鉆探編錄測試抽水試驗

第四講

鉆探、編錄、測試

及抽水試驗中國有色水文地質(zhì)中心主講人：折書群電話探目的地下水具有埋藏性，通過鉆探將影響地下水的諸多因素反映到地表，目的有三一是通過鉆孔編錄、測試、抽水試驗等手段，查明不同地段不同層位含水層富水性、透水性及其空間分布特征；二是建立地下水動態(tài)觀測系統(tǒng)，研究地下水t天然流場空間分布及其動態(tài)變化規(guī)律；三是為大流量大降深抽水試驗做基礎，給地下水以強烈震動，充分揭示影響地下水的諸多因素之間動態(tài)變化關系。鉆孔分觀測孔和抽水孔兩種，鉆探分小口徑鉆探和大口徑鉆探。兩類鉆孔布置原則各不相同。鉆孔布置原則大口徑水文地質(zhì)鉆探施工抽水孔，目的是大流量抽水，因此應布在主要充水含水層的富水段或強逕流帶上。抽水孔位置的確定是水文地質(zhì)勘探的關鍵，需要在以往地質(zhì)資料綜合分析、物探工作的基礎上，推測富水地段或強徑流帶，然后先施工偵探孔兼管外觀測孔，確定抽水孔孔位，再施工抽水孔。一方面避免盲目性，另一方面管外孔消除水躍值影響。水文地質(zhì)鉆探一般在地面測繪和物探的基礎上進行布置，地面測繪與物探工作未結(jié)束之前，原則上不得進行全面鉆探施工。鉆孔布置原則小口徑水文地質(zhì)鉆探施工觀測孔布置原則：1、圍繞抽水孔展開，形成群孔抽水試驗完善的觀測系統(tǒng)，控制開采后流場變化，特別是進水通道地段。2、通過以往資料研究，研究天然狀態(tài)下和開采狀態(tài)下地下水運動規(guī)律，構(gòu)思水文地質(zhì)模型，確立勘探指導思想，有的放矢，根據(jù)模型特點建立符合模型特點的觀測系統(tǒng)：平面觀測網(wǎng)絡？三維空間觀測系統(tǒng)？3、盡量構(gòu)成剖面線，各個水文地質(zhì)剖面線能夠控制地下水天然流場的補給、徑流、排泄各個地段，組合起來能夠刻畫地下含水系統(tǒng)的空間分布特征；4、盡可能利用地質(zhì)勘探孔、地下水天然或人工露頭作為觀測孔(點)，補充布置觀測孔，減少鉆探工作量。松散層地區(qū)勘探線布置基巖地區(qū)勘探孔布置水文地質(zhì)模型構(gòu)建Q強風化帶弱風化帶破碎帶預留隔水頂板相對隔水層相對隔水層抽水孔管外觀測孔構(gòu)建水文地質(zhì)模型特點，要求建立三維觀測系統(tǒng)。平面控制范圍350km2，垂向控制4個層位：第四系淺層水自由面、第四系底部水頭、弱風化帶裂隙水頭、深部構(gòu)造裂隙水頭，第四系淺層水自由面利用民井，不再設計鉆孔；基巖淺孔觀測第四系底部水頭和弱風化帶水頭，基巖深孔觀測弱風化帶水頭和深部構(gòu)造裂隙水頭

本次設計鉆孔45個孔,水文地質(zhì)孔兼工程地質(zhì)孔28個，外圍基巖觀測孔6個，抽水大孔4個，第四系底部觀測孔7個，累計12770m。

1）風化帶與預留頂板研究鉆孔14個，孔深220-250m。

2)基巖深部水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究6個,孔深450-490m。

3）斷層研究4個孔組，大抽水孔4個，孔深450m，偵察孔4個，孔深500m，第四系深部觀測孔7個，孔深110m。多孔抽水試驗觀測孔4個，孔深250m。

4）外圍基巖水位觀測孔6個，孔深180m。220m490mKlowezi礦區(qū)Sicomines礦區(qū)KOLWEZI銅鈷礦山為已采礦山，1963年停采后，長期蓄水成為巨大積水坑東西長約1000米、南北寬約500米、深70多米集水量巨大，約900萬立方米，水位標高為1400m左右，年變幅1.3m左右礦區(qū)未做過水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探。

K礦羅安群孔德龍古群孔德龍古群RSC強含水層SDS弱含水層CMN強含水層CMN強含水層SDS弱含水層CMN強含水層CMN強含水層SDS弱含水層一期水文地質(zhì)設計工程量Q01—Q08通過河流斷面抽水試驗，查明地下水地表水水力聯(lián)系，設計兩個河流斷面，8個淺孔，160m在東、西、南、北垂直于露天邊坡境界線設計4條工程地質(zhì)剖面，每條剖面設計3個工程地質(zhì)孔兼水文地質(zhì)觀測孔通過多孔分段抽水試驗查明上下部含水層組間的水力聯(lián)系程度，獲得確切的水文地質(zhì)參數(shù)——為此，在礦區(qū)的東、南、西、北各布置一個抽水孔、一個淺部管外觀測孔，深部管外觀測孔兼?zhèn)商娇子晒こ痰刭|(zhì)孔兼。這樣每組多孔抽水試驗抽水孔一個，分段抽水，管外觀測孔一深一淺各1個，觀測孔一深一淺各1個。工程地質(zhì)剖面和多孔抽水試驗供設計20個鉆孔，其中大口徑鉆孔4個CK01GZ01GK08CK02GZ02GK02CK03GZ03GK05CK04GZ04ZK-7001GK01GK03GK04GK06GK07GK09ZK-5001ZK-6001G05G04G06G16G07G08G09G11G12G14G15G02G01G03通過多點式單孔抽水試驗了解上部含水層組不同地段的透水性和富水性，并建立地下水觀測系統(tǒng)——礦床外圍，施工專門水文地質(zhì)孔16個，Zk3001Zk-5002Zk-3501Zk-6003G13Zk710Zk-3002Zk-1001Zk3503Zk6502在礦床附近，利用地質(zhì)孔10個兼做水文地質(zhì)工程地質(zhì)孔，上述鉆孔均進行單孔抽水試驗，G10Zk-1002水文地質(zhì)工程地質(zhì)鉆探共設計54個，其中大口徑鉆孔4個，工程孔12個專門水文孔28個（10m淺孔8個），利用地質(zhì)孔10個，鉆探工作流程1、鉆探技術交底：鉆孔類型、預想柱狀圖、沖洗液、取樣、采取率、測試、下管、填礫、洗井、抽水試驗、封孔等2、開孔前準備工作：檢查機座水平、校立軸、測機高、測量立軸長度后，下達開孔通知書3、鉆孔施工過程：檢查班報表、巖心采取率、簡易水文觀測、巖心編錄、巖心拍照4、鉆孔測試：當巖層破碎，下管前進行物探測井、波速試驗、井下電視測試等工作5、下管：根據(jù)編錄、測試結(jié)果，確定含水層，濾水管、井壁管排序，下達下管通知書鉆探工作流程6、巖土采集：原狀土樣采用專用108取樣器采取，采樣后填樣品標簽和送樣單，及時送檢7、終孔驗收：達到設計層位和深度后，經(jīng)技術負責人批準，下達終孔通知書校正孔深、測量孔斜，8、縮減樣，巖心入庫8、洗井：沖孔換漿、活塞洗井、抽水洗井，做好洗井記錄，以便及時檢查洗井效果。9、試抽水：根據(jù)試抽水資料，決定穩(wěn)定流抽水還是非穩(wěn)定流抽水？抽水強度？降深次數(shù)等10、靜止水位觀測：基本恢復穩(wěn)定，11、抽水試驗：觀測資料及時整理、分析12、封孔鉆探技術管理文件鉆孔施工通知書簡易水文地質(zhì)觀測與編錄鉆孔地質(zhì)分層記錄表物探測井通知書測井巖性分層表孔深校正孔斜測量記錄表鉆孔巖心縮減樣記錄表終孔通知書鉆孔柱狀圖鉆孔下管通知書抽水試驗安裝結(jié)構(gòu)及施工技術要求洗孔效果檢查記錄表洗孔恢復水位觀測記錄表試驗抽水觀測記錄試驗抽水恢復記錄抽水前靜止水位觀測記錄抽水試驗觀測記錄抽水試驗恢復水位觀測記錄生產(chǎn)井安裝結(jié)構(gòu)圖鉆孔施工小結(jié)水文地質(zhì)鉆孔質(zhì)量驗收單容易忽視的環(huán)節(jié)鉆孔簡易水文地質(zhì)觀測人們往往重視巖芯描述，而忽視鉆進過程中水文地質(zhì)現(xiàn)象的觀測，鉆進過程中涌（漏）水、掉快、塌孔、縮（擴）徑、逸氣、涌砂、掉鉆、沖洗液消耗等現(xiàn)象的及時準確記錄對含水層的劃分、富水段的判定意義更大，如自流井涌水量的觀測相當于一個降程的單孔抽水試驗，特別是，隨著鉆探深度增大涌水量的變化曲線對于劃分含水層意義重大。洗孔效果檢查記錄及恢復記錄洗井效果直接關系到抽水試驗成敗，以往無洗井效果檢查，不能有效進行機臺管理。曾經(jīng)有洗井不徹底，匆忙進行抽水試驗，越抽水位越漲。試驗抽水的意義及必要性指導正式抽水試驗的設計，如抽水強度、穩(wěn)定流抽水還是非穩(wěn)定流抽水、降深次數(shù)的選擇、排水渠道的防滲可靠性等，抽水試驗資料野外及時整理抽水試驗資料在野外現(xiàn)場必須及時整理，目的是了解抽水試驗有無反常情況，及時處理。容易忽視的環(huán)節(jié)穩(wěn)定流抽水試驗資料整理現(xiàn)場繪制Q、S——t曲線、Q=f(s)關系曲線、q=f(s)關系曲線目的：了解試驗進行情況，有無反?，F(xiàn)象：1、承壓水2、潛水3、水源不足4、水泵與過濾器位置、洗井？5、降深過大sQⅠⅡⅢⅣⅤⅠⅤⅣⅡⅢ非穩(wěn)定流抽水試驗資料整理觀測孔主孔拐點計算導水系數(shù)Ｔ、滲透系數(shù)K、水壓傳導系數(shù)a、儲水系數(shù)μ、越流系數(shù)KeSmSi=Sm/2拐點時間位置ti斜率mi現(xiàn)場繪制S——t過程曲線、s——lgt關系曲線、目的：了解試驗進行情況，有無反?，F(xiàn)象，確定抽水延續(xù)時間：當曲線出現(xiàn)固定斜率的漸近線時，延續(xù)一個對數(shù)周期；若有越流補給，經(jīng)過拐點后趨于水平。鉆孔測試水文物探測井井下電視成像鉆孔波速試驗鉆孔地應力測試井下電視成像井下電視是一種能直觀反映孔壁信息的探測方法，常見的有以普通光源和超聲波為能源的電視測井，超聲波能在較臟的或渾濁的井液中工作，比較常用。工作原理：利用反射波測量井壁巖體結(jié)構(gòu)。測井時，聲波探頭在井中旋轉(zhuǎn)，發(fā)射束狀聲波，經(jīng)井壁反射后，反射波為聲波探頭接收，將聲波信號轉(zhuǎn)換為圖像信息，直觀表現(xiàn)形式為井壁一周按N-E-S-W-N方向的展開圖。圖像解譯方法當巖石的巖性變化時，圖像上以明暗亮度的變化顯示；結(jié)構(gòu)面在柱狀圖上以原狀顯示，在展開圖上以黑色（暗色）線條顯示，規(guī)則的結(jié)構(gòu)面展開呈正弦線形態(tài)，經(jīng)描繪后軟件可自動計算出其產(chǎn)狀；空洞以黑色面狀區(qū)域顯示，如果空洞規(guī)模較大，傳播時間將無限長，接受振幅為零；破碎、溶蝕等可直觀看出。井下電視成像通過井下360°的聲波真彩掃描，獲得孔壁影像圖，提取原狀巖體結(jié)構(gòu)特征，具體內(nèi)容包括：定性評價巖體完整程度、確定破碎帶（節(jié)理密集型破碎帶、斷層破碎帶）深度、發(fā)育程度及其產(chǎn)狀；確定節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、發(fā)育密度、隙寬，分析出不同深度段節(jié)理裂隙的優(yōu)勢產(chǎn)狀；定性評價巖溶發(fā)育程度，包括空洞發(fā)育深度及規(guī)模、溶蝕段的水蝕強度等；確定明顯層位的巖性界線，同時可圈定出軟弱層層位。井下電視成像利用反射波測量井壁巖體結(jié)構(gòu)，獲取巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，獲取地層產(chǎn)狀獲取裂隙產(chǎn)狀小破碎帶1-1’北剖面巖層節(jié)理裂隙極點圖

1-1’北剖面巖層節(jié)理裂隙等密度圖井下電視成像應用常規(guī)鉆探輔助鉆孔電視成像，可代替定向鉆探，獲取結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，在缺少地表露頭的地區(qū)尤為重要。巖體有巖塊和結(jié)構(gòu)面構(gòu)成，是工程地質(zhì)評價主要對象。通過結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀數(shù)理統(tǒng)計分析，確定不同地段優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面、不利結(jié)構(gòu)面和軟弱層，分析巖體變形機理和破壞模式：轉(zhuǎn)動型滑坡？平面型滑坡？折面型滑坡？通過大量的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計分析資料，采用赤平投影方法評價巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。聲波測井聲波測井是以聲波在巖石中傳播的速度、巖石對聲波能量的吸收以及巖石對聲波的折射和反射等性質(zhì)為基礎，來評價地層，劃分巖性，判斷軟硬巖的工程性質(zhì)等等?？煞譃槁曀贉y井和聲幅測井。通常的聲速測井只利用縱波首波的速度信息，而聲波全波列測井則是記錄聲波的整個波列，它不僅可以獲得縱波的速度和幅度信息，還可以得到波列中的其他波成分，如偽瑞利波和斯通力波等。因此，可以為勘探和開發(fā)提供更多的信息。裸眼中聲波全波列成分

裸眼中接受換能器可以接受到聲波全波列的成分，包括有滑行縱波、滑行橫波、偽瑞利波和斯通力波等。如圖所示：

滑行縱波具有傳播速度快，幅度小的特點，是波列中的首波?；袡M波是波列中的第二個波，其速度小于滑行縱波，但幅度大于滑行縱波。偽瑞利波是以大于第一臨界角入射到井壁上，并在井壁界面上多次散射所形成的高頻率散射的表面波。它有截止頻率，其截至頻率的相速度接近地層的橫波速度，所以它緊跟滑行橫波之后到達（且與滑行橫波續(xù)至部分重疊，其速度明顯大于滑行橫波。最后到達的是斯通利波，它是發(fā)射與接收換能器間經(jīng)井內(nèi)鉆井液直接傳播而又受到井壁地層傳播的滑行橫波制導的一種管波），它的速度低于井內(nèi)鉆井液介質(zhì)的縱波速度，其幅度明顯大于波列其他成分的幅度?？v波：聲波在介質(zhì)中傳播，傳播方向和質(zhì)點振動方向一致的稱為縱波，所以縱波為壓縮波。

橫波：聲波在介質(zhì)中傳播，傳播方向與質(zhì)點振動方向相互垂直的波稱為橫波，所以橫波為剪切波。

縱波和橫波的傳播速度與物質(zhì)的楊氏彈性模量，泊松比及介質(zhì)密度分別有下列關系：式中：Vp—縱波速度Vs—橫波速度所以在同一介質(zhì)中，縱橫波的速度比為：若δ=0.25，則鉆孔波速測試由于研究最先到達的聲波最為方便，所以聲速測井首先研究縱波的傳播規(guī)律。由聲速的兩個公式知道，巖石的縱波速度隨彈性的增大而增加，楊氏彈性模量同樣增大，所以隨密度增加速度是增大的。對沉積巖來說，聲速度除了與巖石彈性特性有關外，還與下列地質(zhì)因素有關：巖性不同，彈性系數(shù)和密度就不同，聲波的速度就不同。巖石的結(jié)構(gòu)，膠結(jié)狀況，孔隙度的大小不同，聲波速度也不同。地層時代的新老不同，聲速也不同。探頭接收原理圖形顯示聲波全波列探頭示意圖以聲波在巖石中傳播的速度、巖石對聲波能量的吸收以及巖石對聲波的折射和反射等性質(zhì)為基礎，來評價地層，劃分巖性，判斷軟硬巖的工程性質(zhì)等GK02號孔，波速采集圖像軟巖GK02號孔，波速采集圖像硬巖聲波測井圖象解譯鉆孔波速測試通過鉆孔波速測試，獲取巖石物理力學參數(shù)，如動彈性模量，動剪變模量和動泊松比。動彈性模量(Ed)：在一定周期動荷載作用力下，動應力與動應變之比。動剪切模量(Gd)：在一定周期動荷載作用力下，剪應力與剪應變之比。動泊松比(μd)：在一定周期動荷載作用力下，橫向應變與縱向應變之比。巖層地質(zhì)時代層頂深度

（米）層底深度

（米）縱波值

Vp

（米/秒）橫波值

Vs

（米/秒）巖體質(zhì)量密度ρ

（t/m3）動彈性模量Ed

（kPa）動剪切模量Gd

（kPa）動泊松比νd巖性強弱粉砂RGS83.0092.0015216952.15284146210385040.36806軟弱泥質(zhì)粉砂巖RGS92.0096.3615056972.15284827410444890.36348軟弱硅化白云巖CMN96.3699.0015037042.50336887812390400.35947較軟弱、破碎泥質(zhì)砂巖CMN99.00107.3615427761.90304437911441340.33043較軟弱、較完整白云質(zhì)砂巖CMN107.36119.1115917472.00303246211160180.35861軟弱硅化白云巖CMN120.26144.31328316932.551927897273089350.31886較堅硬，較完整白云質(zhì)頁巖SDS182.00215.90175110242.25585162123592960.24012較堅硬，較完整硅化白云巖SDB229.00232.3716129432.10463075518674230.23988較堅硬，破碎鉆孔波速測試這些巖石物理力學參數(shù)能比較準確地反映了礦區(qū)巖土體動力特性。在礦區(qū)工程地質(zhì)問題研究中對露采邊坡穩(wěn)定評價、頂?shù)装宸€(wěn)定性評價，這些參數(shù)非常重要，必不可少。進行巖體動力效應分析時，運用這些動力參數(shù)，能夠準確而又有效模擬邊坡或頂?shù)装逶诘卣鸬葎恿ψ饔孟?，巖體應力應變變化情況，非常直觀反映彈性變形區(qū)、拉破壞區(qū)及剪切破壞區(qū)。鉆孔地應力測試通過鉆孔地應力測試查明巖體應力的大小、方向及其分布規(guī)律，對地應力的大小、方向與巖體結(jié)構(gòu)、埋深及區(qū)域構(gòu)造應力場的相互關系作出了分析，目的：為