第十五章水文钻探1.ppt

第十五章水文水井钻探 的钻进工艺第一节 水文水井钻探的目的和特点水文水井钻探是勘探和开发地下 水的重要手段无论轻重工业、水电工程、矿山开采、农田灌溉、国防交通等都要查明 地下水的埋藏条件，活动规律和含水 层的性质、水量，以便充分利用地下 水资源为经济建设服务1、钻探的目的水文水井钻探的目的是：①为研究地质剖面；②确定含水层的层数、厚度和深度；③查明岩石成分、岩性及构造；④测定各含水层的地下水位；⑤确定含水层的水力参数及彼此之间 的关系⑥采取水样进行水质分析，并测定含 水层的岩石物理性质和颗粒组成；⑦利用钻孔进行水动态观测和监测， 以便了解和预测地下水动态变化规 律和趋势，开采利用地下水2、钻探特点水文水井钻探与岩心钻探比较有 相似之处，其特点：钻井大多在松散、胶结性差的卵 砾石层、砂砾层及各种土层中，易塌 、漏失、取心困难、事故多、效率低 ；钻孔直径大、深度小、孔（井）身 结构复杂，钻井方法多，设备能力大 ；施工周期短，搬迁频繁，劳动强度 大第二节 水文水井孔（井）身结构在水文水井钻探开始前，需要根据地层特点进行孔（井）身结构设计。

结构是否合理是安 全、高效、优质、经济和准确获得地质资料的保 证一、孔（井）身结构要素的确定（1）、孔（井）深 ： 孔（井）钻进的深度，是由水文地质勘探和开发地下水目的层的埋藏深度 紧挨决定的水文地质孔以最底下含水层作为钻 孔的深度2）孔（井）径 ： 孔（井）径包括开孔直径、中间变径和终孔直径特别是终孔直径必须考虑以下因素： ① 岩心直径 为了满足获得准确水文地质资料，进行必要的岩心分析、试验，地质部门规定终孔直径不小110mm② 过滤管直径和抽水泵的外径： 供水井中需考虑水泵直径，一般比水泵外径大2倍二、孔（井）身结构设计原则 （一）设计原则 能有效保护含水层，实质不受污染；避免孔（井）复杂情况产生，为全（井）顺利钻进创 造条件，使施工周期最短；从下往上逐段设计孔 径和深度；满足地质和生产要求，对地质剖面预 测可能不准确，要留有余地，同时要考虑工艺水 平；孔（井）身结构力求最简单 （二）孔（井）身结构根据设计原则、地层情况、工艺水平，孔（井）身结构可分为5种1）水文地质普查孔 终孔直径不小于110mm（2）水文地质勘探孔 终孔直径根据孔内是否需要填砾确定（3）探采结合孔 终孔直径常采用150mm，上部需考虑抽 水泵直径。

图：（4）长期观测孔因需要保证在观测期内井壁安全，要下技术套管，填砾洗井等5）供水井 井径较大，成井工艺复杂，同时要有永 久性的技术措施以保证水井使用寿命供水井第三节 水文水井钻进方法一、钻进工艺的特点水文水井钻进所遇到的含水层，大部分是第四纪砂层、砂砾层或卵砾石层等在含水层钻进，为了不污染含水层而得到准确的地质资料，因此钻进时冲孔尽量使用清水，但又会导致孔壁不稳定的趋向，往往需要用套管护壁根据地下水的要求和含水层的特点 ，水文水井钻探工艺有以下特点：1、使用的套管直径大2、钻头结构上采用大水口、少切削具、 较多片状合金为了使冲洗液畅通， 多数钻头为肋骨钻头3、钻头直径大，是为了增大扭距，减小 冲洗液在钻杆中流动的阻力4、在钻进工艺上采用“轻压、慢转，大泵 量”的规程 二、全面不取心回转钻进回转钻井进行水文水井钻探，是应用最广泛的钻探方法一）鱼尾、三翼钻头钻进（二）牙轮钻头钻进三、大口径基岩取心钻进在基岩中进行大口径水文水井钻探，为了减少对岩石的破碎量，采用岩心钻探，使用硬合金或钻粒钻头钻进其钻进工艺与岩心钻探相似，所不同的就是直径较大所带来的问题由于井径大，岩心直径较粗，因此，卡 断岩心在水文水井钻探中成了问题，概括起 来有以下几个方面：1、要使用尽可能长的岩心管，延长回次进尺，使岩心达到一定长度后，岩心可在机械振动下顺其节理、层理或裂隙等折断。

2、透卡料前要将钻具提离井底一段距离， 投卡料后要开大泵量，使卡料冲到钻头与岩心的环状间隙处而卡住岩心3、卡料因由硬石块、钢粒和铁丝组 其大小应根据岩心与岩心管内径间 隙大小而定4、扭卡岩心时，不能过猛开车，以免 扭断钻杆或损坏钻机5、在特殊情况下，利用岩心楔断器将 岩心楔断后在卡取，或采用小直径 掏心的办法使大直径岩心震断后 再取四、扩孔钻进扩孔钻进成井，即先用小直径取心 钻进，然后用大直径扩孔成井1）受设计能力限制，不能一径成 井时，可以逐级扩孔成井2）当含水层较多，需要分层观测 时，常用扩孔钻进来满足水文地 质的需求3）地层条件不允许用大口径一 次 成井，施工时只有先掟小眼，然 后逐级扩孔成井或因填砾厚度 要求井径加大或局部加大时，也 常用扩孔钻进来满足成井工艺 要求 （4）当下入井内的提水设备直径 很 大时，需要上部扩孔来满足安装 水泵的要求根据经验扩孔钻进应注意两个方面：一、 根据使用设备能力和井径要 求，合理确定扩孔级差；二、根据地层特点合理使用钻头类 型1、粘土层扩孔在粘土层扩孔时， 由于回转阻力较大 ，可采用逐级 扩孔的方法成井2、砂层扩孔在砂层扩孔钻进时，阻力较小，进尺快，应注意泥浆质量，适当加稠泥浆。

3、砾石层扩孔为了防止砾石 孔壁坍塌，砾石 层扩孔钻进应选 用玉米式钻头， 依靠玉米钻头的 挤压作用而加固 井壁，泵量也不 应太大五、反循环钻进在钻进工艺上，从正循环方 式改变为反循环方式钻进大口径 钻孔，其优点除钻进速度快以外 ，在钻进费用也比正循环方式低 30%~40%.（一）特点： （1）冲洗液上升速度快，排屑能力，井底干净2）钻进时井内有较高的水位，因此可以平衡地应力，使井壁较为稳定3）钻进时除使用较短的孔口外，均可采用清水钻进4）钻进时井内有一定的漏失时， 应补充冲洗液的漏失损失，故需 要安排专门的供水措施 （5）反循环钻进时，岩心和岩屑由 钻杆内返出地面因此，在钻进 规程不当时，容易发生岩心堵 塞，钻进中断二）工作原理及方式水文水井钻探的反循环 方式，按照形成钻杆内上升 水流的方式可分为泵吸反循 环、压缩空气反循环和射流 反循环3种1、泵吸反循环利用离心泵或 抽吸泵的抽吸力量 使转杆内部液体上 升的一种管路布置 方式称泵吸反循环 2、压缩空气反循环将压缩空气通过压气盒、供气管路送到井内汽水混合室，使压气与钻杆内的水混合，从而形成比重小于1的掺气水涌出地面3、射流反循环射流反循环是利用离心泵高速的液流经喷嘴射入循环管路排渣管，造成负压，这种负压能使管路产生抽吸作用。

三）反循环钻进工艺1、钻头 为便于抽吸岩粉、岩屑，反循 环钻进的钻头应能在井底形成中 心下凹的圆锥形 （1）翼状钻头 常用的有弯壁钻头，三翼钻头 钻头底部翼片做成梳齿状，以便 将粘土类岩石破碎成条带状，利 于抽吸2）牙轮组合钻头常用的四牙轮组合钻头周 圈上，三只牙轮分别相隔1200 ， 另一只牙轮焊接在相对靠近 中心的空余位置上，适用于第 四纪砂、砾、卵石层和基岩底 层的钻进2、技术规程（1）钻压 钻压选择应根据钻头类 型、地层性质和设计能力等因素 确定2）转速 大直径反循环钻进要特 别注意控制回转转速，通常回转转 速控制在0.5m/s.六、潜孔锤钻进潜孔锤钻进是在钻头之上装有一 个潜孔锤，钻进时，在钻杆带动下作 回转转动，潜孔锤在循环介质的推动 下，对井底岩石进行冲击而破碎岩石 一）工作原理目前，国内外潜孔锤根据配 气方式分为有阀和无阀两大类无阀 潜孔锤因免去了配气阀片，比有阀潜 孔锤节约30%的空气消耗，还具有零件 少，结构简单、加工制造容易等优点 二）钻进的工艺规程潜孔锤钻进效率的高低，不仅取决于选 用的空压机、潜孔锤和钻头的性能和质量 ，而且与钻进规程有密切关系1.风压：潜孔锤钻进的冲击频和冲击功都与 空压机输出空气压力有关。

根据资料表 明转速与风压成正比关系2.风量：潜孔锤钻进速度快，单位时间内产 生的岩粉岩屑较多，岩屑颗粒大，因而 需要较大的风量才能携带岩屑使井底 干净3.冲击频率与转速： 对于一种型号的潜孔锤，只要达到其额定风量和风压 时，就能达到额定频率4.钻压 ： 潜孔锤钻进破碎岩石是依靠冲击动载，钻进效率的高低主要取 决于冲击功、频率和转速钻压则保 证潜孔锤钻头和井底岩石保持良好发 挥冲击功的作用七、其它钻进方法（一）空气钻进 空气钻进是利用压缩空气代替冲击液作 为循环介质来冲洗钻孔、携带岩屑、冷却 钻头的 1、设备与工具 空气钻进是利用空气作为循环介质，除需要 常规设备外，还需要空气压缩机、孔口装置、除 尘设备等 2、钻进工艺 空气钻进循环介质是空气，因而对钻具没有 浮力对孔底几乎没有压力二）泡沫钻进空气钻进粉尘大，不仅影响机械寿 命，而且影响工人身体健康，污染环 境；随着孔径增大，空压机满足不了 携带岩石的要求另外，在涌水层空气钻进比较困难 为解决这个问题可用泡沫钻进泡沫钻具就是在空气钻进的基础上 ，增加泡沫灌注系统，利用形成的稳 定泡沫来携带岩屑完谢 谢。