钻井基本知识

1、钻井基本知识地源热泵相关与钻井相关水源热泵 井水源热泵 土壤源热泵地下水地源热泵的主要不足地下水地源热泵的主要不足 使用水资源：充足的水为应用的前提； 回灌率要求高：80以上的回灌率，常受地下水文条件的限制不易实现； 深井抽水，水泵功耗增加，将降低系统的能效比； 开式循环水系统，有污染地下水资源的隐患。 水井维护麻烦，费用高。地下水源弊端地埋管与地下水地源热泵经济技术比较地埋管与地下水地源热泵经济技术比较 项目项目地埋管地埋管地下水地下水说明与备注说明与备注技术比较资源使用地下空间地下水地下水宜慎用地下环路水循环闭式循环耗能小开式抽水耗能大水井越深，能耗越大热泵机组能效比较高高地下水地源热泵能

2、效比高空调系统能效比较高稍低地埋管地源热泵系统能效比高地埋管地源热泵系统能效比高环境影响评价符合环保要求影响地下水质影响当地地质结构地下水地源热泵会导致不同层水的掺混，污染地下水资源、能源可再生性可再生性好取用水资源地下水随抽水时间变长水量有变化经济比较初投资高较高地埋管钻孔量大全年运行费用1520(元/m2)2530(元/m2)包括水资源费用10年的费用合计10年二者基本持平运行年限50年受水文条件、维护条件及政府政策条件制约地埋管地源热泵系统可保证长时间运行良好需要了解钻井的主要内容 钻井地质基本知识 钻井主要方法 钻井一般工序 钻井主要设备与工具 钻井主要成本 影响钻井进度的主要因素 钻

3、井质量与影响因素 钻井施工管理钻井地质基本知识1、地层层序2、三大类岩石3、与钻井有关的岩石性质地层 1、地源热泵钻井地层与工程施工难度关系的初步探讨（1）新近地史时期形成的沉积地层，相对简单：第四系（Q）新第三系（N）是通常说的覆盖层-松散堆积、无胶结或半固结的松散地层，钻井成孔容易、钻井效率高、耗能低，钻井成本相对较低。老第三系（E）往前（地层）岩层：岩石的密度、强度，随地层的延深、地质年代的前移均有所增加。 （2）山前和谷地地层此类地区的坡积、洪积物较为发育，由于沉积物搬运距离较短，分选磨圆较差，一般以砾石层及粗颗粒沉积为主。其特点是：A、堆积物粒度、厚度、甚至成份不一；B、结构松散、无

4、胶结或胶结程度差、无充填；C、空隙比大，位于区域地下水位以下或有补给源时，往往为富水层。在该类地层（层厚较大情况下）钻探成井难度较大，钻井过程中经常会遇到下列问题：A、钻井循环介质（液体或气体）失返、无法形成有效循环；B、有效破碎卵砾石困难，钻探效率极低；C、研磨工具消耗大，多为非正常磨损破坏；D、出现塌孔、掉块现象频率高，易造成钻井事故；E、即使成孔，在裸孔情况下，孔壁不规则光滑，下管也困难（孔壁不稳定）； 目前在该类地层施工，最有效的手段是空气潜孔锤跟管钻进技术，但目前国内该技术尚有局限性，主要是： A、深度有限，单级深度一般不超过30米； B、地下水（特别是富水层）对空气钻井影响大； C

5、、由于使用高压力空压机，动力消耗大； D、成套设备及配套工具昂贵。 3）各类回填地层 由于回填物杂乱、多样也对钻井会产生不同程度的影响，但影响较大的还主要是一些大规模、深厚度、块状物的回填。其特点类似上述。 2、施工深度范围内地层构成及合理施工方案的确定 研究施工深度范围内地层构成，有利于系统地制定钻井方案、确定钻井工艺或复合钻井工艺，达到优化钻井，来提高钻井效率、合理钻井成本。根据地源热泵管井的特点，可以把钻井揭露的岩土层分为： （1）简单地层，钻孔揭露地层类型单一、施工方法简单。 一般岩石地层，地层稳定、构造简单、岩石硬度较低、可钻性好，回转钻进可以施工，当然有条件情况下使用空气潜孔钻进更

6、有利于提高效率；（2）复合地层，钻孔穿越两类以上地层、需一种以上工艺或钻井方法或钻井工具结合来完成钻孔。如： 基岩之上覆盖松散粘土、黄土层：在厚度不大情况下、软层井壁相对稳定。 上覆盖松散层为砂土、沙层、及砂砾层时，必须采取隔离措施；地层含水丰富时必须先采用泥浆钻井，隔离后再转化为空气钻井。 当上覆松散层厚度较大、跟管隔离无法实现，而传统套管隔离繁琐时，应在泥浆钻井和套管隔离后空气钻井之间慎重选择。 （3）复杂地层，通俗说：普通技术条件下钻进成井困难或钻井过程中容易出现复杂情况的地层。如： A、较大直径、厚度的卵石层； B、裂隙发育地层； C、地层断裂破碎带； D、岩溶发育地层等。 都是钻井施

7、工的难点，传统钻井方法往往无法实现。 问题的关键还在于与勘探开发钻井不同，地源热泵钻井需要反复、重复面对此类地层。三大岩石分类火成岩（岩浆岩）顾名思义，就是直接由岩浆形成的岩石，指由地球深处的岩浆侵入地壳内或喷出地表后冷凝而形成的岩石。又可分为侵入岩和喷出岩（火山岩）。 沉积岩顾名思义，就是由沉积作用形成的岩石，指暴露在地壳表层的岩石在地球发展过程中遭受各种外力的破坏，破坏产物在原地或者经过搬运沉积下来，再经过复杂的成岩作用而形成的岩石。沉积岩的分类比较复杂，一般可按沉积物质分为母岩风化沉积、火山碎屑沉积和生物遗体沉积。 变质岩顾名思义，就是经历过变质作用形成的岩石，指地壳中原有的岩石受构造运

8、动、岩浆活动或地壳内热流变化等内营力影响，使其矿物成分、结构构造发生不同程度的变化而形成的岩石。又可分为正变质岩和副变质岩。 岩石代表1、岩浆岩：花岗岩、安山岩、闪长岩、流纹岩、玄武岩等2、沉积岩：泥岩、石英砂岩、石灰砾岩、泥铁盐、白云岩、石膏等3、变质岩：大理岩、云母岩、片麻岩、绿泥石片岩等与钻井有关的岩石性质1、岩石的机械性质岩石的强度：岩石的强度是指抵抗外力破坏的能力。硬度：岩石的硬度是指岩石抗压入的极限强岩石的塑性：在外力作用下，岩石破碎前呈现永久变形的性质叫岩石的塑性。岩石的研磨性：钻头破碎岩石的同时，其本身也受到岩石磨损，这种岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。岩石的可钻性：是指在

9、一定条件下，钻进岩石的难易程度。也可理解为钻进过程中岩石抗破碎强度的大小。与钻井有关的岩石性质2、岩石性质对钻井的影响其影响主要表现在：影响钻进速度与钻头进尺：使钻进过程中出现井漏、井喷、卡钻等复杂情况：钻井液受到污染，性能变坏，井径不规则，进而影响到测井、固井等。与钻井有关的岩石性质粘土岩层。相比泥岩和页岩一般较软，钻速快，但容易产生钻头泥包。这种地层极易吸收钻井液中的自由水而膨胀，导致井径缩小。随着浸泡时间的延长，井壁会产生垮塌现象，井径扩大。砂岩层。砂岩一般来说是较好的渗透层，在井壁上易形成较厚的滤饼，易引起泥饼粘附卡钻。另外滤饼对测井也有影响，所以必须使用优质钻井液。砾岩层。在砾岩层中

10、钻进易发生跳钻、蹩钻和井壁垮塌。在当地层软硬交错时，易发生井斜，地层倾角较大者也易发生井斜。 当岩层中含有可溶性盐类，即钻到石膏层、盐岩层时，要注意对钻井液性能的影响常用的钻井方法1、按破碎岩石的方式分：（1）回转钻进（2）冲击钻进（3）冲击回转或回转冲击钻进常用的钻井方法2、按循环介质分（1）泥浆（2）空气（3）泡沫（4）充气泥浆等常用的钻井方法3、按介质的循环方式分（1）不循环（2）正循环（3）反循环常用的钻井方法4、按传统钻进方法分（1）合金（2）钢粒（3）金刚石另现代钻井：牙轮、复合片、水力喷射震动等合金 钢粒钻进钻井主要设备与工具、材料一、设备1、钻机2、钻塔3、泥浆泵（或空压机）4

11、、动力设备（柴油机、电机、发电机组）二、工具钻头、钻杆、钻铤、及其它工具钻井主要设备与工具、材料三、泥浆材料1、造浆粘土2、泥浆处理剂3、水（淡水、盐水、海水）主要钻井设备1、岩心钻机： XY、XU系列最常见2、工程勘查钻机：DPP、G系列3、浅层水井钻机：SPCSPJ系列以上类钻机的基本特点是：1）主要用于城建、铁路及水电部门进行工程地质勘察施工、地震爆破孔、石油、天然气及固体矿产的普查勘探浅孔、浅层水文地质勘察及水井钻进。 2）为机械传动、液压给进钻机，动力配置比较小，钻进能力小、搬迁移位方便。 3）价格相对低廉。车载钻机一般20-30万元；固定式钻机一般5-6万元，该钻机由于结构简单、生

12、产厂家繁多、配置低、价格低廉、使用操作维修方便深受个体私营施工者欢迎。 4）主要缺点是：自动化程度低、适应工艺单一、基本是传统的泥浆钻进工艺，钻进效率低、劳动强度较大，设备故障维修率高。 4、全液压动力头式钻机： TH-10类似-水井、矿山爆破、锚杆施工、矿产勘查钻机等等。 其优点是：1）均采用车载，搬迁、运输灵活；2）均为全液压顶部驱动钻机，功能较齐备，实现功能迅捷；3）操作系统集中、自动化程度高，操作安全；4）可实现多种钻进工艺，或钻进工艺转换。 钻井的主要设备-钻机其缺点是：1）钻机价格较高，实施空气钻进需要的配置费用大；2）配合大功率空压机实施空气钻进，动力大，燃油消耗大，钻井直接成本

13、较高；3）采用空气钻进虽效率高、但粉尘造成环境污染严重，城市施工严重受限；4）以孔底冲击钻进方式在岩石中钻井效率高；而在松软、复杂地层中成孔效率低，优势不能充分体现。常用钻井方法1、简单地层条件：（1）松散层合金钻头、泥浆护壁、回转钻进工艺；（2）完全岩石地层牙轮、复合片泥浆钻井工艺或空气潜孔锤冲击回转钻井工艺；2、复合或复杂地层：（1）泥浆钻井工艺；（2）泥浆钻井+套管护壁+空气钻井；（3）跟管钻井（护壁）+空气钻井；（4）多级套管+泥浆或空气钻井。地源热泵钻井工序1、施工场地准备地面三通一平；地下各类管线；空中高压线路。2、设备进场3、设备布局、安装、调试4、钻井下PE管回填或注浆5、设备移位地源热泵钻井要素1、深度：80-120M2、井径（指的是终孔直径） ：松散层不小于150MM；岩