05-水文水井钻进技术

水文水井钻进技术WaterWell水文-水井1.水文地质普查2.水文地质初步勘探与详细勘探3.水井（矿泉水，低温地热井）1.水文水井类型、钻孔结构及施工设计1.1钻孔类型a.水文地质普查孔：b.水文地质勘探孔：c.探采结合孔：d.观测孔：e.水井：1.2钻孔（井）结构a.孔径、孔段、孔深；b.井管：包括井壁管、过滤管、沉淀管的直径、孔段和深度；c.填砾、止水与固井位置及深度。1.3确定水文水井钻孔结构因素依据：钻孔类型、水文地质条件、终孔直径及深度、钻进工艺方法、抽水方法及钻探设备等。1.3.1钻井深度：a.勘探和开发地下水目的层。b.多层含水层的钻孔深度为最下层含水层的深度；分层取水：钻穿最下一个含水层、下抽水管、临时止水、洗孔、抽水试验、拔抽水管、回填；重复。c.生产井，长期观测孔:在底板继续钻3-5m终孔（沉淀管）。1.3.2钻孔直径：开孔直径、中间变径、终孔直径。a.岩芯直径的要求：我国规定不小于110mm；b.滤水管的直径：涌水量确定滤水管直径；c.抽水泵泵体外径的尺寸：深井泵；d.中间变径及其次数：地层情况；e.开孔直径：终孔直径及变径。1.水文地质普查钻孔结构：2.终孔直径为：110mm3.满足取芯要求1.水文地质勘探孔：抽水试验2.滤水管直径≥108mm3.孔径比滤水管直径大150～200mm，以便填粒。1.探采结合钻孔结构图2.滤水管直径≥146mm3.安装深井泵的井管直径比深井泵的公称直径大一级1.浅供水水井的井身结构：2.井深：60米，农田灌溉井3.井径：一般400mm4.井管：采用铸铁管、混凝土管等，多为一径到底供水水井的井身结构1.中深供水水井的井身结构2.100m井深300m；3.井管多为钢管、塑料管和铸铁管，或为石棉水泥管；4.井管内经200-300mm。1.深供水井身井结构图：2.井径300mm；3.管外要求密封严格。基岩水井井身结构图(必须封隔地表水和第四纪含水层)根据项目的水文地质设计书或项目委托计划任务书或合同的要求，在现场踏勘的基础上，按照现有的生产定额、材料消耗定额、人员和设备配备与费用定额等资料为依据进行编制，根据需要与可能，选用设备和选择最优施工方法与工艺，以确保工程质量和获得最佳的技术经济效益。2.钻孔施工设计2.1设计依据a.工区的地理位置、交通条件、地形地貌、气候和生活条件；b.地质条件：地层划分和岩石可钻性级别、地质构造和水文地质条件，着重说明影响钻探施工的主要地质因素；c.施工目的与要求：包括钻孔布置与工作量、工程质量指标、水文地质试验与观测要求等。2.2施工设计主要内容a.钻探技术设计：钻孔结构（图）、钻井液、成井工艺、质量保证、安全措施；b.供水、供电设计；c.施工期限与费用预算：施工进度，设备选择，施工组织，经济指标测算，编制项目预算；d.编制与审批：e.单孔施工设计:地层理想柱状图，岩性及可钻性等级、钻孔结构、钻进工艺、成井工艺、工程质量指标及安全生产措施等。3.水文水井钻探特点及方法3.1水文水井钻探特点a.地层复杂：卵砾层、砂层、粘土层或基岩裂隙层，易发生坍塌、漏失和取芯困难;b.钻孔结构复杂：分层取水文地质资料；井身结构复杂;c.钻进方法多：反循环、空气钻进、潜孔锤钻进、振动钻进;d.设备型式多.按钻进地层不同可分为：第四系地层钻进；基岩地层钻进；按钻进工艺程序不同可分为：小口径（常规口径）钻进取心、大口径扩孔成孔；大口径一次钻进成孔；按碎岩原理不同可分为：回转钻进；冲击钻进；冲击回转钻进；按切削具不同可分为：合金钻进；钢粒钻进；牙轮钻进；按碎岩形式不同可分为：环面破碎取芯钻进；全面破碎不取芯钻进；按冲洗液循环的方向不同分为：正循环钻进；反循环钻进；部分反循环钻进。3.2钻进方法的选择1.基岩地层：采用一次钻进成井工艺；2.第四纪地层，要求全部取心的钻孔:可采用常规口径(钻孔直径φ≤174mm)钻进取心，大口径(φ174mm)扩孔成井工艺；3.只要求定深取样的钻孔：可采用不取心钻进工艺钻进，定深取样，一次钻进成井；4.不要求取心钻孔：采用不取心钻进工艺施工，一次钻进成井。钻进方法与工艺选择应根据岩石的机械物理性质、可钻性、以及孔径、深度和施工条件，分别选择相适应的钻进方法。参考下表进行：表3-1钻进方法选择选用方法名称适用范围优点可钻性（级）岩性及其他条件牙轮钻进1-10第四纪松软地层及完整、破碎、致密、研磨性岩石及卵砾石层均适用，常用于不取心钻进适用范围广、效率高，尤其在卵砾石及破碎地层钻进较其它回转钻进效果更好。硬质合金钻进常规口径1-6第四纪松软地层及较致密、完整基岩钻进，不适用于卵砾石层及破碎地层钻头加工容易，成本较低大口径1-4钢粒钻进常规口径7-10适用于基岩、漂砾、卵砾石层，尤其适用于大口径取心钻进。大裂隙、大漏失地层不宜使用钻头加工容易，成本低，在漂砾卵石层用大岩心管取心有良好效果大口径5-9合金钢粒混合钻进4-8适用于漂砾、卵砾石层及软硬交错地层钻进钻进中具有合金和钻粒两种方法的特点射流反循环钻进适用于第四纪松软地层钻进，孔深超过50m，效果明显下降，可与气举反循环配合在浅孔段中使用钻进简单，洗孔彻底，钻进安全效率高续表3-1泵吸反循环钻进第四纪地层浅孔≤100m、大口径钻进，需保证充足的施工用水，水位浅于3m时，不易护孔，砾径超过钻杆内径的卵石层不宜使用此种方法。冲洗液上返速度快，洗孔效率高，钻进安全，成本低，成井后易于洗井，出水量大气举反循环钻进第四纪砂土、砂砾层及硬度不大的基岩大口径钻进，孔深不大于10m开始使用，超过50m才能发挥高效。需保证充足的施工用水，水位浅于3m，不易护壁；粘土层不宜使用。冲洗液上返速度快，洗孔效率高，钻进安全，成本低，成井后洗井容易，出水量大气动潜孔锤正循环钻进5-12坚硬基岩及第四纪胶结、半胶结地层和卵、砾石层钻进，孔径≤310mm，常用于不取心钻进，尤其用于缺水或供水困难地区钻进。具有冲击和回转双重破岩作用，孔底受压小、钻效高，成本低，不污染含水层。成井后洗井容易，出水量大续表3-1气动潜孔锤反循环钻进坚硬基岩及第四纪胶结、半胶结地层和卵、砾石层钻进，孔径不大于250mm，常用于不取心钻进。尤其用于缺水或供水困难地区钻进。具有正循环气动潜孔锤钻进全部优点；在不稳定地层中钻进效果优于正循环钻进液动冲击回转钻进5-11适用于坚硬地层钻进，目前只在常规口径钻孔中使用，正在大口径中试验应用。具有冲击和回转双重破岩作用，可以使用泥浆作冲洗液护孔，不受水位限制，能在深孔中钻进。钢绳冲击钻进1-5适用于第四纪砂土、漂砾、卵砾石层及风化破碎基岩、大口径、浅孔、中深孔钻进，钻孔深度不超200m。设备、钻具简单，成本低，在砂土、卵砾石层浅孔钻进具有良好效果。续表3-1满眼钻进适用于大口径深孔钻进，粗径钻具必须安装扶正器，钻压应选用大于两次弯曲临界值或小于一次弯曲临界值钻进中能使钻具保持稳定，能有效防止孔斜，钻进效率低辐射井钻进适于第四纪浅部含水层，大口径竖井中钻进能沿含水层走向，按集水井四周不同方位、水平方向安设多组过滤管，扩大单井取水范围，提高单井供水能力同步跟管钻进适于漂砾、流沙层、卵砾层、冲击层等非稳定性覆盖层钻进，必须配专用设备和工具。在极不稳定的地层中钻进，能有效地防止塌孔，保证安全钻进续表3-1表3-2第四系地层中钻进工艺表3-3基岩地层钻进工艺3.3大口径回转钻进目前在水文地质钻探中，钻孔直径小于170mm为常规口径（小口径）；钻孔直径大于225mm为大口径，常规口径一般多用于水文地质孔、水文地质观测孔及水量小的水文地质勘探孔，大口径多用于水量大的水文勘探和探采结合孔;根据钻进地层不同可分为：第四系地层大口径回转钻进和基岩地层大口径回转钻进;第四系地层回转钻进可分为：小径取新钻进大径扩孔成井和大口径一次钻进成井。3.3.1扩孔钻进3.3.1.1扩孔钻头：第四系粘土、砂类地层，常用的扩孔钻头多为翼片式，其主要有以下几种类型：六旋螺翼肋骨扩孔钻头1-钻头体；2-护板；3-肋骨；4-硬质合金；5-螺旋肋骨钻头六翼螺旋肋骨扩孔钻头用直径127-168mm厚壁管作钻头体，在钻头体周围顺钻头回转方向，焊有六片呈螺旋形的翼片，在翼片之间焊有补强钢板。该钻头在钻进中，冲洗液在孔内能产生强烈的旋涡，并对地层产生冲击和排挤作用。适用于粘土夹砾石和粘砂等地层。玉米式扩孔钻头玉米式扩孔钻头钻头体用直径127-168mm厚壁管制成，在钻头体周围焊有6个翼片，翼片间焊有补强钢板.该钻头为锥形，钻进时阻力较小，对粘土夹卵、砾石地层具有强烈的冲击和挤压作用.四翼阶梯肋骨钻头1-钻头体；2-阶梯肋骨；3-切削肋骨;4-硬质合金；5-螺旋肋骨钻头四翼阶梯肋骨式钻头钻头体同上，在钻头体上焊一圆筒，在圆筒外侧对称地焊有四片阶梯形肋骨。该钻头呈阶梯形，增加了自由面，扩孔阻力小，钻具稳定性好，故在粘土、粘砂夹砾石地层中钻进，效率显著。分节翼片式扩孔钻头1-Φ89mm钻杆；2-导正圈；3-翼片用直径89mm的钻杆做钻头体，在钻头体上部焊有导正圈，导正圈下面三个翼片为一节，共分3-4节共9-12个翼片，每节三翼片互成120°夹角焊在钻头体上，相邻两节翼片互成60°角交错，翼片中心线与钻头体中心线夹角为65-70°各节翼片间距视地层而定。该钻头翼片分成若干小节，之间有一定的角度和空隙，增大了破碎范围，并具有分级克取破碎的作用，扩孔阻力也较小。粘土、砂或粘砂地层。组焊式牙轮扩孔钻头1-上下接头与刀盘；2-水眼；3-组装刀具；4-导向接头扩孔牙轮钻头是新近发展的一种新型扩孔钻头，适应于第四系砾卵、漂石地层扩孔钻进，它具有回转阻力小、孔壁圆滑、扩孔效率高等优点。上海第一石油机械厂已批量生产直径300-1000mm的组装焊接式牙轮扩孔钻头。扩孔钻具结构示意图(a)大口径管电焊连接；(b)钻杆螺纹连接；©法兰盘连接1-小径钻具；2-变径接手；3-Φ89mm钻杆；4-导正圈；5-导向；6-法兰盘；7-翼片；8导向钻头。3.3.2一次钻进成井大口径不取心全面钻进；大口径取心钻进；大口径不取心全面钻进常用的钻头有刮刀钻头和牙轮钻头。刮刀钻头（a）两翼；（b）三翼；（c）四翼a.粘土、粘砂类地层b.钻进技术参数：低压、慢转、大泵量c.钻进时要控制时效3.3.2.1刮刀钻头3.3.2.2牙轮钻头牙轮钻头钻进适应范围较广，从软地层到硬地层均可使用，特别是在第四系卵、砾石、漂石地层钻进，效果更为显著，随着水文地质钻探设备的更新，钻压、泵量的提高，牙轮钻头钻进将会取得更大效果。牙轮钻头具有回转阻力小，适应性强、钻速高、操作简单等优点。目前水文地质钻探采用的牙轮钻头，均为石油钻并系列，使用最多的是三牙轮钻头。W系列钻头为非密封滚动轴承钻头江钻股份有限公司3.3.3.大口径取心钻进第四系地层大部分是由堆积物组成，其结构松散、稳定性差、特别是在卵、砾、漂石地层，由于卵石、漂石具有一定硬度，卵、砾漂石之间又无胶结，往往给钻进带来很大困难，是第四系地层中钻进难度最大的地层，同时也是水文地质钻探经常遇到的地层。在该地层中钻进一般尽量不采用扩孔法成孔，因为扩孔次数愈多，愈不利于孔壁的稳定，往往扩孔比钻进更为困难，故一般多采用大口径取心一次钻进成孔，其主要是依靠钻头和岩心管的破碎和套挤作用获得进尺，大口径钻具可增加套入大直径卵、漂石的机会，减少对大块卵、漂石的研磨破碎次数，从而提高钻进效率。3.3.4.基岩地层大口径回转钻进基岩地层一般结构致密，具有一定的强度、硬度和耐磨性。为提高钻进效率，一般多采用大口径一次取心钻进成井，大口径取心钻进对岩石进行环状破碎，减少了岩石破碎量、从而减轻了钻机负荷和回转扭矩。3.3.5钢丝绳冲击钻进钢丝绳冲击钻进是借助钻头的重量，在一定高度内周期地冲击孔底，破碎岩石。每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下回转一定角度，以使钻孔呈规则的圆形断面。被冲击破碎的岩粉，用抽筒捞取从而获得进尺。在水文水井中的应用：a)大直径的供水井，如农田灌溉井，排水孔。通常维修条件较差的地方;b)露天矿山爆破孔、水文地