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1、水文水井钻进技术WaterWell,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、钻孔结构及施工设计,1.1
2、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）。,1.3.2 钻孔直径：开孔直径、中间变径、终孔直径。岩芯直
3、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
4、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
5、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、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
6、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
7、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（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
8、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
9、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
10、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。,3.3.1.1 扩
11、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；(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
12、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
13、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
14、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
15、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。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
16、，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
17、返回地面，一般多采用内径150-200 mm 的钻杆，以通过较大的卵砾石。当地层中有大卵砾石时，必须采取措施以防循环回路堵塞，使钻进中断。反循环钻进是一种连续取心的钻进方法，钻头使用寿命长，起下钻次数少，与正循环钻进相比，减少了辅助时间，降低了劳动强度。,3.3.6.2.反循环钻进的分类反循环钻进按照产生冲洗液上升流动的方式不同，可分为地表喷射反循环（射流反循环），泵吸反循环和气举反循环三种方式。地表喷射反循环钻进效率，在浅孔段效率较高，气举反循环钻进效率在50 m 以后较高。在选择反循环钻进方式时，应根据孔深、水位等情况进行合理的选择，为了提高钻进效率，有时也采用两种方式相结合的复合式反循环
18、钻进。,三种反循环钻进效率曲线图1-气举反循环；2-泵吸反循环；3-射流反循环,地表喷射反循环1-水龙头；2-钻机；3-孔口管；4-钻杆；5-钻铤；6-钻头；7-喷射腔；8-离心泵或空压机；9-电机；10-水源池,地表喷射反循环钻进方法钻进原理是利用水泵或压气机所产生的高速液流或气流，注入喷射腔内的喷咀，产生高速射流，使喷咀外围形成负压，其压值可达8-9104Pa。由于压差作用，使喷咀产生抽吸作用。喷射器通过接头与特制水龙头连接，从而抽吸钻杆内的液体，使钻杆内水位提高，最后在喷射腔内与高压喷射流混合后返回地表水源池内。地表喷射反循环钻进，适用于第四系松散地层钻进，一般多与气举反循环钻进相互配合
19、使用，在浅孔时用地表喷射反循环钻进，深孔时用气举反循环钻进,泵吸反循环钻进1-水龙头；2-钻机；3-井口管；4-钻杆，5-钻铤；6-钻头；7-真空泵；8-砂石泵；9-电机；10-水源地,泵吸反循环钻进是利用离心泵或轴流泵的抽吸力量，使钻杆内的液体上升的一种管路布置方式。泵的进水管与钻杆的提引水接头连接，并通过钻杆深吸入口下到井底，冲洗液经钻头（亦可看作泵的吸入口）携带岩屑经钻杆上升，由水泵出水管排到水源池。45米，效率最高，一般不超过70米，即：大直径深度较浅的水井。,气举反循环钻进1-水龙头；2-空压机；3-钻机；4-孔口管；5-双壁钻杆；6-混合室；7-单壁钻杆；8-钻铤；9-钻头；10-
20、水源地,气举反循环是利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后，形成低比重的气水混合物，在压差作用下以高速向上流动，从而把孔底岩心和岩屑连续不断地带出地表。,气举反循环工作原理示意图,3.3.6.3.反循环钻进的合理选用井深50-70米：泵吸或射流；井深70米：气举反循环；泵吸和射流设备简单；泵吸利用率最高；射流；气举。,3.3.7 空气钻进,空气钻进的实质是以压缩空气代替冲洗液，作为钻进中的循环介质来冷却钻头，吹洗钻孔把岩屑携带出地表的一种高效率、先进钻进方法。空气钻进可以正循环钻进，也可以反循环钻进，在钻探设备上只需要增加一台移动式空气压缩机，孔口防尘及除尘等设备。干气；雾；泡沫；充气泥浆。,空气
21、钻进1-空压机；2-送风管；3-转盘；4-孔口密封装置；5-孔口管；6-钻杆；7-粗径钻具；8-吸尘管；9-吸尘器；10-排尘管,空气钻进的特点：钻进效率高：泥浆的10倍；节水；对水层没有伤害，有利于出水率；更有利于水资源的发现；空气钻进已经广泛用于水文水井钻进中。,3.3.8 气动冲击器（潜孔锤）钻进,气动冲击器钻进是以压缩空气做动力介质，在钻具上连接一个专门气动冲击器，在其下端连接一特制的球齿状合金钻头，在钻进中给钻具一定的轴向压力和回转运动，并通过钻杆将压缩空气送入冲击器，以推动冲击器上下运动，在活塞下行时产生冲击能量，通过球状合金钻头冲击破碎岩石，钻具回转是为改变切削具破碎岩石的位置，
22、这是一种中频冲击破碎岩石的钻进方法。压缩空气同时兼做吹洗孔底岩屑和冷却钻头的循环介质。潜孔锤钻进特别适用于干旱缺水和水冻土地区钻进，它具有钻速高、成本低、事故少等优点。,3.3.8.1 气动冲击钻进的优点钻进效率高：特别是在坚硬岩层利用气动冲击钻进，比普通回转钻进效率提高几倍到几十倍；7-8级矽化石灰岩中，机械钻速可达20-30m/h。钻头寿命长：一个直径为220mm球齿钻头，在花岗岩中能进尺500m，在石灰岩中可超过1000m。气动冲击器钻进所需压力小，仅为回转钻进的13 左右，回转扭矩小，故使用车装水井钻机，就可施工较大口径的钻孔，便于实现设备轻便化和车装化。防斜效果好：1O/100m。,
23、（4）气动冲击钻进所需压力小，钻具不易弯曲，故有较好的防斜效果。（5）由于钻孔内没有静水柱压力，排粉速度快，孔内干净，对含水层没有堵塞与破坏作用。（6）成本低，大约为常规钻进费用的50 左右。（三）气动冲击器的分类气动冲击器可分为有阀冲击器和无阀冲击器两类。,A（中国）B（英格索兰）C A,B无阀潜孔锤 有阀潜孔锤,表4-1 常用钢绳冲击钻机技术参数表,4.1冲击钻机常用的钢绳冲击钻机有CZ 20 型、CZ 22 型、CZ 30 型三种（见表4-1）。另外还有CJ 700 型、丰收型、150 m 钢丝绳冲击式打井机和冲抓锥等（见表4-2）用于农业凿井。,4.水井钻机,续表4-1,续表4-1,表4-2 常用农业凿井钻机技术参数,常用的回转式钻机多为转盘式回转钻机以正循环洗井为主;另外还有全液压动力头式钻机，以反循环洗井为主。,4.1回转式钻机,4-3 转盘或水井钻机技术参数表,续表4-3,续表4-3,续表4-3,水文水井钻井技术小结,水文水井钻井与其它钻探（掘）相比有自己的特点：地层复杂，钻孔结构亦比较复杂；水文水井钻井目的是获取水文地质资料，或抽取地下水，钻井过程中应保护岩心或使水层免受泥浆的污染；水文水井钻井质量高低，影响水文水井成井质量；水文水井钻井工艺多样，钻机、设备种类繁多，在选用时应因地制宜，综合考虑。,
