凿井是开采地下水的主要手段之一。清咸丰十年(1860年),英商在黄浦江畔旗昌洋行开凿第一口井(深76.8米),至民国初年,开掘深井已有150多处。但凿井设备和技术落后,除了少量日本人的凿井队伍采用蒸汽机为动力外,国人大多采用古代打自流井的机具凿井,劳动强度大,但成本低。后改用铁管作钻杆回转钻进,人力推动钻杆旋转,用人力卷扬机提升钻具,泥浆泵循环泥浆。直到抗日战争胜利后,才有少数凿井队使用电动卷扬机提升钻具,使用发动机带动转盘钻进。洗井使用单缸空压机。1956年,公私合营后成立的上海市凿井公司,开始制造250型转盘钻机,凿井才开始摆脱“人推磨”的现象。60年代后期,上海探矿机械厂、建工部郑州钻探机械厂,先后设计制造了SPJ-300型钻机和红星300、红星400型转盘钻机,并制造了与上述钻机配套的B-850型和“红星号”泥浆泵,凿井工程基本上实现了机械化。 大口径松散层供水井50年代,开凿供水井按照苏联的规定,钻探、成孔中禁用泥浆。因此,在上海水文地质勘察中,面对巨厚的松散土层(300~400米),只能采用冲击、套管跟管钻进方法,这样做成本高、工期长,而且钻进和起拔套管难。当时,上海第一批5个勘探孔,均采用套管冲击钻进,费工费时,最深的1个孔仅拔套管就用了1年3个月。
1958年,上海勘察院开展在水文地质勘探中应用泥浆钻探的研究。内容包括钻进方法,合理的泥浆指标,成井
工艺,特别是洗井方法,以消除采用泥浆后,对测定水文地质参数的影响,以及采用套管护壁与泥浆护壁取得的水文地质参数的对比。研究成果表明,在上海地区采用大口径回转泥浆钻进是较为适宜的,完成300~400米的井,比其他钻进方法速度快、成本低。只要遵循研究成果所规定的成孔、成井工艺,泥浆钻探可以用于水文地质勘探,所测得的各项水文地质参数与不使用泥浆钻进所测得的参数一致。70年代后期,太仓自来水厂凿井数口(地层与上海一致),坚持按规定的成孔、成井工艺施工的井,单井出水量都在2000立方米/日以上,其中1口井没有按规定的成孔、成井工艺施工,井过滤器为泥浆堵死,抽水数月,水量每天仅几十立方米,相差一百倍。上海地区数百口井中,凡坚持按成孔、成井工艺施工的单井水量大,水位下降小。否则不是井的出水量小,就是水的含砂量大,给使用带来困难,甚至影响环境。总结出的下列成井工艺流程为提高凿井质量积累了经验:终孔后需进行修孔,用钻进的钻头,自上而下扫孔,修正孔壁,括去泥皮,测定孔径、孔斜。修孔达到孔底后,要冲孔并调整泥浆比重和含砂量,使井内泥浆上下均匀,不含泥块,含水量达到
规范要求。在下过滤器前,应先将过滤器在地面配好并编号、按序下入孔内。过滤上口密封后,从过滤器外逐步稀释泥浆到比重1.05左右。按设计填入规定粒径的填砾。填砾上部用粘土球止水,然后用粘性土填到地面,将孔封闭以免地表污水流入。化学、物理洗井,用活塞与空压机反复洗井。洗井结束后,处理沉淀砂,抽水试验,取水样,测水的含砂量后下泵验交。
在60年代研究成果的基础上,经长期实践又不断补充完善,改进了钻头,增设了保径圈,运用“钻具一次弯曲”理论控制钻压及合理泥浆指标的采用等。这项研究成果已为国内外的水文地质专家所接受,冲破了水文地质勘探中,不允许采用泥浆钻探的规定。
深井开采中,过滤器是重要的环节。1958年以前,上海深井过滤器的设计很落后,由于本地区含水层颗粒很细,为了防止砂粒进入井内,穿孔过滤器外面包棕皮,孔径比过滤器外径大50毫米左右,终孔后,过滤器下入孔内洗井即成井,由于抽水后,砂子嵌在棕皮的小孔内,最终井出水量越来越少,因而报废,井的使用寿命平均只有5.2年,最短的1.3年,最长的不超过7年。1958年,上海勘察院和建工部西安凿井公司上海工程处都采用砾石过滤,井的出水量大,动水位下降小,含砂量同样可以达到要求,井的使用寿命增加,在上海得到推广。这种砾石过滤器是由缠有梯形铜丝的穿孔管和外面填有50~100毫米厚、粒径为含水层颗粒平均直径6~12倍的小砾石组成,砾石起到阻止含水层中的砂粒进入井内,穿孔缠丝过滤器起到阻止填砾进入井内,使井四周地下水流入井内的水力环境大大改善。80年代后期,引进联邦德国设备制作的桥式过滤器,进一步代替了穿孔缠丝过滤器,使井的进水阻力进一步改善,过滤器成本也进一步降低。
大口径基岩供水井
在山区,尤其是在喀斯特发育的地区,在砂、砾岩的断层破碎带和在灰岩与火成岩的接触带找水,往往单井出水量很大,可达2000~10000立方米/日,小口径井是不能满足生产要求的。1962年,建工部给水排水设计院直属华东水文地质大队,自行设计、制造168~425毫米的大口径岩心钻具。1963年,在杭州饭店西湖古生代石灰岩中开凿了第一口大口径基岩井,最初采用硬质合金钢钻头钻井,效率低,小口径钻进用的钢砂(直径1.5~2毫米)粒径太小,大粒径(3~5毫米)钢砂当时市场上还没有供应,只能采用碎玻璃屑(3~5毫米)作研磨材料,后来基岩井开凿数量多了,就用白口铁加工3~5毫米的钢砂,钻进效率大大提高。70年代初,在山东莱芜电厂十几口井施工中,采用钢粒钻进,效率进一步提高。杭州饭店岩石井成井的关键之一,是封闭上部第四系的土层,不使井四周土层向井内流动,以免地面坍塌。
在杭州空军疗养院的凿井中,遇到溶洞中大量砂、石随抽水拥入井内,将井填塞。后采用下长岩粉管泥泵送清水清孔,捞出砂、石,然后根据砂、石的粒径设计过滤器,有的是骨架(不缠丝),有的穿孔缠丝(和松散砂层一样处理),把过滤器送到出泥砂的溶洞部位,抽水后,砂、石挤在过滤器外面,形成反滤层,又把过滤器挤住,再退出钻杆,复活了一口井。
在华东地区很多地方,喀斯特发育岩层埋藏浅,与第四系松散土层有直接联系,抽水后上覆土层中泥砂通过溶斗进入溶洞,流入井内,造成井四周地面塌陷,房屋裂缝。江苏宜兴三叠系青龙灰岩中,这种现象很普遍,当地地质部门称该含水层不可开采。上海勘察院接受驻宜兴部队营房凿井任务后,根据断层面倾斜方向的特点,把井布置在距断层一定的距离,取深部溶洞中的水,然后把上部浅层溶洞封闭,取得较好的效果。