水文地质及水井钻.ppt

1,第三章 水文地质及水井钻,第一节 概述第二节 水文地质和水井钻 钻孔（井）方法第三节 成井工艺,2,第一节 概述,一、水文地质和水井钻的特点二、水文地质和水井钻孔（井）身 结构要素的确定三、水文地质和水井钻孔（井）身 结构,3,为满足对水资源的日益增长的需求，勘探和开发地下水资源，合理地利用地下水资源是地质工作的长期的重要任务。在地下水资源的普查、勘探和开发工作中，钻探（井）工程是不可缺少的主要手段。为获得水文地质资料而进行的钻探工作，称为水文地质钻探。所形成的钻孔，称为水文地质孔，或称为水文地质勘探孔。为开发地下水而进行的钻井工作，称为水井钻，所形成的井简称为供水井。,4,一、水文地质和水井钻的特点1.口径和井深 水文地质勘探孔需要下入抽水设备，进行抽水试验，而供水井的出水量常在一定范围内随井径增大而增加，因此，直径都比较大。通常，勘探孔直径为130250 mm，供水井的直径小则仅300500 mm，大口径者可达12 m。当开发浅层含水层时，水井深度一般较小，通常为50200 m。利用深部裂隙水的水井，深度可达300500m。地热井的深度已达1000 2000 m。,5,2.钻进地层 水文地质和水井钻工作一般都在第四系地层进行，这些地层常是各类填土、粘土、砂层、卵砾石、块石、漂石等地层，这必然给钻探工作带来诸多的问题，如坍塌、缩径、扩径、漏失和难于采取岩心、样品等。当在基岩地层钻进时，也较多地会遇到裂隙、断裂带、破碎带和溶洞。在这些复杂地层中钻进时，事故多、效率低。,6,3.钻孔（井）结构由于要进行孔内试验等原因，钻孔（井）下套管层次多，钻孔直径大，止水工作要求高，从而使钻孔结构较复杂。4.钻进方法为适应地层复杂、孔（井）直径大等特点，水文地质和水井钻钻进方法发展很快。近年来，除采用正循环回转钻进、钢丝绳冲击钻进外，已逐步试验和推广了各种反循环钻进、多工艺空气钻进、潜孔锤钻进，以及反循环冲击钻进等新的钻进方法。,7,5.劳动强度由于水文地质和水井钻的钻孔（井）直径大且全面钻进多，产生的岩粉、岩屑多，设备、钻具笨重，钻孔（井）相对较浅，施工周期短，搬迁频繁等，使各方面的作业劳动强度加大。,8,二、水文地质和水井钻孔（井）身结构要素确定1.孔（井）深 水文地质和水井钻钻孔（井）的深度，是由水文地质勘探和开发地下水的目的层的埋藏深度来决定的。例如水文地质孔，拟查明的某含水层埋藏深度即为钻孔的钻进深度，这个深度是根据理想柱状图预推的，或由附近的钻孔资料推断而定，是概略的数值。精确的深度是通过钻进取得的岩心和样品而最后确定的。,9,对于多层含水层，则以最底下一层含水层的埋藏深度作为钻孔的深度。长期观测孔、探采结合孔和供水井，需要在过滤管以下安装沉砂管，以使随地下水进入管内的砂子沉淀在沉砂管内。沉砂管长度视地层具体情况而定，一般35 m即可；若地下水中含砂量大可适当加长沉砂管长度。如果含水层的底板岩层过于软弱，不能承受井管柱的压力，亦需适当加长沉砂管长度，以使其坐落在强度较大的地层上，若含水层较厚，也可安装在含水层中。,10,2.孔（井）径 孔（井）直径，包括开孔直径、中间变径、终孔直径几种。在设计孔（井）身结构时，首先要确定终孔直径。确定终孔直径必须根据以下因素进行。（1）岩心直径在水文地质勘探工作中，为获得水文地质资料，需要采取岩心进行分析、试验。为满足试验对岩心直径的要求，地质部门规定终孔直径不小于110mm，特殊情况下可使用直径91mm的钻头补采岩心。,11,（2）过滤管直径一般情况下，钻孔（井）的终孔直径应是过滤管的外径加上填砾层的厚度。不用填砾的含水层，选用与过滤管相应的钻头直径作为终孔直径。（3）抽水泵体的外径需将抽水水泵下入到井筒内进行抽水，在泵下入井段的直径一般应比泵体外径大两级。终孔直径确定后，根据地层情况及中间变径次数，可最后推算出开孔直径的大小。,12,三、水文地质和水井钻的孔（井）身结构1.水文地质孔的孔身结构 由于水文地质孔的终孔直径要求不小于110 mm（全孔取心、岩心采取率不低于75%），据此向上推：用127 mm套管作为必要的护孔套管（用l30 mm钻头钻进），孔口管用148 mm的套管（用150 mm的钻头开孔）；或选用再大级的套管作为孔口管，即168 mm的套管作孔口管（用174 mm钻头开孔），留一级备用孔径，遇特殊情况时，好再下一级套管。,13,14,2.水文地质勘探孔的孔身结构 水文地质勘探孔除满足钻探质量要求外，还需进行孔内试验，要求过滤管直径小于108 mm，根据不同的地层情况和对管外填砾的具体要求，钻孔结构可参考如图3-2所示的几种图例进行。其中(a)、(b)为第四系地层钻孔结构，(c)为上部第四系、下部为基岩地层的钻孔结构，(d)为基岩地层的钻孔结构。,15,16,3.探采结合井的井身结构 探采结合井常采用146 mm的过滤管，上部井管的直径应根据下入井管内抽水的深井泵泵体外径确定。可以采用一径或两径钻到终孔，两径成井。不同直径的井管可用异径接头连接。4.水文地质长期观测孔的孔身结构 水文地质长期观测孔需下井壁管和过滤管，一般过滤管直径为50110mm，管外按成井工艺要求进行填砾、洗井。,17,18,5.供水井的井身结构（1）浅供水井（浅井）这类井井深在100m以内，井径一般大于400 mm，多采用一径到底的井身结构。井管采用铸铁管、混凝土管等，井管与含水层井壁环状间隙中投填砾石；含水层以上间隙则需充填止水物（如粘土、水泥等）以隔绝地表水污染地下水。这种井身结构较简单，节约管材且容易施工。,19,20,（2）中深供水井（中深井）井深在100300m范围内的供水井，称为中深井。中深井一般采用钢管、铸铁管、塑料管作井管，井管内径多为200300mm。,21,22,（3）深供水井（深井）这类井井深超过300m，穿过地层多，多用于城市供水、工业用水、开发浅部地热水等。深井的井身结构比较复杂，变径次数多，即套管层次多。这种供水井要求管外严格密封止水，以隔绝覆盖层和非可采层的水渗入。,23,24,（4）基岩供水井 基岩供水井必须将上部地表水和第四系地层水隔绝，以防其污染基岩中的地下水。一般有以下三种情况：A.整个基岩地层均较稳定，只需下一井口管封隔地表水渗入即可。B.上部有第四系覆盖层，含水层在下部基岩中，但比较稳定，只需在第四系地层下井管，管外用水泥止水，以隔绝第四系覆盖层水和地表水渗入。C.下部基岩地层不稳定，上部第四系覆盖层下入井管，管外用水泥止水，下部基岩地层下入过滤管。,25,26,一、回转钻进二、钢丝绳冲击钻进三、反循环钻进四、空气钻进五、潜孔锤钻进,第二节 水文地质和水井钻 钻孔（井）方法,27,一、回转钻进 当前，我国各有关部门在水文地质和水井钻钻孔（井）工作中，应用最广泛而有效的钻进方法仍然是回转钻进。近年来逐步试验推广的反循环钻进、空气钻进、潜孔锤钻进等方法，都是在回转钻进的基础上发展、演变而形成的。在水文地质和水井钻钻孔（井）工作中，回转钻进又可分为取心钻进、扩孔钻进和全面钻进三种。,28,1.钻探设备 目前，在水文地质和水井钻探（井）工作中，各施工部门和单位，根据实际情况，或选用岩心钻探设备，或选用专用水井钻机、工程钻机。为适应钻进直径大的特点，水井专用钻机多采用转盘式钻机，其转盘可以容纳较大的通孔和传递较大的扭矩，为适应水文地质和水井钻钻进岩粉（岩屑）多的特点，专用水井钻机均配备泵量较大的泥浆泵。,29,2.回转钻进工艺（1）第四系地层回转钻进工艺A.第四系地层常规口径钻进工艺“常规口径”是指直径为110190mm的水文地质和水井钻孔。随钻进机械设备的能力和取心要求的不同，第四系地层回转钻进的工艺方法上可分为常规口径取心钻进、大口径成孔钻进、大口径一次钻进成孔。,30,当使用岩心钻探设备时，可钻进岩心采取率要求较高的常规口径钻孔，或分级扩孔成孔（井）的工艺。而使用转盘式水井钻机时，则可采用岩心采取率要求不高或无要求的钻孔（井），或采用大口径一次钻进成孔。钻头在第四系的粘土、砂及砂土类地层中钻进时，应选用硬质合金肋骨式钻头；在第四系砾卵石、漂石地层中钻进时，可选用硬质合金钻头、钢粒钻头以及钢粒硬合金混合式钻头、牙轮钻头等。,31,钻具在第四系松软地层常规口径钻进时，为改善钻具的受力状态，可采用钻铤加压，即在粗径钻具上接钻铤，钻具的连接方法视钻孔直径大小、钻进阻力等情况而定，一般是采用螺纹连接，使用较大直径岩心管的异径接头，也可采用焊接连接。当钻孔较深时，为增加钻具的运转稳定性，可在粗轻钻具上部或钻铤上部装置扶正器，亦能改善钻具受力状态，减少钻孔弯曲。,32,取心钻进工艺参数 粘性土类地层的取心钻进工艺采用肋骨式钻头钻进。当地层连结力较强，容易取心时，采用普通钻具即可。若地层松散，可选用双层或三层岩心管，它上接弹子接头，或喷反钻具，以提高岩心采取率和岩心的质量。在第四系粘性土类地层中钻进，尽可能用低粘度、小密度的冲洗液，一般其粘度不超过19 mPas。,33,在钻进工艺上，粘土类地层因钻头易于压入切削、进入快，如果冲洗液量不足，极易出现憋泵、糊钻等情况，因此宜采用轻压、高转速、大泵量的钻进技术参数，即：钻头压力400450 N/颗合金硬合金数；钻头转速0.92.5 m/s(线速度)；泵量尽可能大。,34,砂类地层的取心钻进工艺在砂类地层钻进，为满足取心率的要求，一般采用双层岩心管钻具钻进，外接肋骨钻头，内管接普遍硬合金钻头，双管钻具可选用双动或单动双层岩心管。在选用时应考虑到水文地质钻探泵量大的特点，双管钻具应具有足够的通水断面，以保证冲洗液循环畅通。砂类地层钻进工艺应根据砂类地层进尺容易、保持孔（井）壁稳定难的特点，用优质泥浆和适当的泵量。一般采用轻压、中等转速、中等或稍大泵量、适当控制钻具给进速度的操纵方法。,35,砾、卵、漂石地层取心钻进工艺砾、卵、漂右地层钻进时，应使用优质泥浆护壁和排渣。由于砾、卵、漂石地层钻进阻力大，孔壁易坍塌，难于破碎。常采用中等或较大的钻压、低转速、中等泵量的操作技术。,36,B.第四系地层大口径扩孔钻进工艺扩孔钻头和钻具在第四系粘性土、砂土类地层进行扩孔钻进时，常采用翼片式扩孔钻头。目前生产部门使用的翼片钻头有螺旋翼片钻头、直焊翼片扩孔钻头和多级翼片式扩孔钻头。扩孔钻具在结构上应具备以下特点：要有足够的连接强度，以防止钻进过程中脱落和折断，一般都采用厚壁管材制作钻具，并用长螺纹、法兰盘或电焊连接；要有足够的稳定性，有利于防止钻孔弯曲和螺旋形井壁；带有小径导向钻具，以作为大直径扩孔钻具的导向钻具。,37,扩孔钻进规程大口径扩孔钻进技术参数的确定，主要根据选用的扩孔钻头类型、钻具强度、设备能力、扩孔级差、地层特点等因素综合考虑。粘土类地层扩孔钻进适于选用中等压力、中等转速、大泵量，且随着钻进直径的增大，泵量相应增大。应特别指出，在砾、卵、漂石地层应尽可能不采用扩孔钻进，而用一次成井的施工工艺。若遇卵石、漂石块度小、含量少的地层或薄层等情况时，亦可用普通扩孔钻头进行扩孔钻进。在规范上应采用中等钻压、低转速、中等泵量。,38,C.第四系地层大口径全面钻进工艺全面钻进钻头翼片式钻头，适于水文水井钻；鱼尾钻头，适于软塑性地层；三翼钻头，适于粘土类、砂类、砾石层；四翼钻头，适于夹有大卵石地层；牙轮钻头，钻进效率高，适用范围广，从软地层到基岩地层均可钻进。三牙轮钻头是当前使用最广泛的牙轮钻头。全面钻进技术参数采用较大的钻压和泵量钻进，对于采用强力规程钻进、加速钻进速度、防止糊钻、提高排粉能力都有很大的好处。,39,（2）基岩地层的大直径钻头A.基岩地层大口径硬质合金钻进基岩地层大直径硬质合金钻进适用于可钻性l5级的较完整的、塑性松散的泥岩、页岩、泥质灰岩等岩层。其钻进规程应根据钻头和岩性等因素来考虑。一般情况下，钻进较软岩层时，应采用轻压、快转；钻进较硬岩层时，应选用较大的钻压和较慢的转速；钻进破碎、裂隙岩层时，压力和转速都应适当降低。,40,B.基岩地层大直径钢粒钻进用硬质合金钻进破碎带、有溶隙的石灰岩以及大卵石、漂石等硬岩层时，硬质合金切削具极易崩落、折断，加上大直径钻进的钻杆与钻孔直径相差较大，钻具易弯曲，从而加剧井底的振动和冲击。导致硬合金切削具的加速损坏。因此，大直径基岩钻进还是以钢粒钻进为主。可钻性5级以上的岩层多采用钢粒钻进。大直径基岩钻进一般多采用一次投砂法投砂，若遇破碎带或漏砂地层，可采用结合投砂法投砂。,41,C.大直径基岩钻进的取心方法根据岩心直径大小、完整性、硬度、强度等情况，可采用下列方法取心。投卡料取心法：适于有层埋、片理和节理的岩层。卡料有钢柱、卡石、铅丝和钢筋等。先楔断后卡取法：适于硬而完整的岩层，或直径大、岩心长的岩心。用楔断器楔断岩心再下粗径钻具卡取，也可在岩心表部装小药包爆破使岩心折断后再取。,42,二、钢丝绳冲击钻进 钢丝绳冲击钻进的基本原理:借助钢丝绳提吊一定重量的钻头，在一定高度范围内周期地冲击井底，使井底岩石破碎而获得进尺。每次冲击后，钻头在钢绳扭力带动下回转一定角度，从而使井底成规整的圆形断面向下延伸。,43,1.钢丝绳冲击钻的特点和应用范围（1）钢丝绳冲击钻的特点冲击钻进是以冲击动载荷破碎岩石的，由于岩石在动载作用下容易发生应力集中，使得破碎效果比静载作用好得多，因此，用冲击方法破碎岩石，特别是大卵砾石、漂石、裂隙硬岩等，具有效率高、消耗功率低、成本低等优点。设备简单，移动方便，维修方便。钢丝绳冲击钻，只能钻进垂直井孔，故在应用上受到限制。,44,（2）钢丝绳冲击钻的应用范围钻凿大直径水井。钻凿露天矿山爆破孔。用于钻进基础桩扎、连接墙钻进孔、坝基处理孔以及其它工程孔。,45,2.钢丝绳冲击钻机 钢丝绳冲击钻机一般是组装在汽车或拖车上，安装和运输都很方便。我国水文地质和水井钻探（井）工作中，广泛使用的冲击钻机有CZ-20C型，CZ-22型，CZ-30型和丰收120型，丰收250型等。这些钻机都是由动力机、主轴、冲击机构、卷筒、桅杆和行走机构等部件组成。,46,47,3.钢绳冲击钻具 钢绳冲击钻具包括冲击钻头、冲击钻杆、钢丝绳接头、钢丝绳和抽筒等。（1）冲击钻头冲击钻头是直接破碎井底岩石的工具。其结构特点是冲击力集中地施加于岩石上，为此，冲击钻头底部带有各种刃角。为减少钻头在岩粉浆中的运动阻力，钻头体上设有流通岩粉的沟槽。钻头上部与冲击钻杆螺纹连接。,48,49,（2）冲击钻杆冲击钻杆为实心圆钢制作,50,（3）钢丝绳接头（绳卡）当钻具提升离开井底时，它和钻具一起受钢丝绳拉伸而扭转一定角度。当钻具向下运动冲击到井底岩石时，钢丝绳因不受力而恢复原来的扭紧状态，而连接钢丝绳的活套就能在垫片的间隙内转动，使钢丝绳实现扭紧而不带动钻头转动。这样就使冲击钻头每冲击一次，回转一定的角度，使井筒有比较规整的圆形断面向下延深。（4）抽筒（捞砂筒）抽筒的主要作用是捞取井内岩粉、岩屑，也可用来直接钻进粘土质或砂质的软地层。,51,52,（5）钢丝绳钢丝绳的种类很多，通常由6股子绳绕心绳捻成。子绳又可由7、19、37、61根等不同根数的细钢丝捻制。用两位数字表示钢丝绳的规格，例如619，其第一位数字6表示钢丝绳是由6股子绳捻成，第二位数字19表示每股子绳是由19根钢丝捻成。冲击钻探（井）常用619麻心钢丝绳。,53,54,4.冲击钻进方法（1）在卵石、漂石地层中的钻进方法 卵石、漂石地层多为未胶结状态，卵、漂石硬度高，表面光滑，钻进时易发生井斜、塌孔、漏失等事故，因此，应采用大的冲击高度、低冲击次数、大重量的钻具进行冲击钻进。在此类地层中钻进时，钻进和护壁同等重要。还要注意使钻具保持正常的旋转，以得到完整的断面。钻头磨损后，要及时进行焊补，使井孔不至缩径。,55,（2）在粘土地层中的钻进方法 在粘土地层中钻进时，井内岩粉浆密度极易升高造成糊钻等事故。在这种地层中钻进，进尺不是主要问题，应采用小压钻进，勤捞砂，并及时补清水或稀泥浆。钻进时，钻具重量不宜过大，刃角要小，冲击次数要适当减小，当钻进塑性较大的地层时，可向井内投入破碎砖块或软的碎石，以利于进尺。在粘土夹砂的地层中钻进时，可以直接用抽筒钻头钻进。,56,（3）在砂层中的钻进方法 在砂层中钻进的主要问题是保护井壁，应采用优质泥浆护孔钻进。若遇薄层流砂，可以投入粘土或粘土加碎石以增强护壁能力；若遇很厚的流砂层时，则用跟管钻进。,57,三、反循环钻进 反循环钻进，按形成反循环液流在钻杆内上升的动力和方式，可分为三种类型：泵吸反循环、气举反循环、射流反循环。,58,1.泵吸反循环钻进 是利用砂石泵（离心泵的一种类型）的抽吸作用，在钻杆内形成负压，在大气压力的作用下，循环液从泥浆池流入井口，经环状间隙流向井底，与井底破碎的岩粉混合一起，被吸入钻杆内腔，上升至地面，经排出管、砂石泵进入沉淀池，沉淀后的循环液继续进入井内，形成反循环钻进。,59,60,泵吸反循环开始钻进之前，井内水位以上的钻杆内没有循环液，因此在启动砂石泵之前，必须设法使井内水位以上的钻杆、管内充满循环液。一种方法是在上部管内上安装一真空泵，使砂石泵吸水口至井内水位以上的钻杆、管路内产生负压，从而使钻杆内的水位提高，最后使循环液充满整个砂石泵的吸水管路。另一种方法是安装一台注水泵（离心泵），向砂石泵吸水管路注水，吸水管路充满循环液后再启动砂石泵。,61,泵吸反循环钻进所用的循环液一般为清水，在易坍塌地层亦可用泥浆。为防止井壁坍塌，井内的液面要高于地下静止水位2m。泵吸反循环钻进所用的砂石泵，其流量为240500 m3/h，有效吸水压力为61047l04 Pa。为适应大颗粒岩屑、岩块能顺利通过砂石泵，泵体的自由通道直径与钻杆内径应一致。一般的砂石泵只有两个叶轮。,62,影响循环液上升流速的因素：循环液中岩屑的含量。一般推荐循环液中岩屑的含量不宜超过8%l0%。钻杆内壁表而应光滑、平整，不应有收缩、台阶等情况。避免循环液流动过程过大的摩擦损失和涡流损失。井壁与钻杆之间的环状间隙的循环液下降流速不能过大，以防止循环液冲垮井壁。,63,（2）气举反循环钻进（压气反循环）工作原理:将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，并使压缩空气与钻杆内的循环液混合，从而形成密度比钻杆外液体密度小的混合液柱。混合液在管内外压差的作用下，沿钻杆内腔上升经排碴管排至沉淀池，经沉淀后的循环液以自流方式连续不断地流入井内环状间隙，形成反循环。,64,65,四、空气钻进 空气钻进是以压缩空气代替冲洗液作为循环介质、吹洗钻孔（井）、冷却钻头和携带岩粉、岩屑至井外的一种钻进方法。空气钻进可以是正循环钻进，也可以是反循环钻进。在水文地质和水井钻探（井）工程中，空气钻进占有特殊的地位。空气钻进先进、高效。空气钻进时，井壁、岩心、含水层的污染小。,66,67,空气钻进，根据在空气中加注的物质，可分为干空气钻进、雾化钻进、泡沫钻进、泡沫泥浆钻进等，构成多工艺空气钻进。因此，空气钻进应根据地层情况、漏失（含水、涌水）程度、钻井（孔）直径大小和深度以及钻井设备和空气压缩机的能力等因素，选用不同的空气钻进方法。,68,1.干空气钻进 干空气钻进是用纯空气作循环介质。干空气钻进主要适用于完全干涸无水地层，或干空气气流能吸收渗入井内的少量水的基岩地层、不含水的覆盖层和严重漏失地层等。干空气钻进时，返回地面的岩屑成为一股粉尘时的钻进效果为最好，其经济效果也是最好的，所以空气钻进又称粉尘钻进。空气钻进的特点是钻进速度快，钻头寿命长，对井壁和岩心无污染，取样及时、准确。,69,（1）干空气钻进空气气流的上返流速 水文地质和水井钻探（井），由于直径大，钻进时产生的岩粉、岩屑多，为及时排除，必须供给足够的空气量。现在空气钻进气流的上返流速有的已达2030ms。输入足够的空气量，以保证最优的上返流速。随着孔深的增加，输入孔内空气的压力也要增加，这不仅是为了克服沿程阻力，而且还要使从井口返出的空气流有一定剩余压力，以使粉尘得以进入捕尘装置。,70,（2）干空气钻进工艺 干空气钻进与液体循环钻进所用的钻具基本一致，可以是硬合金钻进、金刚石钻进，也可以是钢粒钻进、牙轮钻头钻进；可以取心钻进，也可以全面钻进。空气钻进的井口管必须安装牢固，井口管长度视地层情况而定，但要有一定的下埋深度，管外用水泥封牢。干空气钻进的钻压较循环液钻进时要小些，钻头转速也较循环液钻进低。,71,2.泡沫钻进 干空气钻进粉尘大，不仅影响机械寿命，而且对工人健康和周围环境的影响也很大，在潮湿地层中钻进很困难。为了解决这些问题，研究出了泡沫钻进技术。泡沫钻进是通过专门的灌注系统，将发泡剂注入压缩空气气流中，遇到井内的地下水后形成稳定的具有一定膜强度的泡沫。这种泡沫具有较大的表面张力，因而具有较强的悬浮、捕捉岩粉和岩屑的能力，形成空气、水、岩粉和岩屑的稳定的流动体系。,72,3.泡沫泥浆和充气泥浆钻进 在充气钻进的空气气流中，注入发泡剂的同时，注入一定量的经过处理的优质泥浆（泥浆中的粘土对泡沫具有稳定作用），泥浆与泡沫在流动过程中形成泡沫泥浆。泡沫泥浆具有泡沫和泥浆的特性，即密度小、悬浮能力强，且能在井壁上形成坚韧的泥皮，适用于漏失、易塌，以及不稳定地层钻进。,73,充气泥浆是在泥浆循环系统中加入发泡剂，形成低密度的充气泥浆（也可将压缩空气和泥浆同时通过钻杆送入井底）。充气泥浆的密度能在较大范围内调整，减少液柱的静压水头，实现对地层的压力平衡钻进，减少和避免冲洗液介质的漏失，同时泥浆又能起到更好的护壁作用。充气泥浆的相对密度因受到泥浆工作泵的限制，一般不能低于0.8，再低，就会导致泥浆泵因“气塞”而停止工作。,74,75,五、潜孔锤钻进 潜孔锤钻进是在钻头上安装一个潜孔锤，钻进时，在钻杆带动下做回转运动，而潜孔锤在循环介质（压缩空气或水）的推动下，对井底岩石进行冲击，这样，作用在钻头上既有回转又有冲击的综合作用。这种破碎岩石的方法，特别对硬岩是十分有效的。,76,气动潜孔锤钻进的优点：（1）钻进效率高潜孔锤钻进效率高，特别是在硬岩中钻进时比普通回转钻进方法高几倍至几十倍。（2）钻头寿命长用潜孔锤钻进，一个球齿钻头在坚硬的花岗岩中能钻进50 m，在石灰岩中钻进进尺达1000m。（3）所需钻压低例如，使用直径为171 mm的牙轮钻头回转钻进时，需钻压120 kN，而用潜孔锤钻进（220 mm的钻头）仅需钻压1318 kN即可达到很好的钻进效果。,77,（4）防斜效果好因钻压低、进尺快，潜孔锤钻进具有较好的防斜效果，一般情况下都可控制在1/100 m的范围内。（5）排粉快由于孔内没有静水柱压力，排粉速度快，孔内清洁，对含水层没有堵塞和破坏作用。（6）钻探成本低近年来，由于空气压缩机的能力不断提高，潜孔锤用于深孔钻进已具备条件。,78,1.潜孔锤及其工作原理 目前，国内外潜孔锤的型式较多，根据其配气的方式可以分为有阀式和无阀式两大类。有阀式潜孔锤推动活塞上、下运动的压缩空气是由配气机构的阀片控制的。无阀式潜孔锤是利用布置在活塞和气缸壁上的配气系统控制活塞往复运动的，没有配气阀装置，免去了因配气阀片磨损而失效的现象。与有阀式潜孔锤相比，压缩空气消耗量可节约30%左右。另外，无阀式潜孔锤零件少、结构简单、加工制造容易，更适合于高气压条件下深孔钻进。,79,80,2.潜孔锤钻进钻头 潜孔锤钻进用的钻头承受较大的动载荷及摩擦作用，因此要求钻头体具有较高的表面硬度和较好的耐磨性及足够的冲击韧性。目前用的钻头基本上有两种：刃片钻头和柱齿钻头，刃片钻头用于软岩钻进，柱齿钻头用于硬岩钻进。刃片钻头是用镶焊方法将硬质合金镶焊在钻头体上；柱齿钻头是用机械方法将一定规格的硬质合金柱压入到钻头体上的孔内而成。,81,3.潜孔锤钻进的工艺规程 潜孔锤钻进效率的高低，不仅取决于选用的空气压缩机和潜孔锤及钻头的性能和质量，而且与钻进工艺规程是否正确合理有着密切的关系。潜孔锤钻进的工艺规程包括空气压缩机的风量、风压、钻压、转速、冲击频率等。,82,第三节 成井工艺,一、井管的选择二、破壁、换浆和探井三、下管四、填砾五、止水六、洗井,83,安装井内装置的工作称为成井工艺。水文地质钻孔或水井在钻成孔（井）后，除要取得完整的水文地质资料外，还要担负为工农业提供水源的任务，因而必须下管成井，以取得抽水资料，为开采地下水提供依据或保证供水井的开采使用寿命。井管是垂直安装在地下的构筑物，当井壁不稳固时，井内必须装置井管。,84,井管包括井壁管和滤水管两部分，井壁管安装在非含水层处，滤水管安装在含水层处，滤水管起滤水挡砂的作用。井管下端的井壁管称为沉砂管，以沉淀水中所含的砂粒。在井管柱与井壁之间的环状间隙内，根据岩层情况填入充填物，即在含水层段填入筛选的砾石，以增大出水量，并起过滤作用。在非含水层段或计划封闭的不良含水层段填入粘土或水泥等止水物，达到封闭和止水的目的，以防井水被污染。,85,一、井管的选择 井管包括井壁管、滤水管（过滤器）、沉淀管三个部分，通常井壁管与沉淀管采用同种管材。常用的井管有金属管和非金属管两大类。1.对井管的要求（1）井管应圆、直、无弯曲，连接后管柱亦应笔直无弯曲，以保证下管和安装抽水设备等工作的顺利进行。（2）井管内壁应平滑、圆整，以便在井管内安装抽水设备。,86,（3）井管应具有一定的抗压、抗拉、抗弯强度，以保证能承受井壁岩层和填砾的压力和井管全部重量。（4）应具有较高的抗腐蚀能力，延长使用期限，同时不致因井管腐蚀影响水质。（5）滤水管应具有较大的孔隙率，以保证减少地下水流入井管的阻力，获得最大的出水量，同时要具有良好的挡砂能力，防止泥砂淤塞水井。,87,2.井壁管种类及其适用范围 井壁管是保护非含水层孔段的井壁，防止坍塌堵塞井筒，同时又可隔离含有害杂质的水涌入井中，以保证水井的水质。目前常用的井壁管可分为金属和非金属两大类。,88,89,3.滤水管（过滤器）的类型和结构 滤水管是在井管外围按一定的技术要求和规格开成进水通道的管材，亦称为过滤器。滤水管是安装在井壁管的下部，位于开采含水层的相对位置，地下水通过滤水管的孔隙流入管内。滤水管的作用是，防止孔壁坍塌，阻止含水层的砂粒进入管内，保证所抽出的地下水的含砂量不超过规定标准（一般要求不超过百万分之一）。,90,对滤水管的要求：具有最大的进水面积，以减少地下水经过它时的阻力。滤水管阻力越小，地下水在这里的流速变化越小，发生结垢的可能性越小，从而可以延长滤水管使用的年限。具有足够大的机械强度，能承受安装井管时的负荷和地层的压力。具有最大限度的耐腐蚀能力和不因滤水管被腐蚀而影响水质的卫生要求。具有良好的滤水挡砂能力，滤水孔不易被地层中的物质堵塞。具有安装方便、成本低廉以及取材容易等特点。,91,（1）骨架滤水管 骨架滤水管是在井壁管上用钻、铣、焊、割、模压等方法按一定形式开有圆孔或缝隙作为进水孔道的一种结构最简单的滤水管，它也可作为其它滤水管的骨架。骨架式滤水管可分为下列四种：A.圆孔滤水管圆孔滤水管可用井壁管在钻床上加工制成。圆孔交错排列，各孔中心位于等边三角形的顶点。,92,93,圆孔的孔径大小取决于滤水管的用途。若作为独立的滤水管，则孔径d取决于含水层岩石颗粒的大小及其不均匀度。若作为其它类型滤水管的骨架，则圆孔直径可大一些，一般为20 mm。圆孔滤水管的孔隙率大小影响着滤水管的强度（它决定于滤水管的材质）。钢质滤水管孔隙率可在30%以上，铸铁滤水管可在23%左右，石棉水泥滤水管则为15%16%。,94,B.条缝滤水管条缝滤水管是在井管的管坯上采用模压、压冲、铣切或气割等方法加工而成。条缝的宽度取决于含水层的粒度，其标准宽度为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、4.0 mm。长度一般制成150 mm，各排条缝之间距离为1020 mm。条缝滤水管比圆孔滤水管有较大的孔隙率，且条缝的缝宽尺寸比圆孔滤水管孔径要小。因此，它的应用范围较广。,95,96,C.筋条滤水管筋条滤水管是在滤水管两接头间焊以直径为1016 mm的钢筋或三角形的钢条，围成圆柱形，长约34 m。其内每隔1 m左右焊一支撑圈，以增加其刚度。筋条滤水管的特点是孔隙率大，可达40%60%，过水能力强，又节省材料。在国外筋条滤水管主要用于贴砾滤水管和缠丝滤水管的骨架。,97,98,D.桥式缺口滤水管桥式缺口滤水管是用钢板经冲击成桥式缺口，然后滚压成形，焊接，最后镀锌或喷涂塑料进行防腐蚀处理，制成各种规格的滤水管。这种滤水管的孔隙率大，在同样直径的水井里桥式缺口滤水管的出水量要大于塑料滤水管的出水量。试验表明，缝隙式滤水管的孔隙率因填砾阻塞要降低40%，而桥式缺口滤水管只降低10%。桥式缺口滤水管机械强度大，是一种很有发展前途的新型滤水管。,99,100,（2）缠丝滤水管 缠丝滤水管是在骨架滤水管外缠以金属丝而成。金属丝的断面可以是梯形、圆形或三角形，以梯形为好。缠丝时，梯形上底向内，下底向外，使滤水孔断面呈“V”形。为使水流通畅，在管外每隔4050 mm焊上一直径为6 mm的垫筋，然后再缠金属丝，这种滤水孔既可减少砂粒堵塞，又有高的过水效率。缠丝滤水管的丝间距是根据含水层砂径确定的。丝间距的规格有0.5mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、4.0mm、5.0mm等。,101,102,（3）包网滤水管 包网滤水管是在骨架滤水管表面焊上垫筋，然后包以过滤网而成。常用的过滤网有：钢丝网、铜丝网、不锈钢丝网、聚氯乙烯塑料丝网、尼龙丝网和玻璃丝网等。钢丝网易腐蚀，铜丝网易形成电化学腐蚀，故逐渐被非金属丝网所代替。包网滤水管易堵塞，永久性的生产水井不宜采用，但滤水管直径与井管直径相近，且安装方便，所以常用于水文地质勘探的临时抽水钻孔中。,103,104,过滤网根据编织方式的不同可分为平织网、斜织网和方格网类。平织网与方格网应用较广，斜织网在施工中很少采用。平织网适用于细砂及中砂含水层，方格网则适用于粗砂及混砂含水层。,105,（4）砾石滤水管 砾石滤水管是根据含水层颗粒情况，选取适合的砾石并充填于骨架管与含水层之间，使之形成一个人工砾石过滤层，以增大水井的过滤半径。其骨架管常是骨架滤水管、缠丝滤水管或特制的框架。这种滤水管结构复杂，安装不便，只在特殊井中应用，一般皆被地下填砾所代替。,106,107,（5）贴砾滤水管 贴砾滤水管简称贴砾管，这种滤水管是在骨架管外将砾料、粘合剂、石膏等物质，按一定比例在模具里加压、固化而成。贴砾滤水管有透水性能好、挡砂可靠、使用方便、成本低，并可缩小井径、简化成井工艺等特点。因贴砾规格可以根据含水层的粒径选择，因而应用范围广泛，特别对于细颗粒含水层和难以投砾的深井更显示其优越性。,108,4.滤水管的选择（1）滤水管的类型选择 正确地选择滤水管类型，是取得最大出水量、消灭涌砂、延长井的寿命的关键。滤水管的类型选择主要应根据含水地层的结构特征而定。例如，砂层主要选缠丝滤水管或贴砾滤水管，裂隙基岩层以骨架滤水管为主，在稳定的溶洞或裂隙地层可不必安装滤水管。,109,110,（2）滤水管的材料选择 选择滤水管材料时要考虑地下水所含有害离子的性质，根据不同有害离子成分，选择具有防腐措施的滤水管材料，从而达到延长水井使用寿命的目的。A.钢质滤水管由于钢质滤水管强度大，可用于深井，但钢制耐腐蚀性较差，故常用于硬度小的软水或含氯离子在1 000 mg/L以下的地下水中。二氧化硫对钢有较强的腐蚀作用，当地下水含有二氧化硫时，应采取预防措施。,111,B.铸铁质滤水管铸铁比钢抗腐蚀能力强，但强度低，抗拉能力差，制成的滤水管质量大。它可用于一般浅井到中深井。C.水泥质滤水管具有较强昀抗腐蚀能力，但强度低，可供农田灌溉井中使用。D.塑料滤水管具有较强的抗腐能力，可用于各种水质，强度较钢稍差，但质量轻，因此可用于深井。地质矿产部门推荐使用塑料滤水管。,112,5.滤水管主要尺寸的确定（1）滤水管长度 滤水管的长度与含水层的性质有关。在潜水含水层中，滤水管的长度应使滤水管的上端低于动水位（抽水时的降落水位）；在层间承压含水层中，滤水管的长度应等于或略小于含水层的厚度。,113,（2）滤水管的滤水孔隙尺寸和孔隙率 当滤水孔的大小与含水层颗粒的粒度相适应时，在开始抽水的一段短暂的时间内会有较小的砂粒进入滤水管，但当滤水管附近孔壁中逐渐形成由粗颗粒聚集组成的“圆形拱”时，小砂粒即停止进入井内，抽出的水由浑变清。“圆形拱”的形成使滤水孔的尺寸可以大于含水层部分颗粒的粒径。,114,115,滤水管的孔隙率的计算随滤水管的类型不同而异。骨架滤水管、缠丝滤水管等，因滤水孔直接穿透，故滤水管的孔隙率为进水面积（滤水孔总面积）与滤水管表面积之比；贴砾滤水管、砾石水泥滤水管的孔隙率，则以滤水管所吸收水的体积与滤水管体积之比表示。孔隙率是衡量滤水管滤水性能优劣的指标。孔隙率大，则进水面积相对地也大，水经滤水管的阻力就小，但是，过大的孔隙率必然影响滤水管的强度。在选择滤水管孔隙率时至少不应少于地层的给水度。,116,（3）进水流速 当进水流速不超过最大允许值时，在抽水初期仅有少量的小颗粒砂粒被带入滤水管中，随着“圆形拱”的形成，出砂的现象也逐渐消失。此时，在滤水管周围的含水层中由于有部分细颗粒被水流带出而形成透水性好的“天然过滤层”。当进水流速超过最大允许值而达到临界值时，大的砂粒也被水流带入过滤器中，此时，涌砂现象严重，并使含水层受到较大的扰动，甚至完全破坏含水层的稳定性，导致滤水孔被堵塞或井内被泥砂淤填。,117,（4）滤水管直径 根据地层条件确定出滤水管的长度L、滤水管的孔隙率m和最大允许进水流速v后，滤水管的直径D可根据所要求的涌水量，由下式算出：滤水管的直径（包括填砾的外径）确定后，即可确定钻井的终孔直径。,118,二、破壁、换浆和探井1.破壁 在钻井过程中，井壁上形成一层泥皮，使含水层中的水不能畅通地流入井内，而影响水井的出水量。为此，在钻完井后必须把井壁上的泥皮清除掉，以保证成井后的有效出水量。,119,破壁方法：A.扩孔破壁在松软的第四系地层中多采用扩孔破壁的方法。用直径比原钻头大2030 mm的扩孔钻头进行扩孔，将井壁上的泥皮清除掉。扩孔时要轻压、慢转、大泵量，扩至含水层时（即在含水层孔段），要上下活动钻具，反复多扩几次，以便彻底清除泥皮。,120,B.破壁器法在基岩层多用破壁器来破壁，破壁器可自行加工，在粗径钻具上加焊肋骨片或在探孔器上加焊短钢丝，其直径略小于井径（以与钻头直径相同为宜）。破壁时将破壁器与钻杆相连接下入井内，开动回转钻具，一边送水一边反复上下提拉，将井壁上的泥皮清除掉。破壁时要严防井壁坍塌，因此，必须保持井内满水，以增大对井壁的侧压力，同时要做好下管的准备工作，以便探井后立即下管。,121,2.换浆 换浆就是往孔内泵入优质的稀泥浆，把井内含有岩屑的浓泥浆全部置换出来，其目的是将井底的岩屑和含岩屑的浓泥浆排出后，可保证下管过程中井内泥浆不产生沉淀，而能顺利地把井管下到预定的位置。借助换浆时稀泥浆对井壁的冲刷力可冲洗掉井壁上的泥皮，保证井内的出水量，换浆后有利于防止堵死滤水管的孔隙，避免下管时因滤水管孔隙被堵而产生巨大的浮力，造成井管漂浮使井管下不到井底。通过换浆还可以防止砾石粘结，保证投砾工作的顺利进行。,122,换浆时所用的泥浆粘度要小（18 mPas左右），胶体率要高，含砂量要小。如条件许可，可在换浆前按上述要求配制大量的新泥浆以备换浆时使用，亦可将旧泥浆经旋流除砂器清除岩屑和岩粉，再经处理剂稀释处理后，备换浆时使用。换浆时，需将钻具下到距井底一定深度后泵入稀泥浆并开动回转钻具缓慢扫到井底，以清除井底堆集的岩粉，然后逐渐上提钻具直至将井内岩粉清除干净，自井内返回的泥浆粘度在18 mPas为止。换浆后应再下降钻具测量井深，以判断井底沉淀物的多少。,123,3.探井 探井的目的是检查井孔是否圆直和井壁是否平滑，以保证下管工作安全顺利地进行。探井工作可用探井器来进行，探井器是由钻杆和导正圈组成，即在钻杆上焊34个导正圈，圈的直径应比井径小2030 mm，两个圈之间的距离为2m，整个探井器的长度应不小于8m。探井时将探井器连接在钻杆上，下入井内，如探井器能顺利地下至井底，说明井孔圆直，井壁平滑；如探井器在中途遇阻，要提出探井器，进行修井，直至探井器上下无阻力止。,124,三、下管 下管是成