发育密度、隙宽，分析出不同深度段节理裂隙的优势产状；定性评价岩溶发育程度，包括空洞发育深度及规模、溶蚀段的水蚀强度等；确定明显层位的岩性界线，同时可圈定出软弱层层位。井下电视成像利用反射波测量井壁岩体结构，获取岩层产状、节理裂隙结构面产状，获取地层产状获取裂隙产状小破碎带1-1’北剖面岩层节理裂隙极点图

1-1’北剖面岩层节理裂隙等密度图井下电视成像应用常规钻探辅助钻孔电视成像，可代替定向钻探，获取结构面产状，在缺少地表露头的地区尤为重要。岩体有岩块和结构面构成，是工程地质评价主要对象。通过结构面产状数理统计分析，确定不同地段优势结构面、不利结构面和软弱层，分析岩体变形机理和破坏模式：转动型滑坡？平面型滑坡？折面型滑坡？通过大量的结构面产状统计分析资料，采用赤平投影方法评价岩质边坡稳定性。声波测井声波测井是以声波在岩石中传播的速度、岩石对声波能量的吸收以及岩石对声波的折射和反射等性质为基础，来评价地层，划分岩性，判断软硬岩的工程性质等等。可分为声速测井和声幅测井。通常的声速测井只利用纵波首波的速度信息，而声波全波列测井则是记录声波的整个波列，它不仅可以获得纵波的速度和幅度信息，还可以得到波列中的其他波成分，如伪瑞利波和斯通力波等。因此，可以为勘探和开发提供更多的信息。裸眼中声波全波列成分

裸眼中接受换能器可以接受到声波全波列的成分，包括有滑行纵波、滑行横波、伪瑞利波和斯通力波等。如图所示：

滑行纵波具有传播速度快，幅度小的特点，是波列中的首波。滑行横波是波列中的第二个波，其速度小于滑行纵波，但幅度大于滑行纵波。伪瑞利波是以大于第一临界角入射到井壁上，并在井壁界面上多次散射所形成的高频率散射的表面波。它有截止频率，其截至频率的相速度接近地层的横波速度，所以它紧跟滑行横波之后到达（且与滑行横波续至部分重叠，其速度明显大于滑行横波。最后到达的是斯通利波，它是发射与接收换能器间经井内钻井液直接传播而又受到井壁地层传播的滑行横波制导的一种管波），它的速度低于井内钻井液介质的纵波速度，其幅度明显大于波列其他成分的幅度。纵波：声波在介质中传播，传播方向和质点振动方向一致的称为纵波，所以纵波为压缩波。

横波：声波在介质中传播，传播方向与质点振动方向相互垂直的波称为横波，所以横波为剪切波。

纵波和横波的传播速度与物质的杨氏弹性模量，泊松比及介质密度分别有下列关系：式中：Vp—纵波速度Vs—横波速度所以在同一介质中，纵横波的速度比为：若δ=0.25，则钻孔波速测试由于研究最先到达的声波最为方便，所以声速测井首先研究纵波的传播规律。由声速的两个公式知道，岩石的纵波速度随弹性的增大而增加，杨氏弹性模量同样增大，所以随密度增加速度是增大的。对沉积岩来说，声速度除了与岩石弹性特性有关外，还与下列地质因素有关：岩性不同，弹性系数和密度就不同，声波的速度就不同。岩石的结构，胶结状况，孔隙度的大小不同，声波速度也不同。地层时代的新老不同，声速也不同。探头接收原理图形显示声波全波列探头示意图以声波在岩石中传播的速度、岩石对声波能量的吸收以及岩石对声波的折射和反射等性质为基础，来评价地层，划分岩性，判断软硬岩的工程性质等GK02号孔，波速采集图像软岩GK02号孔，波速采集图像硬岩声波测井图象解译钻孔波速测试通过钻孔波速测试，获取岩石物理力学参数，如动弹性模量，动剪变模量和动泊松比。动弹性模量(Ed)：在一定周期动荷载作用力下，动应力与动应变之比。动剪切模量(Gd)：在一定周期动荷载作用力下，剪应力与剪应变之比。动泊松比(μd)：在一定周期动荷载作用力下，横向应变与纵向应变之比。岩层地质时代层顶深度

（米）层底深度

（米）纵波值

Vp

（米/秒）横波值

Vs

（米/秒）岩体质量密度ρ

（t/m3）动弹性模量Ed

（kPa）动剪切模量Gd

（kPa）动泊松比νd岩性强弱粉砂RGS83.0092.0015216952.15284146210385040.36806软弱泥质粉砂岩RGS92.0096.3615056972.15284827410444890.36348软弱硅化白云岩CMN96.3699.0015037042.50336887812390400.35947较软弱、破碎泥质砂岩CMN99.00107.3615427761.90304437911441340.33043较软弱、较完整白云质砂岩CMN107.36119.1115917472.00303246211160180.35861软弱硅化白云岩CMN120.26144.31328316932.551927897273089350.31886较坚硬，较完整白云质页岩SDS182.00215.90175110242.25585162123592960.24012较坚硬，较完整硅化白云岩SDB229.00232.3716129432.10463075518674230.23988较坚硬，破碎钻孔波速测试这些岩石物理力学参数能比较准确地反映了矿区岩土体动力特性。在矿区工程地质问题研究中对露采边坡稳定评价、顶底板稳定性评价，这些参数非常重要，必不可少。进行岩体动力效应分析时，运用这些动力参数，能够准确而又有效模拟边坡或顶底板在地震等动力作用下，岩体应力应变变化情况，非常直观反映弹性变形区、拉破坏区及剪切破坏区。钻孔地应力测试通过钻孔地应力测试查明岩体应力的大小、方向及其分布规律，对地应力的大小、方向与岩体结构、埋深及区域构造应力场的相互关系作出了分析，目的：为