水井施工技术(课件).ppt

第一章水井施工技术 本章要点1 井身结构设计2 水井钻进方法3 供水井成井工艺 水井 主要用于开采地下水的工程构筑物 地下水 泛指贮存于地表以下地层空隙中的水 包括岩石孔隙 裂隙和溶洞之中的水 水井分类 按功能分类 水文地质水井 第一节供水井结构形式 4 扩底井 第四页图1 5b 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 井深 300m 管外要求密封严格 水井结构要素 1 井深 水井钻进深度 由水文地质勘探和开发地下水的目的层的埋藏深度决定的 2 井径 首先确定终孔直径 然后是中间变径和开孔直径 自下而上 自内而外 终孔直径 过滤管外径相同的钻头直径 填砾层厚度中间变径 抽水泵外径大两级终孔直径确定后可根据中间变径次数最后推算出开孔直径 选择已有的套管直径 3 装泵深度 根据要求泵没入动水位2m以上 井口管长一般为2 3m 直径大于下接井管直径 过滤管主要尺寸 长度 当涌水量增长率趋于0时相应的滤水管长度 一般来说 滤水管顶端低于井内最大水位降落时的动水位 在潜水含水层中 滤水管长度应使滤水管顶端埋入动水位的2m以上 在承压水含水层中滤水管长度应等于或略小于含水层厚度 最大允许进水速度 直径 实际直径应大于等于D D 滤水管直径 m Q 设计涌水量 m3 s L 滤水管长度 m m 滤水管孔隙率v 最大允许进水速度 m s 例题 打一供水井 地层如下 0 6m粘土层 6 95m完整砂岩 95 105m裂隙含水层 孔隙率m 20 渗透系数K 729 含水层压强为0 9MPa 井壁稳定 计划出水量Q 300m3 d 泵体直径100mm 最大水位降落时的动水位35 45m 完成井身结构设计 并画出井身结构示意图 注明装泵深度 注 钻头直径系列 mm 597591110130150172套管 井管直径系列 mm 577389108127146168 1 确定井深 2 确定含水层井径 3 确定装泵深度 4 画出井身结构示意图 注全各项尺寸 解 1 确定井深 105 5 沉砂管 110m 2 确定含水层井径 滤水管长度L 10m 取10米 位于含水层 过滤管直径0 081井径应取大于等于D的钻头直径 故井径取0 091m 3 确定装泵深度 根据要求泵没入动水位2m以上 装泵深度 35 2 37m 取37到45m段装泵井管底深度45 2 47m 4 井身结构示意图如右 第二节水井的钻进方法 钢绳冲击钻进大直径回转钻进反循环钻进空气钻进潜孔锤钻进 一 钢绳冲击钻进 现代钢绳冲击钻进的工作原理 钢绳提吊钻头周期性冲击井底碎岩成井每次冲击后 钻头在钢绳扭力带动下回转一定角度 实现圆形断面钻井 自贡盐井冲击式顿锉钻凿模型 钢绳冲击钻机 钢绳冲击钻进的特点及其应用范围 A 冲击碎岩对硬盐和非固结的不均质岩层破碎效率高 特别适用于松散的卵砾石层等复杂地层大口径钻进 B 设备简单 运行成本低 适用于各类水井钻进 基础桩孔和露天矿山爆破钻进 C 上下直线运动 只能用于垂直井孔钻进 钢绳冲击钻机主要部件组成及功用 动力机 提供动力主轴 传递动力冲击结构 将回转运动转换成直线运动卷筒与桅杆 提吊和升降钻具 井管行走机构 运移钻机 钢绳冲击钻进基本原理 冲击机构工作原理 钢绳冲击钻具 A 冲击钻头 B 冲击钻杆C 钢丝绳卡D 抽筒E 钢丝绳 冲击钻进规程 典型地层中的冲击钻进措施 D 裂隙发育的岩石层钻进 采用十字形钻头 稠浆 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 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 二 大直径回转钻进 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 扩孔钻头 扩孔钻具 扩孔钻进的规程参数 扩孔钻进的注意事项 全面钻进 B 牙轮钻头 大钻压大泵量低转速 全面钻进的规程参数 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 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 从而提高钻进效率 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 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 反循环钻进 携带岩屑的钻探冲洗介质经钻杆内孔从钻孔内返回地面的钻进方法 三 反循环钻进 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 由钻杆内孔返回地面 一般多采用内径150 200mm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 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 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50m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钻进 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 注入喷射腔内的喷嘴 产生高速射流 使喷嘴外围形成负压 其压值可达8 9 104Pa 由于压差作用 使喷嘴产生抽吸作用 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龙头连接 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 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 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 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 四 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 五 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 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冻土地区钻进 它具有钻速高 成本低 事故少等优点 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1 3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 e 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 f 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 g 成本低 大约为常规钻进费用的50 左右 气动冲击