地下水修复 地下水环境监测与场调之地下水监测井钻井方法

环境钻井方法的需求

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) G" q% k* |3 O钻井工艺是建造监测井的必备之一。钻井方法取决于特定的场地因素，包括场地的地质情况，预计的污染物类型，以及土样的类型。
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建造监测井前，需要对场地进行初步的调查，摸清土层分布情况，确认大致的污染物分布位置，从而选择合适的监测井安装点和井筛的安装深度位置。进行这项工作，需要使用钻探工具采集土壤的土芯、岩芯样品，对污染物做初步的筛查。这些数据为场地的长期地下水监测计划的制定，提供了依据。
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图1：钻孔
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1 E, `& ~/ i5 g图2：通过钻探设备采集的土芯、岩芯样品
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/ i# f8 e2 L4 s+ c% z0 v        环境监测井是用来获取具有代表性的地下水样品，因此其建造工艺不能使用对地下水物理性和化学性质造成改变的材料和手段。
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        钻井方法的分类主要体现在循环钻浆的使用。钻浆含有成分复杂的聚合物，并不适合环境钻探工作。一但进入地下水，将改变地下水的物理与化学性质，因此加大了洗井的难度与开销。有些钻井液使用压缩空气，这也会将一些机油带入至地下土层中，造成地下水化学特征的变化，需要额外小心。因此，一些不需要使用钻浆的钻探方法，为环境钻探工作的首选。
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2 x& c$ P9 W- {6 V% T        在任何现场遇到的土层主要分为三类，钻井方法可根据土层的地质构造来选择。半固结土层，主要是由火成岩和变质岩在风华作用下留下的富黏土土层。螺旋空心钻、螺旋实心钻、声波钻、直推式钻机和空气旋转钻适合该类土层中的钻井工作。固结土层包括了固体硬质岩层，该区域中的地下水沿着节理、裂隙流动。适合的钻井方法为空气旋转钻和声波钻。非固结土层主要包括了些含松散黏土成分的砂土以及石灰岩，适合的钻井方法包括了螺旋空心钻，声波钻和直推式钻机。
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图3a: 固结土层

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" J6 Q- p' ?& L; a0 @, H- y图3b: 非固结土层


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( i" g5 q) a9 M1 d1 C# {图3c: 半固结土层

4 E  Z! X' \0 h% m6 U7 F( A以下是几种常见环境钻井方法的介绍:
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1. 螺旋空心钻

) l3 K9 b) ]) d: B. ?) ~        空心螺旋钻属于最常见的钻井方法，空心钻杆在钻进过程中能获取连续的土壤土芯样品。该钻井方式不适用任何钻浆，适合在半固结和非固结土层中完成钻探做业。可以安装预装填的监测井，提高建井的效率。但螺旋空心钻会产生大量的钻渣需要处理。
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0 O  q- j- c' O9 S/ @图4：空心螺旋钻

* }6 o3 ~2 n6 P# y. r8 k" v- k2. 直推式钻机

4 @3 z( i4 J) u1 u        直推式钻机相对小巧，不适用任何钻浆，且基本不产生钻屑。取样过程对土芯样品的扰动极小。可以在半固结和非固结的土层中钻入深度达60米。直推式钻机在环境场地调查的应用十分广泛，可以配合各类取样设备和分析设备，获取土壤、气体和地下水样品，并可以在钻进过程中将分析设备推入土层中，分析水文地质、污染物分布等情况，以达到快速场地调查的效果。直推式钻机也可以安装预装滤料监测井。


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6 x5 Y' j# L+ k2 ]* E! l* D1 k图5：直推式钻机
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) N* r1 S; M( f3. 气动旋转钻

# c, R: x' u3 a" ?9 f; h) }4 W        该类钻机适合岩层区域的钻孔工作。钻孔过程中将高压空气通过钻头注入至钻孔中，当钻头转动时，将岩层磨成碎渣，压缩空气会将碎渣带到钻孔顶部并方便收集。
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图6：空气旋转钻机

4. 声波钻

8 g3 p  M  t* t, r- s3 w! z        钻探功能十分强大，利用高频振幅使所土层液化，对各类土层均有效，包括砾石和基岩。钻探深度可达100米或更深。声波钻可以采集到高质量的岩芯样本，对样本的扰动极小。钻探过程不需要任何钻液，并在钻探过程中能够携带多种探测装备，对水文地质和污染物的分布进行筛查。
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图6：声波钻
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$ G8 B7 Z2 T- o* C3 }        通过钻探对场地进行环境场地调查，可以参考ASTM D5730标准，以环境为目的的场地调查针对土层、岩层、包气带和地下水层。ASTM D6286标准，提供了钻井方法的选择指南。