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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、）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
10、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。
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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。,
