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1、水文水井钻进技术 Water Well,主要内容,水文水井的类型、钻孔结构及施工设计 钻孔施工设计 水文水井钻探特点及方法 水井钻机,思考,水文水井的钻孔结构 水文水井的钻进特点及方法,参考文献,李世忠，钻探工艺学下册，地质出版社。 国土资源部组织编写，水文水井钻探工程，地质出版社。 美国英格索兰公司，水井钻探手册，地质矿产部地质环境管理司。 中华人民共和国地质矿产行业标准，水文地质钻探规程，中华人民共和国地质矿产部。 http:/www.lifewater.ca/ndexdril.htm,水文-水井,水文地质普查 水文地质初步勘探与详细勘探 水井（矿泉水，低温地热井）,1. 水文水井类型、钻
2、孔结构及施工设计,1. 1 钻孔类型 水文地质普查孔： 水文地质勘探孔： 探采结合孔： 观测孔： 水井：,1.2 钻孔（井）结构 孔径、孔段、孔深； 井管：包括井壁管、过滤管、沉淀管的直径、孔段和深度； 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： 勘探和开发地下水目的层。 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。 生产井，长期观测孔: 在底板继续钻3-5m 终孔（沉淀管）。,1
3、.3.2 钻孔直径：开孔直径、中间变径、终孔直径。 岩芯直径的要求：我国规定不小于110mm； 滤水管的直径：涌水量确定滤水管直径； 抽水泵泵体外径的尺寸：深井泵； 中间变径及其次数：地层情况； 开孔直径：终孔直径及变径。,水文地质普查钻孔结构： 终孔直径为：110mm 满足取芯要求,水文地质勘探孔：抽水试验 滤水管直径108 mm 孔径比滤水管直径大150200mm，以便填粒。,探采结合钻孔结构图 滤水管直径 146 mm 安装深井泵的井管直径比深井泵的公称直径大一级,水文地质长期观测孔钻孔结构图 长期监测 成井质量比较重要,浅供水水井的井身结构： 井深：400mm 井管：采用铸铁管、混凝土
4、管等，多为一径到底,供水水井的井身结构,中深供水水井的井身结构 100m井深300m； 井管多为钢管、塑料管和铸铁管，或为石棉水泥管； 井管内经200-300mm。,深供水井身井结构图： 井径300mm； 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 工区的地理位置、交通条件、地形地
5、貌、气候和生活条件； 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； 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 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； 供水、供电设计； 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； 编制与审批： 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 地层复杂：卵砾层、砂层、
6、粘土层或基岩裂隙层，易发生坍塌、漏失和取芯困难; 钻孔结构复杂：分层取水文地质资料；井身结构复杂; 钻进方法多：反循环、空气钻进、 潜孔锤钻进、振动钻进; 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,基岩地层：采用一
7、次钻进成井工艺； 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 174mm)钻进取心，大口径(174mm)扩孔成井工艺； 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； 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,续表3-1,续表3-1,续表3-1,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
8、（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
9、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127-168 mm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
10、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 1-89mm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，
11、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。,3.3.1.1 扩孔钻具： 扩孔钻具要有足够的连接强度：一般用厚壁管做钻具，连接方式有螺纹连接、电焊及法兰盘连接。 扩孔钻具必须连接导向装置：在扩孔钻头翼片上及离钻头5-6 m 左右位置的岩心管或钻杆上，各焊一个小于钻头直径4-10 mm的导正圈，导正圈外周焊有硬质合金，以修刮孔壁。 扩孔钻具下部必须带有小径导向：在扩孔钻头底部接焊比原小径孔径小一级的钻具，长度300-500 mm 。,扩孔钻具结构示意图 (a) 大口径管电焊连接；
12、(b) 钻杆螺纹连接； 法兰盘连接 1-小径钻具； 2-变径接手； 3-89mm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,粘土、粘砂类地层 钻进技术参数：低压、慢转、大泵量 钻进时要控制时效,3.3.2.1 刮刀钻头,翼片几何形状 -切削角；-刃尖角；-刃前角 刃尖角： 一般软地层刃尖角为20，较硬地层为40,3.3.2.2 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
13、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
14、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。,钻进卵、砾、漂石层时，破碎和套挤过程主要作用有： 卵砾石块的滑移运动 卵石块的滚转运动,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
15、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、水文地质勘察钻孔，桩基孔等。,冲击钻进的优点,冲击钻进以冲击动载荷破碎岩石，用冲击方法破碎岩石所消耗的功要小的多。在有裂隙和坚硬破碎地层及大卵砾石层中钻进，其优越性更为显著。 冲击钻进，钻头与岩石接触的时间短，大部分时间钻头是在孔内上下运动，因此，钻头磨损较慢。 钢丝绳冲击钻进，孔内不需要循环冲洗液，适于缺水地区钻进
16、。 钢丝绳冲击钻进，不用钻杆，省去一些附属设备，缩短了辅助时间、减少了事故，降低了成本。 搬迁方便、操作简单。,冲击钻进的缺点,有效破碎岩石时间少，在冲击钻进中钻头在孔内上下运动，产生定期停歇时间，因此降低了钻进效率。 钢丝绳冲击钻进利用钻具自由下落进行钻进，因此只能钻进垂直钻孔。 冲击钻进不能取得完整岩芯，只能采取岩粉。,钢丝绳冲击钻进钻头钻具 1-钢丝绳接头；2-冲击钻杆；3-冲击钻头,钢丝绳冲击钻进钻头 A-带副刃十字形冲击钻头；B-马蹄形钻头,A B,反循环钻进方法基本原理图 1-水龙头；2-出水胶管；3-泵或喷嘴；4-排渣；5-岩屑与砂；6-钻杆；7-钻头；8-主动钻杆；9-转盘,3.3.6 反循环钻进 冲洗介质循环方式与正循环相反： 供水池 环空 井底 钻杆中空 供水池,正循环钻进,3.3.6.1. 反循环钻进的特点 钻进中冲洗液上升速度很高； 孔内经常保持较高的水位，较高的静水压力与地层压力平衡，保持井壁稳定。 反循环钻进，岩心和钻下的岩粉，由钻杆内孔
