水文钻探与成井工艺

工程钻探学课件第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类为了获得水文地质资料和开发地下水所进行的钻探工作，通称水文水井钻探。根据钻探的目的，有些孔为了获取水文地质资料，这样的钻孔称水文地质孔或水文勘探孔，简称水文孔。而另一些直径大的井，目的是为工农业供水，这样的井叫做供水井。因此，水文水井钻探可以分为水文钻探和水井钻探。第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类1、水文钻探水文钻探是以查明地下水的埋藏条件，运动规律，水质、水量以及水温等水文地质规律为目的的。达到普查、勘探地下水的储量，为合理的开发利用、保护或补给地下水提供所需的资料。以所处的水文地质勘探阶段、性质的不同，水文孔又分为以下几类：第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类1、水文钻探1）水文地质普查孔（简称水文地质孔）主要是获取地层情况，如地层的岩性、结构、地质构造和含水层的埋藏深度、厚度、性质等。一般用于未进行过水文地质工作的地区。通常采用常规的口径，进行取心钻探，满足钻探工程的六项指标——岩心采取率、校正孔深、孔斜、简易水文观测、原始记录和封孔等。第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类1、水文钻探2）水文地质勘探孔（简称勘探孔）在普查后已初步掌握地层、构造等情况的基础上，着重了解地下水的水量、水位、水质、水温等情况。为合理开发地下水及正确评价地下水而进行的工作，这就需要分层观测，分层抽试，单、群孔抽水等，借以达到正确划分含水层的组、段，地下水流向，补给关系，地下水下降漏斗等。第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类1、水文钻探3）探采结合孔在取得水文地质资料的基础上，为了合理开发地下水，进一步了解水文地质情况，同时考虑工农业急需，将已取得资料的孔（或取得部分资料）移交生产部门使用，作为开发井，同时在开采生产中进而取得地下水的资料。这样的孔既要满足收集水文地质资料的要求又要满足开采生产对水质、水量、卫生以及永久开采的要求。第一节概述一、水文水井钻探的目的及分类2、水井钻探为了供水的需要而进行的钻凿管井的钻探工程称水井钻探。水井钻探所形成的孔径大，因此称井。下井管专为供水的井称供水管井。随着大气水、地表水、地下水的“三水”统管工作的发展，水井钻探已超出了供水范围，它与地下水的补给、污水的排除、城市地面沉降与回升等工程联系起来了。第一节概述二、水文、水井钻探的特点水文、水井钻探的特点，概括为：1）地层复杂—水文、水井钻探大多工作在第四纪的卵砾层、砂层、粘土层或基岩裂隙层。这些地层给钻探工作带来的问题是塌坍、漏失和不易取芯等。故称为“复杂地层”，即发生事故多，效率低，钻进和采芯都困难的地层。第一节概述二、水文、水井钻探的特点水文、水井钻探的特点，概括为：2）钻孔结构复杂—由于要获得分层水文地质资料，就要求切断各含水层之间的水力联系。因此，下入套管的层次多；钻孔直径大；止水要求严格；井身结构复杂。3)钻进方法多—由于地层复杂，即使在一个钻孔中，往往会遇到迥然不同的几种地层，因此，使用多种钻进方法。第一节概述二、水文、水井钻探的特点水文、水井钻探的特点，概括为：4）设备型式多—由于钻进方法多，要求钻进设备与之相适应。因此，当前水文地质水井钻探所用的设备类型繁多。5）劳动强度大—由于水文地质水井钻探孔径大，破碎岩屑多；因此，给钻探工人增加了劳动强度。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构水文钻孔设计包括：开孔直径、终孔直径、钻孔深度、中间套管的层次结构和深度、过滤器的类型和规格、止水方法和抽水试验、钻进工艺和成井方法等内容。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型下入孔内的套管类型综合起来有五种：孔口管1；导向管2；开采管3；过滤管4；为了能使钻进顺利进行而下的套管称技术套管5。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型孔口管1是供加固孔口而用的，孔口管所下的深度，依上部岩石稳定情况而定，一般为2-3米。管外空隙用水泥浆浇注或用粘土固结。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型导向管2除了保证钻孔垂直以外，还要封闭上部无用的含水层，或防止不稳定的松散岩石层发生漏失，在钻进下部岩层时约束钻具而导向。当钻孔深度为300-500米时，下入的深度可达70-100米；当钻孔不深时（100-150米）导向管安装6米即可。有时导向管与技术套管为同一管柱，在这种情况下导向管的深度可以增加。在另一些情况下，导向管和井口管亦可合二为一。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型技术套管也称中间套管5当钻进到达目的层之前，出现了意外的含水层或不稳定岩层，有坍塌或严重漏失，严重影响继续钻进进时才下技术套管。技术套管是为了解决施工技术而下的套管。因此尽量少下或不下技术套管。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型开采管在水文钻探中称抽水管3它有时代替导向管和技术管封闭上部的无用含水层和不稳定岩层。一般开采管下到目的层的顶板。它是含水层中的水必经之路。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构1、水文孔下入孔内套管的类型过滤管（也称过滤器）4，安装在含水层段，地下水经过过滤管流入孔内，再经抽水机达到地面。在过滤管以下往往安装一段沉砂管。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构水文、水井钻孔结构是高效施工和优质钻进的前提，也是获取完整的水文地质资料的保证。在相同的地层条件下，由于钻孔的功用不同，可以设计出不同的钻孔结构；而一个优良的钻孔结构设计，可以适应相当范围的地层条件。因此，钻探技术水平的高低，也反映在钻孔结构设计上。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构1）水文地质普查钻孔的结构水文地质普查钻孔要求全孔取芯，终孔直径一般为110mm岩芯采取率不低于75%，直径127mm的套管是做为必要的护孔管。井口管直径146mm的套管或更大。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构2）水文地质勘探钻孔的结构水文地质勘探孔主要是获得水文地资料。因此，钻孔必须进行抽水试验，要求滤水管直径不小于108mm。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构3）探采结合钻孔的结构探采结合孔其特点是既要满足勘探钻进的要求，又要考虑成井的需要。探采结合钻孔的滤水管多采用直径146mm或更大的滤水管。上部井管应根据下入井内的深井泵体直径的要求而定。一般井管直径比深井泵公称尺寸大一级。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构3）探采结合钻孔的结构第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构4）水文地质长期观测钻孔的结构水文地质长期观测钻孔的任务是在取得水文地质资料后，要进行长期的监测地下水的活动情况。因此，水文地质长期观测钻孔要有较好的成井工作，钻孔结构要设计得合理。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构5）供水水井的井身结构供水水井在井径上要求要大一些，其管外止水密封采用永久性的封固。供水水井由于用户要求不一，使用的目的也各异，井管种类繁多。因此，在设计井身结构时都应加以考虑。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构5）供水水井的井身结构(1）浅供水井（浅井）—浅供水井是指深度在60m以内的农田灌溉井。井径一般大于400mm的口径，井管采用铸铁管、混凝土管等。井身结构多为一径到底。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构5）供水水井的井身结构(2)中深供水井的结构—当井深超过l00m、小于300m时称中深井。井管以钢管、塑料管和铸铁管居多；井管内径多在200—300mm。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构5）供水水井的井身结构(3)深供水井的结构—超过300m的供水井称深井。多用于城市供水、工业供水和一些浅部地下热水的水井。这种井要求管外严格牢固地密封，且中间采用多层的技术套管，结构比较复杂。第一节概述三、水文与水井的钻孔结构2、水文与水井钻孔结构5）供水水井的井身结构(4）基岩水井的结构—当开发基岩中水时，必须将上部地表水或第四纪的含水层加以封隔，以保护基岩中水质和量。第二节钻进方法钻进方法冲击钻进回转钻进反循环钻进空气钻进潜孔锤钻进等第三节成井工艺成井工艺：包括钻孔钻进结束后的冲孔、换浆、安装井管、填砾、止水、洗井和抽试等工艺过程。成井工艺的目的概括起来为两个方面：其一，将含水层（目的层）的水经过疏通而能自由地流入井内；其二，封闭或隔离非目的层，以防止地下含水层的水互相串通或污染含水层。这种有选择的疏通和封闭，是成井工艺要解决的主要问题。第三节成井工艺疏通目的层，在整个成井工艺中占的比重较大。通常采用对准目的层安装滤水管，因此，有人说滤水管是水井的“业务区”，成井工艺中，其它问题都是围绕着滤水管而开展的。一、滤水管滤水管是安装在不稳定的、但要求出水的含水层段，如砂层、岩石碎裂的断层带。滤水管应该是能让含水层中的水自由而通畅地流人水井内，同时又要阻止砂或碎岩随水流人井内，简述为：滤水阻砂。第三节成井工艺一、滤水管对滤水管的要求，可概括为以下几点：（1）具有最大的进水面积，以减少地下水经过它时的阻力。（2）具有足够大的机械强度，能满足安装井管时的负荷和抵抗地层的压力。（3）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。（4）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。（5）具有安装方便、成本低廉以及取材容易等。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构1）骨架式滤水管骨架式滤水管除独立用作滤水管外，还常作为其它类型的滤水管的骨架。根据所开的健水孔的形状，骨架式滤水管有三种型式。（1）圆孔滤水管：圆孔滤水管是在井管上利用钻床打眼加工制成，圆孔交错排列。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构1）骨架式滤水管（1）圆孔滤水管：第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构1）骨架式滤水管（1）圆孔滤水管：圆孔滤水管的圆孔直径d取决于含水层颗粒的大小及其均匀度，一般常为10-20mm左右。若作为其它类型滤水管的骨架，则d可取大些。孔间距决定于d，一般取a=(2.5-3.0)d孔隙率对于钢质滤水管可制成孔隙率在30%以上，铸铁滤水管可在23%左右；石棉水泥滤水管则在15-16%第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构1）骨架式滤水管(2)条缝式滤水管条缝的宽度取决于含水层的粒度，其标准宽度为2.02.53.04.0mm长度一般制成150mm，各排条缝之间距离为10-20mm第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构1）骨架式滤水管(3)筋条滤水管：筋条滤水管是在滤水管两接头间焊以直径为10-16mm的钢筋或三角形的钢条。围成圆柱形，长约3-4m。其内每隔一米左右焊一支撑圈，以增加其刚度。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构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。倘若骨架管是圆孔滤水管或条缝滤水管，为使水流通畅在管外每隔40-50mm焊上直径6mm的垫筋，然后再缠金属丝。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构3）包网滤水管包网滤水管制作方法与缠丝滤水管采用的骨架管相同，只是外表不缠丝而包以过滤网而成。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构4）砾石滤水管选取适合的砾石并充填于骨架管与含水层之间，使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筐架。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构5）贴砾雄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。6）玻璃钢滤水管玻璃钢滤水管是采用热固性树脂浸渍玻璃纤维机械缠绕一次成型。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构7）塑料滤水管近年来在国外采用塑料制成滤水管，发展很快。塑料滤水管形式很多，可以适应不同的地层条件。塑料滤水管具有成本低，成型快和适应面广等特点。第三节成井工艺一、滤水管1、滤水管的类型和结构除上述的滤水管以外，我国还使用着很多种其它类型