黑龙江地区机井设计与成井工艺

黑龙江地区机井设计与成井工艺

机井设计和钻孔技术的质量是合理利用地下水资源、提高机井质量、降低成本、提高效率的重要举措。1管井及管井的设计内容机井的设计是在水文地质调查分析的基础上,根据机井规划,为尽量满足对取水量、水质的要求,并考虑现时条件下技术可能,经济合理,尽快得到其设计内容包括:井的深度;开孔与终孔口径;井管的种类,规格及安装位置;管井的封闭、污染含水层位置与封闭措施;水泵与电机选择。1.1井深度应根据开采含水层的埋藏深度、含水层不同类型及据机井规范布局和使用要求而定。1.2开孔口径与终孔口径的差应根据对水量的要求、选用的提水设备,成井使用的钻机类型,滤水管口径和人工填砾厚度定。若使用回转式钻机钻进松散岩层时开孔口径与终孔口径之差就比较小些。若使用冲击式钻机,特别是钻井硬岩层时,因钻头磨损快,必须设计较大的开孔口径才能确保终孔口径达到要求;安装的滤水管口径越大,人工填砾越厚,要求井孔的开孔及终孔口径就越大。但归根结底要满足取水设备如深井泵或潜水泵能下到井内。1.3管井结构类型应根据井孔口径,含水层,隔水层,层数及位置和规范要求的出水量,水质要求条件决定,结合考虑成井后抽水设备类型,规格而定。一般情况下井深小于60m,井径大于400mm,管径大于20cm时,选用混凝土管,缸瓦管比较经济。井深大于60m并在200m以内可选用铸铁管,塑料管混凝土管。1.4管道关闭根据对水质的要求,对不取用的含水层进行封闭止水,可用粘土、水泥、桐油石灰作封闭材料。否则机井不能发挥正常作用。1.5相关设备和泵的选择应根据静水位、降深、出水量而配套选用。努力做好机井设计,是机井建设的第一程序。2集中用砂还是分散用砂成井的关键在于揭穿含水层,牡丹江地区多数机井是在第四纪松散地层内成井,这就涉及利用砂层的问题。一眼井一般成井用砂以粗颗粒,单层厚度大砂层集中的水量才多,反之则反。每一眼井应根据规范要求用砂才合理。这就是说即使某一深度砂层很好,但此层布井很多,新打井最好不用这段砂层,否则可能出现供不应求,减少了单井出水量。集中用砂还是分散用砂要根据具体情况具体处理。集中用砂的优点是保证较高的水位,抽水方便经济,抽水降深大,出水量多,缺点是若成井群集中用砂,容易造成水位下降,水量减少。分散用砂可解决集中用砂的缺点,这在井灌区虎林、密山及扑水灌区都有很大作用。总之成井用砂一是考虑当前水量要求多少,二是选用下多粗管,三是考虑砂层分布位置,再决定集中用砂还是分散用砂,再是分析选用砂层的粗细、厚度、纯度等。3关注调整井管结构滤水管的主要作用是滤水阻砂,选用适用的滤水管是取得最大水量,解决涌砂问题的关键,它关键到单井出水量和机井使用寿命。选用滤水管的依据是含水层的性质,若是在坚硬岩层中一般不需要下滤水管,但在松散地层中必须安装滤水管。滤水管要有很好的过滤及透水作用,而这两个作用往往是相互制约的。过滤性好,拦砂能力强但往往影响透水性,反之透水性好,阻砂能力就差。滤水管的进水孔径和含水层的颗粒大小要相适应,使砂颗粒既不能进入井内又不堵塞进水孔或少阻水,这就要求解决好滤水管的孔隙率问题。滤水管的孔隙率大,阻水作用就小,出水量就大。我区机井多用包网也有用缠丝的,它的孔隙率包含着滤水管管壁圆孔或条孔的孔隙率和外部包网缠丝的孔隙率。若采用井壁外填砾料,缠丝或包网的孔隙率要比管壁的孔隙率大些才合理,但多数机井在这点上没有达到要求。如宁安县英山林场井下的滤水管,由于孔隙率太低影响了机井出水量。一般管壁的圆孔或条孔的孔隙率为:钢管要达到30%-37%,铁管要达到25%-30%,混凝土管因有强度条件制约也要达到20%左右。滤水管管壁圆孔的孔隙率可用下式计算:P=m⋅n⋅r2R⋅LΡ=m⋅n⋅r2R⋅L式中:P—滤水管管壁圆孔的孔隙率;m—滤水管圆周上孔眼的行数;n—滤水管每行的孔眼个数;γ—孔眼的半径(mm);R—滤水管的外直径(mm);L—滤水管工作部分长度(mm)。滤水管缠丝、孔隙率:p=(1-d1/m1)·(1-d2/m2)滤水管缠丝、包网孔隙率:p=(1-d1/m1)·(1-d2/m2)·np—滤水管缠丝或缠丝、包网的孔隙率;d1—竖向垫筋的宽度(mm);m1—由垫筋中心算起的间距(mm);d2—缠丝直径(mm);m2—缠丝中心算起的间距(mm);n—包网的孔隙率。井管下入孔内之后,井管的孔隙率又受填砾或取用含水层的给水度的影响,因此我们定义实际发挥作用的孔隙率叫有效孔隙率。要根据含水层性质即砂颗粒粒径大小与级配来选用相应的滤水管,在中、细、粉砂层中采用真砾滤水管比采用包网或缠丝不填砾的滤水管,有效孔隙率可增大3倍左右对增加井的出水量关系很大,这应在虎林地区成井中广泛应用。在虎林、密山、鸡东地区的中、细、粉砂层中不应采用包网,缠丝不填料的滤水管,否则滤水管的有效孔隙率将大大减少,而且容易造成堵塞,大大减少出水量。在粗砂层中,填砾滤水管对增加井的出水量也有相当的效果。在砾石卵石中效果不显著可采用包网,缠丝滤水管。总之采用填砾滤水管对增加井的出水量是有好处的。滤水管的口径大小和出水量有一定关系,在其它条件完全相同的条件,出水量将随井径的增大有不同程度的增加。一般在中细砂层中管径选用250mm左右,在砂砾层中250-350mm左右,在卵石层中可选用>350mm。滤水管的长度选用,应根据含水层的厚度、颗粗组成,出水量的大小,滤水管的直径等因素确定但是主要控制条件是含水层的厚度。当含水层厚度小于10m时,滤水管的长度应与含水层厚度相等,若含水层很厚根据抽水试验的经验滤水管的长度可达含水层厚度的3/4。4关注天然滤水层缠丝、包网滤水管,首先要保证滤水管的抗压强度与使用寿命其次要使滤水管外面形成良好的天然滤水层,把各种阻力减至最低限度,以增加出水量。缠丝、包网滤水管适用于砾石,卵石层中。由于包网容易被含水层砂颗粒堵塞,且易腐烂,为延长管井寿命尽量采用缠丝滤水管为优。但我区目前条件下建议在中、细、粉砂层中采用棕皮材料包网为好。5砾料规格的确定填砾料滤水管井适用于中、细、粉砂层中,它可以起到增加机井的滤水管四周的有效孔隙率,减少进水时的水头损失,防止淤砂,增大出水量,延长机井使用寿命。合理选用填砾的形状与规格是使填砾起到作用的关键。砾料以均质的近圆形的为宜,因为这种砾料渗透性能比非均质的带棱角的大。砾料的规格:在砂层均质条件下以含水层的颗粒d50-d60直径的8-10倍为佳,这样可以使机井四周形成良好人工滤水层。在卵石、砾石层中如果均匀性较好,可采用d70-d80的含量颗径的8倍左右作为填砾规格,若均匀性较差则可适当缩小到8倍左右。砾料规格的选择一般采用混合砾料,因为天然地层无论经过筛分划成中砂或粗砂,其中都含有大量细粒,若允许这些细粒进入滤水层便可以按中砂或粗砂的标准选择砾料;若不允许细粒穿过,防止细粒破坏滤水层和井管透水性,则在砾料中应当含有相当数量的小颗粒。6影响单井出水量的问题影响单井出水量的因素很多,归纳起来主要有4点:6.1条件决定因素含水层的富水性受岩性、分选程度、单层厚度、含水层累计厚度和分布等水文地质条件决定的它是判定单井出水量大小的决定性因素,一般情况下砂层粗的比细的出水多,均匀纯洁的比不均匀含泥质的出水量多,单层厚度大的比单层厚度小的出水量多,含水层层次多的比层次少的出水量多,砂层集中比分散的出水量多。6.2浅井多在无压含水层,深度符合激发流水量的需要,井实践证明加大井径可以提高机井出水量。所以相同条件下,井径大的比井径小的出水多,根据野外抽水试验资料可知:在无压含水层中,相同深度的试验井孔,其水量的增加与井径增加的一半大约成正比,如:浅井多在无压含水层,河谷第四纪潜水中成井,井径为150mm,出水量为40t/h,如果深度不变,把井径变为250mm,出水量是多少呢?因为井径增加了100mm,井径增加数的一半为50mm。根据上述试验经验结论,可这样估计:150:40=50:x,则x=13.3t/h,所以250mm井径的出水量为40+13.3=53.3t/h,但是出水量随井径增加到一定程度后即不再增加了,这也是野外抽水试验资料证明了的。6.3施工控制在承压水高、成井后,既根据野外抽水试验成果,抽水降深对出水量影响很大,在潜水中出水量的增加随降深的加大而增加呈抛物线形状,但抽水降深加大到一定程度,水量不再增加了。在承压水中,出水量随降深的加大成正比增加。只有当抽水降深达到承压含水层顶板以下才变成潜水的那种关系。因此成井后安装抽水机应与抽水降深相适应。例如深井泵比离心泵的吸程大,也就是降深大,同样一眼井,安装深井泵,潜水泵就比安离心泵出水量大,原因在于前两种泵抽水降深大。6.