水文水井钻探技术现状及钻探新技术的应用
1张金昌孟庆鸿
（中国地质科学院勘探技术研究所 河北廊坊 065000）
摘要：本文对我国目前水文水井钻探技术现状进行了分析，对优质高效钻探新技术进行了综述，特别是多
工艺空气钻探技术、多介质反循环钻探技术、绳索取心钻探技术、液动锤钻探技术、受控定向分枝孔钻探
技术等，并对其应用情况进行了归纳总结，分析展望了上述新技术在地下水勘查与开发中广阔的应用前景。
关键词： 水文水井 空气钻探 反循环钻探 液动锤 定向分枝孔
我国人均水资源量仅为世界平均水平的 1/4。目前，全国660 多个建制市中，有330 个
不同程度的缺水，其中严重缺水的108 个，32 个百万人口以上的大城市中，有30 个长期受
缺水的困扰。可见，我国是水资源贫乏的国家，不仅在许多地区已成为经济发展的“瓶颈”，
而且成为直接威胁人类生存的大问题。因此，合理勘探开发地下水资源具有十分重要的经济
意义和深远的社会意义。
1 水文水井钻探技术的现状
水文地质钻探是勘探开发地下水的一个重要技术手段，其任务就是在地面水文地质调查
的基础上，进一步查明地下水的埋藏条件、运动规律和含水层的水质、水量以及水温等水文
地质规律，为合理的开发利用、保护或补给地下水提供所需的资料。
建国以来，我国的水文水井钻探技术经历了50 多年的发展，有了长足的进步，现从工
艺与设备两个方面对其发展现状作一简要分析。
1.1 钻探工艺
水文水井钻探工艺技术经历了无循环静液柱护壁钢丝绳冲击钻进、清水或普通泥浆正
循环回转钻进、低固相优质泥浆正循环回转钻进、泵吸反循环和气举反循环回转钻进、多工
艺空气钻进以及多介质反循环钻进等阶段。目前我国水文水井钻探工艺呈现如下特点。
1.1.1 循环介质
水基、气基介质并存，可共选择余地大。对水源比较充足地区以水基介质为主，对干
旱缺水地区则以气基介质为主。根据勘探区不同地层条件可共选择的主要介质如下：
水基钻井液：清水，普通泥浆，加重泥浆，无固相泥浆，饱和盐水，各种乳胶液以及
润滑钻井液等。
气基钻井液：空气（压缩空气），雾状气（气水混合），稳定泡沫，胶质泡沫及充气泥
浆（泡沫泥浆）等。
作者简介：张金昌，男(1959-)，硕士，中国地质科学院勘探技术研究所副所长，教授级高工，探矿工程专
业，从事水文水井钻探设备与工艺的研究及科技管理工作；

冲洗液在孔内循环方式有三种：正循环钻进，反循环钻进（气举、双壁管），正反循环
（混合）钻进等。
1.1.2 碎岩方法及碎岩工具
碎岩方法经历了钢丝绳冲击钻进，钻粒、硬质合金回转钻进、牙轮钻头回转钻进到球
齿钻头气动或液动冲击回转钻进等。目前，冲击钻进、回转取心钻进、回转全面钻进、冲击
回转钻进等钻进方法都有应用。在卵砾石地层水井钻凿工程中，钢丝绳冲击钻进仍是一种有
效的方法。而在水文地质普查孔、水文地质勘探孔钻探过程中多用回转取心钻进和冲击回转
钻进方法。在探采结合孔和水井钻探过程中多用回转全面钻进、冲击回转钻进方法。
1.2 钻探设备
早期的水文水井钻探设备多借用岩心钻探设备，由于钻进能力不能满足要求，一般采
用小口径钻进取心（样），大口径分级扩孔成井方法。水井钻探多采用钢丝绳冲击钻进，静
水压护壁，捞砂筒排渣的工艺方法。目前使用的水文水井钻探设备多为专用设备。常用的钻
机除了20 世纪50~70 年代研制的DPP-100 型、SPJ-300 型、SPJT-300 型、SPS-400 型SPS-600
型和红星-400 型外，多采用新型车装SPC 系列钻机（钻深100-600m）、散装TSJ 系列钻机
（钻深600-2000m）。20 世纪80~90 年代研制的SDY-600 型、FD-300 型全液压动力头车装
钻机对提高我国的水文水井勘探技术水平及钻探新工艺的推广应用起到了极大的推动作用。
除此之外有关部门还引进了美国的T4W、T3W，德国的B3A，法国的R28 等型号的车装全
液压水文水井钻机。据不xx统计上述钻机中应用最多的机型是SPJ-300、SPC-300 和
TSJ-1000 型。“九五”期间，由勘探所与济南探矿厂联合开发成功SJ-1500 型、SJ-2000 型转
盘水井钻机，其{zd0}特点是主卷扬机配备有水刹车及油马达平衡给进系统，适于钻进
1500-2000m的水文地质孔和800-1500m的水井及地热井。张家口探矿厂研制成功了SPS2000
型水井钻机，用于1500m 深层地下水及浅层地热的开采。
钻探用泥浆泵主要有：衡阳探矿机械厂生产的BW 系列、石家庄煤探机械厂生产的TBW
系列。为了适合深孔泡沫钻进的需要，吉林大学研制成功了BWZ-250、BWZ-1100 型水泵
泡沫增压装置；为了满足深孔气举反循环钻进的需要，勘探所与蚌埠空压机总厂联合研制成
功了WF-5/60C 型压缩机，可满足3000m 以内的气举反循环钻进的需要。
1.3 成井管材
过去多用水泥管、铸铁管和厚钢管，这些管材笨重、易腐蚀、易结垢，影响水井寿命。
现在常用塑料管、桥式镀锌滤水管、贴砾滤水管、玻璃钢管代替。
2、钻探新技术的应用概况
在西部大开发、国土资源地质大调查中，党中央及国土资源部已把水资源的勘查与开发列为重中之重。全国地下水资源调查评价是地质大调查中的一项重要工作内容，要想按时按
质的完成任务和达到预定的目标，除采用先进的地质理论和地质技术外，还必须采用先进的
取心取样钻探新技术。若采用常规的钻探技术进行施工，有很多地区存在着不少技术难题，
如勘探速度慢、效率低、成本高；孔内卡、埋钻事故频繁；易堵塞生产层裂隙、泥皮粘糊孔
壁等；缺水地区还存在着大量的生产用水难以解决，不可避免的影响对水资源的勘查与评价。
这一系列因素，要求我们改变原有的观念，进行技术革新，选择适合一定地区的、先进的钻
探技术，提高钻探效率、降低成本、保质保量的完成任务，从而带动钻探新技术的推广应用。
“六五”～“八五”期间，钻探技术进步显著，以绳索取心为主体的金刚石钻探技术
有了很大发展，带动了钻探技术工艺方法和技术装备等全面变革，受控定向钻探技术已经达
到了国际先进水平，冲击回转钻探技术成为拥有我国自主知识产权的一项特色技术，达到国
际先进水平；多工艺空气钻探技术和反循环钻探技术趋于成熟；钻探机械和仪器发展了适应
多工艺方法的系列产品，技术装备基本成龙配套，在地质勘查中发挥了积极作用。
2.1 多工艺空气钻探技术
空气钻进是指用压缩空气或含有压缩空气的气液混合物作为钻进时的循环冲洗介质，或
者既用其作为破岩机具的动力，又兼作冲洗介质的一种钻进工艺方法。近几年来发展很快，
技术成熟，逐渐形成包括循环介质、循环方式、碎岩方法和应用领域的多工艺空气钻进技术
体系。
其主要特点如下：低密度介质有利于提高碎岩速度；能有效冷却钻头、xx岩屑和快速
判层；能在不稳定地层中保护孔壁和少污染环境；有利于保护含水层和低压油气层并提高产
出率；特别有利于在干旱缺水地区和严寒、冻结层施工；亦利于忌用液体循环的抗滑锚固孔
和露天矿爆破孔施工；空气潜孔锤钻进能大幅度提高硬岩钻孔速度；气举反循环钻进能实现
2～3m 以上大直径井孔和超过2000m 深井施工。
多工艺空气钻探被视为当今应用最广和最有发展前景的钻探技术之一，通过“七五”、
“八五”期间的攻关研究与完善，已形成较为成熟的现代快速综合钻探技术，“多工艺空气
钻探技术推广应用”已被国家科委遴选编入“国家科技成果重点推广计划项目创产值超亿元
100 例”。勘探所结合各领域不同用途、各地区不同地质条件等进行了多工艺空气钻探技术
研究与开发，以及在实践中不断的完善，先后开发了SHB114/70、127/7 0 、140/100、CSR73/33、
CSR73/39 等多种双壁钻具与配套器具。还开发了多种型号的钻机，如SPC 系列水井钻机、
全液压动力头式FD-300 型钻机等，及可用于复杂地层的ADF 型系列泡沫剂等。
多工艺空气钻进技术的应用，成功解决了长期存在的若干技术难题，如干旱缺水地区、
永冻层及漏失层钻探施工；用其它循环介质无法保证安全钻进的地区施工；用其他钻探方法
无法保证钻探质量的地区施工；用其他钻探方法在若干岩层钻进效率甚低等。
该技术的推广应用，大大提高了水文水井钻进速度与成井质量，用空气潜孔锤和气举
反循环钻进比常规回转钻进一般可成倍乃至十几倍提高钻进速度；已产生了巨大的经济效益和社会效益，据不完成统计，多工艺空气钻进自推广以来，完成钻进工作量130 余万米，仅
20 个单位至1998 年的统计，累计创产值6.4 亿余元，新增利税0.9 亿元；已为我国晋北、
豫西、陕甘宁和内蒙古、广西岩溶地区、京郊山区等，打了许多丰产井，解决了数以百万计
的人畜与生产用水困难，为扶贫致富发挥了重要作用。
2.2 多介质反循环钻探技术
所谓反循环钻进就是指钻探过程中循环介质同常规钻探方法的循环方向相反，反循环钻
进一般采用双壁钻具，循环介质主要分为压缩空气和液体两种。钻进过程中，循环介质经过
双壁气水龙头、双壁主动钻杆、双壁钻杆内外管环隙到达孔底，驱动孔底破岩器具破碎岩石，
并携带岩心及岩屑经钻杆的中心通道到达地表的岩心或岩样的收集装置。
由于反循环钻进具有独特的双壁钻具结构，无需提出孔内钻具就能获取所需的地质样
品，决定了该方法具有如下优点：时间利用率高，钻进效率高，劳动强度低，洗井效果好；
孔底清洁，钻头寿命长，实现了钻进、取样同时进行，达到了优质、高效的目的。
根据循环介质的不同，反循环钻探技术主要分为空气反循环和水力反循环。