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水井施工技术(课件)


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)

供 水 水 井 的 井 身 结 构
1. 浅供水水井的井身结构:

2. 井深:< 100米,农田灌溉井
3. 井径:一般>400mm 4. 井管:采用铸铁管、混凝土管等,多为一径到底

1. 中深供水水井的井身结构 2. 100m<井深<300m;

3. 井管多为钢管、塑料管和铸铁管, 或为石棉水泥管;
4. 井管内经200-300mm。

1. 深供水井身井结构图: 2. 井深>300m;

3. 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: v ? 653 K 直径:(实际直径应大于等于D) Q D? ?Lmv
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) 59 75 91 110 130 150 172 ? 套管、井管直径系列(mm)57 73 89 108 127 146 168 (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。
?

v ? 653 K ? 653 729 ? 585
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
D? Q 300 ? ? 0.081 ?LMv ? ?10 ? 0.2 ? 585

(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
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?

?

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。

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

③全面钻进

B、牙轮钻头

全面钻进的规程参数
? ? ?

大钻压 大泵量 低转速

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。

三、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

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。
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

反循环钻进的特点
a.
b.

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。

c.

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150-200 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。

d.

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
a.

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钻进。

b.

a. 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89×104Pa。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。

b. 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
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

1.

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。

2.

<45米,效率最高,一般不超 过70米,即:大直径深度较 浅的水井。

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

? 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

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60%;射流15%;气举9%。

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。

空气钻进的特点:
? 节水; ? 对水层没有伤害,有利于

? 钻进效率高:泥浆的10倍;

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。

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

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
a.

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。

b.

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。
c.

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。
d.

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

第三节、供水井成井工艺

一、井管的选择

滤水管材料的选择
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钢质:用于深井,硬度小的软水或含氯离 子在1000mg/L以下的地下水。 铸铁质:用于一般浅孔到中深孔。 水泥质:用于PH>7的浅井和中深井。 塑料:用于各种水质的深井,不适用于热 水井。 玻璃钢:适用于各种井深和不同地下水性 质的供水井。

二、井管安装

三、填 砾

四、止 水

五、洗 井

七、增加出水量的措施


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