第07章 水文地质钻探

ExplorationEngineeringDrilledbyDiamondBit钻掘工程学第七章水文地质钻探授课内容水文水井钻进工艺水文水井成井工艺水文地质钻探要求了解水文地质钻探的特殊性及井身结构，熟悉水文地质孔(井)钻探的特殊技术措施，如钻进方法，冲洗液，冲洗方式等；掌握水文地质孔(井)成井工艺的目的，主要工序，质量检验方法等。要求：水文地质钻探1.钻探工艺一、水文水井钻探的目的和特点①研究地质剖面；②确定含水层的层数、厚度和深度；③查明岩石成分、岩性及构造；④测定各含水层的地下水位；是勘探开发地下水的重要手段。轻重工业、水电工程、矿山开采、灌溉、国防交通等都要查明地下水的埋藏条件、活动规律和含水层的水质、水量，以充分利用地下水资源为经济建设服务第一节水文水井钻探工艺1、钻探的目的水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺⑤确定含水层的水力参数及彼此之间的关系；一、水文水井钻探的目的和特点⑥采取水样进行水质分析，并测定含水层的岩石物理性质和颗粒组成；⑦利用钻孔进行水动态观测和监测，以便了解和预测地下水动态变化规律和趋势，科学开采利用地下水。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺一、水文水井钻探的目的和特点2、钻探的特点①钻进大多在松散、胶结差的卵、砾石层、砂砾层及各种土层中，易塌、漏失、取心困难、事故多、效率低；③施工周期短，搬迁频繁，劳动强度大。②钻孔直径大、深度小，孔(井)身结构复杂，钻进方法多，设备能力大；水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺二、水文水井孔(井)身结构水文水井钻探开始前，需根据地层特点进行孔(井)身结构设计。结构是否合理是安全、高效、优质、经济和准确获得地质资料的保证。1、孔(井)身结构要素的确定(1)孔(井)深－孔(井)钻进的深度。由水文地质勘探和开发地下水目的层的埋藏深度决定－水文地质孔以最底下含水层作为钻孔的深度；长期观测孔、探采结合孔、供水井，需考虑含水层深度和保障孔(井)寿命的沉砂管长度。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺1、孔(井)身结构要素的确定二、水文水井孔(井)身结构(2)孔(井)径：孔(井)径包括开孔直径、中间变径和终孔直径。特别是终孔直径必须考虑以下因素：①岩心直径－为了满足获得准确水文地质资料，进行必要的岩心分析、试验，地质部门规定终孔直径不小于110mm。②过滤管直径和抽水泵的外径－供水井中需考虑水泵直径，一般比水泵外径大2倍。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺1、孔(井)身结构要素的确定二、水文水井孔(井)身结构2、孔(井)身结构设计原则(1)设计原则①能有效保护含水层，使之不受污染损害；②避免孔(井)复杂情况产生，为全孔(井)顺利钻进创造条件，使施工周期最短；③从下往上逐段设计孔径和深度；④满足地质和生产要求，对地质剖面预测可能不准确，要留有余地，同时要考虑工艺水平；⑤孔(井)身结构力求最简单。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺1、孔(井)身结构要素的确定二、水文水井孔(井)身结构2、孔(井)身结构设计原则(1)设计原则(2)孔(井)身结构根据设计原则、地层情况、工艺水平，孔(井)身结构可分为5种。①水文地质普查孔：终孔直径不小于110mm。②水文地质勘探孔：终孔直径根据孔内是否需要填砾确定。③探采结合孔－终孔直径常采用150mm，上部需考虑抽水泵直径。④长期观测孔：因需要保证在观测期内井壁安全，要下套管，填砾洗井等。⑤供水井：井径较大，成井工艺复杂，同时要有永久性的技术措施以保证水井使用寿命水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点钻进所遇含水层多为第四纪砂－砂砾－卵砾石层等。特点是胶结性差，松散，易塌坍、漏失。钻进时容易被切入，切削具磨损不大，吃入深度大，钻孔直径大，要求钻机能提供大的扭矩，钻杆能承受较大的扭矩。孔径大，钻杆与孔壁的间隙也大，要求大的泵量完成净化岩粉的目的。在含水层钻进，为不污染含水层而得到准确的地质资料，钻进时冲孔尽量使用清水－为不导致孔壁不稳定的趋向，往往需要用套管护壁。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点①使用套管直径大。为便于起下套管柱，井外径需一样大；为增加稳固性，套管壁厚较岩心钻探大。②钻头结构采用大水口、少切削具、较多片状合金。为使冲洗液畅通，多数钻头为肋骨钻头。③钻杆直径大。是为了增大扭矩，减小冲洗液在钻杆中流动的阻力。④钻进工艺采用“轻压、慢转、大泵量”的规程。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点要求：轻压、慢转、大泵量。轻压－软层中岩石可钻性小，轻压可以防止钻杆折断事故，改善钻杆柱的受力状态，防止孔斜。慢转－为适应水文水井孔直径大、扭矩大而采用的技术措施。钻机转数20～120r/min，设立若干档次。大泵量－孔壁与钻杆环状间隙大，通过增加排量来增加环状间隙的流速，防止岩屑重复破碎和事故发生，使孔底净化。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进回转钻进进行水文水井钻探，是应用最广泛的钻探方法。目前很多先进的钻探方法如空气钻进、反循环钻进、潜孔锤钻进等都是从常规回转钻进法演变和发展而来的，仍具有回转钻进的特点。大直径回转钻进方法，在第四系中多为不取心钻进，在基岩中为取心钻进。全面不取心钻进可分为两大类：(1)鱼尾、三翼、四翼钻头钻进(2)牙轮钻头钻进牙轮钻头水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进在基岩中进行大口径水文井钻探，为减少对岩石的破碎量，采用岩心钻探，使用硬合金或钻粒钻头钻进。其钻进工艺与岩心钻探相似，所不同的是直径较大所带来的问题。由于井径大，岩心直径较粗，卡断岩心在水文水井钻探中成了问题，概括起来有以下几个方面：①使用尽可能长的岩心管，延长回次进尺，使岩心达到一定长度后，岩心可在机械振动下顺其节理、层理或裂隙等折断。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进②投卡料前要将钻具提离井底一段距离，投卡料后要开大泵量，使卡料冲到钻头与岩心的环状间隙处而卡住岩心。③卡料应由硬石块、钢粒和铁丝组成。其大小应根据岩心与岩心管内径间隙大小而定。④扭卡岩心时，开车不能过猛，以免扭断钻杆或损坏钻机。⑤在特殊的情况下，利用岩心楔断器将岩心楔断后再卡取，或采用小直径掏心的办法使大直径岩心震断后再取。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进扩孔钻进成井－先用小直径取心钻进，然后用大直径扩孔成井。主要应用于以下情况：①受设计能力限制，不能一径成井时，可以逐级扩孔成井。当钻机功率小不能适应大的岩石破碎量，或因泵量小而不能排除较多的岩屑量时，可以逐级扩孔成井。②当含水层较多，需要分层观测时，常用扩孔钻进来满足水文地质的需要。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进③地层条件不允许用大口径一次成井，施工时只有先打小眼，然后逐级扩孔成井。或因填砾厚度要求井径加大或局部加大时，也常用扩孔钻进来满足成井工艺要求。④当下入井内的提水设备直径很大时，需要上部扩孔来满足安装水泵的要求。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进扩孔钻进应注意：①根据使用设备能力和井径要求，合理确定扩孔级差，级差一般在300～500mm直径之间；②根据地层特点使用合理的钻头类型。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进(1)粘土层扩孔在粘土层扩孔时，由于回转阻力较大，可以采用逐级扩孔的方法成井；另外粘土层扩孔时造浆率高，应经常调浆；地层条件许可时，可采用清水钻进；在缩径严重地层，应当采用优质泥浆，钻头通过缩径段后，要上下扫孔数次，以减轻缩径现象；粘土层扩孔钻进所使用的钻头多为六翼螺旋肋骨钻头或多级肋骨钻头。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进(1)粘土层扩孔(2)砂层扩孔在砂层扩孔钻进时，阻力较小，进尺快，应当注意泥浆质量，适当加稠泥浆；在钻进时少提动钻具，保持井壁稳定；在流砂层扩孔钻进时，应当减少泵量，以免冲垮井壁；除使用六翼旋肋骨钻头外，常使用多级肋骨扩孔钻头。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进(1)粘土层扩孔(2)砂层扩孔(3)砾石层扩孔为防止砾石孔壁坍塌，砾石层扩孔钻进应选用玉米式钻头。依靠玉米钻头的挤压作用而加固井壁，泵量也不宜太大。由于玉米式钻头钻孔钻机的震动特别大，转速应降低，钻压适当加大。可能时，砾石层尽量不用扩孔钻进。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进5、反循环钻进正循环方式钻进大口径钻孔，明显存在冲洗液V上低,排屑不良；孔内事故几率增加；钻进效率低。故在钻进工艺上，改变为反循环方式，其优点除钻进速度快以外，在钻进费用上也比正循环方式低30％～40％。(1)特点①冲洗液上升速度快，排屑能力强，井底干净。岩屑不受重复破碎，钻进速度快，经济指标提高。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进5、反循环钻进(1)特点②钻进时井内有较高的水位，因此可以平衡地应力，使井壁较为稳定。③钻进时除用很短的孔口管保护井口外，均可采用清水钻进。④钻进时井内有一定的漏失，应补充冲洗液的渗漏损失，故需要安排专门的供水措施。⑤反循环钻进在钻进规程不当时易发生岩心堵塞，钻进中断。当地层中有大砾石时，必须采取措施以防堵塞。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进5、反循环钻进(1)特点(2)工作原理及方式水文水井钻探的反循环钻进方式，按照形成钻杆内上升水流的方式可分为：泵吸反循环、压缩空气反循环和射流反循环。1)泵吸反循环泵吸反循环：利用离心泵或抽吸泵的抽吸力使钻杆内部液体上升的一种管路布置方式。泵的进水管与主动钻杆水笼头相接，并通过钻杆将吸入口下到井底，井内的冲洗液经钻头(可看做泵的吸入口)携带岩屑经钻杆上升，由水泵水管排出口排送到集碴坑。泵吸式反循环钻进，适用于地下水位高，渗入量较小的地区工作。钻进效率在井深50m以内较高，随井深增加效率逐渐降低。经济合理的钻进深度约为100～120m，最大的钻进深度可达200m。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方法1、钻进工艺的特点2、全面不取心回转钻进3、大口径基岩取心钻进4、扩孔钻进5、反循环钻进(1)特点(2)工作原理及方式1)泵吸反循环2)压缩空气反循环将压缩空气通过压气盒、供气管路送到井内气水混合室，使压气与钻杆内的水混合，从而形成比重小于1的掺气水流涌出地面。压气的供气方式有2种：一是并列式供气，通过在钻杆外侧的送气管将压缩空气送入井下；二是通过双壁钻杆之间的环状间隙供气。压气反循环的有效吸水压力，一般为0.5～0.3MPa，随着空气压缩机工作压力的增加还能进一步提高。同时，使用不同内径钻杆可达到不同的钻进深度。水文地质钻探1.钻探工艺第一节水文水井钻探工艺三、水文水井钻进方