第七讲 成井工艺

第七讲成井工艺第四章成井工艺水井钻的成井工艺（CompletingWaterWells），包括钻孔进结束后的冲孔、换浆、安装井管、填砾、止水、洗井和试抽等工艺过程。这些工序是相互衔接的，但又各有其要点。成井工艺的目的概括起来为两个方面：（1）将含水地层（目的层）的水经过疏通而使其能自由地流入井内；（2）封闭或隔离非目的层，以防止地下含水层的水相互串通或污染含水层。这种有选择的疏通和封闭，是成井工艺要解决的主要问题。第一节滤水管

滤水管是水井井管的一部分，当钻进成孔达到设计要求时，为了将井内地下水抽取至地表，必须首先在钻孔内下入井管。梯形丝滤水管桥式滤水管井管一般由三个部分组成，按照其在钻孔内的安装位置，自井底至井口，分别为沉淀管，过滤器（滤水管）和井壁管。井壁管三个部分一般可通过螺纹丝扣或焊接的形成连接成一个整体管柱。其主要作用是抽取地下水时，为随地下水流入井内的细小岩土颗粒提供沉淀空间；滤水管一般在井管柱的中下部，在井内位于含水层位置，其主要作用是保护钻井内的含水地层，起滤水挡砂作用；而井壁管位于井管柱的中上部，其主要作用是保护含水层以上井壁，防止塌孔，同时为地下水分层止水及抽水设备的下入与安装创造条件。设计与选择滤水管时，应满足它的基本要求。对滤水管的要求，可概括为以下5点：（1）具有最大的进水面积，以减少地下水经过它时的阻力。滤水管阻力越小，地下水在这里的流速变化越小，发生结垢的可能性越小，从而可以延长滤水管使用的年限。（2）具有足够大的机械强度，能满足安装井管时的负荷和抵抗地层的压力。（3）最大限度的耐腐蚀能力和不因滤水管被腐蚀而影响水质的卫生要求。（4）具有良好的滤水挡砂能力，滤水孔不易被地层中的物质堵塞。（5）具有安装方便、成本低廉以及取材容易等。一、过滤器的类型和结构目前，常用的过滤器按其结构可分为四种类型：（1）骨架式过滤器（2）缠丝过滤器（3）网状过滤器（4）砾石过滤器过滤器类型的选择主要是根据含水层颗粒大小和岩石的性质。（一）骨架式过滤器骨架过滤器是一种结构最为简单的过滤器。它的基本特征是：一节有孔隙的管子，即在各种材料的管子上，用钻凿、模压、焊割、铣削等方法开有圆孔或直缝作为进水的通道。骨架式过滤器除既可作独立的过滤器，也可作为其他类型过滤器的骨架。根据孔的形式的不同，骨架式过滤器又可分为圆孔过滤器、直缝过滤器、筋条过滤器三种。1．圆孔过滤器在管壁上钻有圆孔，圆孔交错排列，各圆孔中心位于等边三角形的顶点，如图所示。圆孔直径d取决于过滤器的用途，若作为独立的过滤器而直接与含水层颗粒接触，则圆孔直径d取决于含水层颗粒的大小及其不均匀度，一般10~20毫米。若作为其它类型过滤器的骨架，则d可取大一些。圆孔间距a的大小决定于圆孔直径d，一般a=（2~2.5）d。圆孔过滤器结构简单，制造方便，但由于它有直径较大的圆孔，故不适用于砂层，而只适用于坚硬不稳定的裂隙含水层或含砂量小于10%的卵砾石含水层。圆孔滤水管的孔隙率是滤水管上圆孔面积总和与滤水管有效表面之比。若滤水管外径为D，有效长度为H，则每排孔数圆孔排数为则孔隙率为：圆孔滤水管的孔隙率的大小，影响着滤水管的强度（它决定于滤水管的材质）。刚质滤水管可制成孔隙率在30%以上；铸铁滤水管可在23%左右；石棉水泥滤水管则在15～16%。2．直缝过滤器在管壁上开有长方形孔，或直缝。其排列方式可以是并列式，也可以是各排交错排列，在个别情况下不但排与排之间交错而且行与行之间也相互交错，如图9-2所示。直缝宽度与含水层粒度有关。非均质砂中直缝宽度t=(1.5～2)d50，d50为能通过50%砂粒的网眼直径。对于均质砂，t=（1.25～1.5）dcp,dcp为砂粒平均直径。若直缝过滤器用作其他类型过滤器的骨架，则t值可任意选择，一般为10~20mm或更大些。直缝的长度可为任意值，但一般为50~100mm左右。缝与缝之间的轴线距离通常为缝宽t的10倍。各排直缝之间的距离约为10~20mm。直缝过滤器由于孔眼横向尺寸比圆孔过滤器小，过滤能力较强，故适用于粗砂含水层，也适用于卵砾石层及坍塌裂隙含水层。但此种过滤器加工较困难，需要专门的铣槽设备，因而应用较少。3．筋条过滤器在两节短管之间焊以直径为10～16mm的钢筋，钢筋围成圆柱形，每根长约3～4m。其内每隔1m左右焊一支撑圈，以增大其刚度，如图9—3所示。筋条过滤器的优点是孔隙率大，可达50%左右，过水能力强，又节省金属，制造方便，成本低廉，适合于含水层薄而涌水量大的浅井。它还常用作缠丝过滤器的骨架。（二）缠丝过滤器

缠丝滤水管是在骨架滤水管外缠以金属丝而成。倘若骨架管是圆孔滤水管或条缝滤水管，在管外每隔40~50mm焊上直径6mm的垫筋，然后再缠金属丝。金属丝的断面可以是梯形、圆形或三角形。以梯形为好，梯形上底向内（窄边），下底向外（宽边），使滤水孔断面呈“V”形。这种滤水孔既可减少砂粒堵塞，又有高的过水效率。梯形不锈钢丝过滤器梯形过滤器（三）包网滤水管包网滤水管制作方法与缠丝滤水管采用的骨架管相同，只是外表不缠丝而包以过滤网而成。如图5.2—5所示。常用的过滤网有：钢丝网、铜丝网和不锈钢丝网、聚氯乙烯塑料网、尼龙丝网和玻璃丝网等。钢丝网易腐蚀，铜丝网易形成电化学腐蚀，故逐渐被非金属丝网所代替。包网滤水管易堵塞，永久性的生产水井不宜采用。波纹过滤网（四）砾石滤水管砾石滤水管是人们根据含水层颗粒情况，选取适合的砾石并充填于骨架管与含水层之间，形成一个人工砾石过滤层，以增大水井的过滤半径。其骨架管常是骨架滤水管、缠丝滤水管或特制的筐架。如图5.2—6所示。（五）贴砾滤水管（贴砾管）贴砾滤水管是在骨架管外将砾料、粘合剂、石膏等物质，按一定比例在模具里加压、固化而成。

相对于砾石过滤器，贴砾管直径较小，适用于直径较小的井孔中，且成井工艺简单，但其强度较低，下入井内时，与井壁碰撞易损坏。此外，还有玻璃钢滤水管、塑料滤水管、陶瓷滤水管等多种类型。微孔陶瓷滤水管PVC滤水管二、过滤器的选择过滤器的选择除应满足一般要求外，还应综合考虑水文地质条件，技术条件及化学和细菌因素的影响。（一）水文地质条件：1．根据含水层的粒度选择过滤器类型，见表9-1。2．含水层粒度对过滤器孔隙率有一定影响一般：含水层粒度愈小，过滤器孔隙愈小而孔隙率增大。3．过滤器安装在井内动水位以下。4．避免有害污染含水层的影响5．过滤器应尽可能安装在于下部粗砂砾中，尽量避免上部细砂

（二）技术条件1．根据过滤器的使用目的、期限选择过滤器临时供水井和水文地质试验孔中的过滤器，可降低对制造材料的要求以及防腐要求，砾石充填物的厚度可以缩到最小程度。而长期供水井中对材料的防腐保护要求则大大提高，砾石充填物的厚度应增加。2．根据预定的取水量选择过滤器如果井的预定取水量较大，就需要选择滤水面较大的过滤器，增大过滤器直径和砾石充填的厚度是扩大滤水面的重要途径。3．地下水的埋藏条件对过滤器的选择也有一定的影响在潜水层和承压含水层内，井内水面距地表可能很近，此时，抽取地下水的设备一般很简单，过滤器的直径只与允许进水速度和取水量有关，若井内水面很深，则还必须根据深井抽水设备的情况来选择过滤器。（三）化学和细菌因素1.化学因素的影响地水的埋深、pH、CO2、H2S、SO2、Fe离子及有机酸，温度等。2．电化学作用钢管腐蚀，铜丝网沉积堵塞，所以过滤器不宜用两种金属材料。3．细菌因素的影响（1）地下水中Fe++浓度大→铁菌摄取亚铁盐为食物，大量繁殖→Fe(OH)聚集、堵塞过滤器（2）地下水中浓度高→硫酸盐还原菌、使→H2S→FeS、CaS堵塞过滤器。总之，过滤器在地下水中的结垢与腐蚀是由电化学、水化学、生物化学共同作用的结果。四、过滤器基本尺寸的确定和计算过滤器基本尺寸有：滤水孔大小，孔隙率，过滤器的长度和直径。基本尺寸是否合理，将影响过滤器工作性能、水井的水质与水量等。1．滤水孔尺寸的确定滤水孔尺寸的大小必须与含水层粒度相适应，合理的滤水孔尺寸确定原则是允许含水层中50～70%的细砂粒通过，使含水层井壁的剩余粗颗粒形式“圆形拱”。2．孔隙率的确定滤水管的孔隙率是指过滤器孔隙总面积与管子表面积之比，一般用m表示。

孔隙率过大，滤水管强度降低；孔隙率过小，将会产生堵水效应。合理的孔隙效率应不小于地层的给水度。一般情况下，各滤水管的孔隙率为：圆孔、直缝过滤器：m=20~40%筋条缠丝过滤器：m=40~60%网状过滤器：m=20~35%贴砾过滤器：m=15%左右水量轻小的水井中m=10~15%3．过滤器的长度（1）过滤器的长度应保证滤水管进水面积足够大，使地下水能以安全流速和最小的水头损失流入井中。（2）过滤器是安装在含水层井段内的，在潜水层中，过滤器上端口应低于动水位；在压力水层中，过滤器长度等于或略小于含水层厚度。（3）在设计过滤器长度时，应确定一个合理的有效长度。实验表明，随着井内过滤器长度的增加，井内出水量亦逐渐增加，当增加到一定长度后，井内出水量的增长率趋近于零。一般：粒度均匀的含水层，过滤器长度=70~80%含水层厚度。非均质含水层中，过滤器长度=（1/2~1/3）含水层厚度。（4）当含水层厚度很大（大于10m以上），过滤器的有效长度可按下式计算：

式中：L——过滤器的有效长度，m；

a——校正系数，与含水层和井结构有关，一般取17；

Q——设计的涌水量，l/s。4．最大允许进水流速的确定合理的进水流速会使含水层中细小砂粒流动，大砂粒则会形成圆拱，而过大的流速、会使含水层产生扰动，使大小砂粒均产生流动，同时还会导致碳酸盐的产生。最大允许进水流速： 米/昼夜式中K——含水层渗透系数，米/昼夜。5．过滤器的直径过滤器的直径由最大允许进水流速v来确定，过滤器外径： （米）

式中：Q——估计涌水量或计划供水量，米3/秒；L——过滤器的长度，米；m：孔隙率；v——最大允许进水流速米/秒。探井：查明井壁是否圆滑、规则，有无缩径、坍塌等换浆：清除泥皮，降低泥浆粘滞性及排屑校正孔深：确定井管、过滤器的长度和位置检查设备：保证下管顺利安全强度校核：保证井管、过滤器强度配管：井管及过滤器组配，下入顺序排列等升降机提吊下管法钻杆托盘下管法二次下管法钢绳托盘下管法综合下管法第二节井管的安装（自习内容）

包括下入井管和过滤器、沉淀管下管的基本步骤下管基本方法了解：适用范围，基本步骤及工具、材料第三节填砾将选好的砾料投入过滤器与井壁之间的环状间隙中，这一工序称为填砾。填砾的目的是在滤水管与井壁之间形成人工过滤层。此人工过滤层可以增大滤水管四周的孔隙率和透水性，减小进水时的水头损失，以增加单井出水量。同时，可以起滤水挡砂作用，以防止含水层中的细小砂粒涌进滤水管内。因此，可以延长水井的使用寿命。一、砾料的选择选择砾料时，应确定：砾料的均匀度、砾料的质量和砾料的直径。1．砾料的均匀度砾料的均匀度主要涉及用一种规格的砾料还是多种规格的砾料，室内试验证明了均匀砾料无论在渗透性和孔隙度上皆优于混合砾料。选择砾石的均匀度应从增大地层渗透性、挡砂效果和经济性统一考虑。每一地层的砾料有一个标准直径，但要规定误差范围，推荐误差范围为8%。例如，砾料直径为3mm时，应采用3.24mm和2.76mm两种筛网过筛。2．砾料的质量砾料应该是干净的、滚圆的、光滑的砂砾。不应采用机械破碎的岩石颗粒。砾料应由硅质组成，其它石灰质、页岩和石膏质的颗粒含量最多不超过15%。在深井和热水井中的砾料，如果杂质较多，应将砾料进行酸处理后再填砾。3．砾料的直径

正确地选择砾料的直径是填砾成功的基本条件。通过大量的室内试验和野外现场观察，砾料直径=（4~8）含水层砂粒直径，以6为最佳。二、填砾厚度和高度1．填砾厚度增大填砾厚度，扩大具有良好透水性能的人工过滤层的范围，可以增加水井的出水量。故在施工条件许可时，应适当加大填砾厚度。一般填砾厚度约为75～100mm。为此，要求井的终孔直径比滤水管外径大150～200mm。2．填砾高度在确定填砾高度时，应考虑到洗井抽水过程中，砾料会震实下沉（一般可下沉填砾高度的1/10左右）。管外砾料高度应当超过含水层顶板，其超过的高度，应根据含水层的条件来定。一般情况下填砾应高出含水层2～3m。三、填砾方法1．静水填砾法填砾时，井孔中的冲洗液处于相对静止状态，故称静水填砾法，此法适用于浅井和稳定的含水层。填砾时，应均匀地由井管四周填入（见图3-1-75），填入的速度不宜太快，以防砾料中途堵塞而出现“塔桥”现象。当投入部分砾料后，由于砾粒下降，形成井管内外压力差，迫使井管内的泥浆外溢，此时填砾速度可稍快一些。2．注水填砾法将钻具下入井管内，密封管口（图3-1-76）开泵送水。冲洗液被压入井管内，并通过滤水管进入井管与井壁之间的环状间隙内，然后从井口返出。从井口返出泥浆的粘度达18s左右时，即可边送水、边围填砾料。这种填砾方法因有冲洗液循环，可以减少砾料在中途填塞的机会。3．抽水填砾法抽水填砾是利用空压机（见图3-1-77），进行反循环抽水，同时在井管外部进行投砾，砾料随着反循环水流而高速下降，沉落在滤水管周围。这种方法围填的砾石比较密实，填砾速度快。另外，抽水填砾法还可将井底大量的岩屑和稠泥浆吸入井管内，并被抽出井外，有利于冲孔洗井。第四节止水为了一定的目的，在井孔中隔离个别岩层的工作称为止水。在水文地质勘探钻孔中，止水的目的是隔离各含水层或漏失带，防止各含水层之间相互串通干扰，以便正确评价水文地质条件。在供水井中，止水的目的是隔离有害含水层和地表水，以保证井水不受污染。有时为了合理利用地下水，需要分层开发，亦需进行止水工作。

止水工作是根据孔内试验的要求和地层情况，采用合适的止水材料来封闭套管（或井管）与含水层井壁之间的间隙。止水的方式方法很多，概括起来可分为两种：临时止水永久止水一、临时止水在一个钻孔中，对两个以上的目的层（含水层）仅进行水文地质试验与测试时，或该目的层取完资料后并无保存钻孔必要时，在目的层之间采用的临时性止水方法。临时止水材料除要求可靠性、不污染地下水外，还应有利于套管的起拔。常用的止水材料有：海带、桐油石灰、橡胶制品等。1．海带止水由于海带具有柔软、遇水膨胀、压缩后对水气不渗透等性能。因此，多用于松散地层与较稳固的隔水层处的临时止水中。海带止水的最主要优点：起拔套管时，海带容易被破坏，因而减少了起拔套管的阻力。2．桐油石灰止水桐油石灰混合物。具有良好的粘性、塑性及不渗水性。桐油和石灰的重量比称油灰比，随着油灰比值的增加，其粘性和塑性也随之增加，但干涸时间也延长。一般油灰比为1∶3~1∶5。使用桐油石灰止水，取材容易，成本低廉，安全可靠，所以是较好的止水材料。3．像胶制品止水橡胶材料具有弹性和对水、气不渗透的特性，因此，将橡胶材料制成一定几何形状——球形、胶圆、胶囊等，固定于止水管外部。使用时，进行机械压缩、充水或充气等方法使之膨胀，即可将止水管与井壁环状间隙封闭，达到止水目的。二、永久止水永久止水用于供水井中。主要封闭有害含水层，以防止水质恶化。通常采用粘土、水泥等永久性材料。1．粘土止水粘土是具有一定粘结力的抗剪强度，压实后又具有不渗透水性，且经济实用、来源广泛。适用于松散地层填砾成井的大直径生产井、抽水试验孔或长期观测孔。粘土止水常将粘土合成小球围填于钻孔和套管之间，下杆捣实；或先投入钻孔内，然后下入带木塞的套管将粘土挤在套管与孔壁之间。当钻孔很深时，也可将粘土合成稠泥状灌入井管外的间隙中。2．水泥止水水泥在水中硬化，将井管与井壁间的岩石结合在一起，具有较高强度和良好的隔水性能。因此，广泛应用于永久性止水的水井中。利用水泥止水，大多采用将水泥合成水泥浆，利用泥浆泵泵入到井管与孔壁之间。三、止水质量的检查止水工作完毕后，一定要进行质量检查，以保证所取得资料的准确性。检查止水方法很多，主要有：1.水位差检查法当止水物发生效用后，管内外静止水位即发生变化，如图5.2—19所示。如果相邻的含水层压力相差不大，可以采用向某一含水层抽水或注水，测量含水层的静水位有无变化来检查止水质量。2．泵压法检查止水效果在抽水前不打开水管下部的挡板，而向止水物中间注水，如耗水量小于规定数量则认为止水有效。如图5.2—10所示。3．食盐扩散检查法利用食盐溶液与淡水电阻率不同，人为地在某一含水层加入食盐。用电测法来测定两含水层的电阻率变化，判定止水质量。第五节洗井一、洗井的意义及其基本原理当前所采用的钻井方法，都会对钻孔周围的含水层产生不同程度的损害。常规回转钻进时，若采用泥浆作为循环介质，堵塞尤为严重。清除井壁上的泥皮，并把深入到含水层中的泥浆抽吸出来，恢复含水层的孔隙；进而抽洗出含水层中一部分细小颗粒，扩大含水层的孔隙而形成一个人工过滤层。这个高渗透率的人工过滤层的形成工作过程，叫做洗井。通过洗井，要达到：（1）清除任何钻进方法所不可避免的“泥皮影响”。松开滤水管周围的砂层，使其恢复失去的孔隙率。（2）洗去含水层中的细砂，提高水井附近含水层的渗透率；（3）在滤水管周围形成渗透性由高变低的自然的圆环带。洗井基本原理：是利用水在滤水管向含水层部位产生反复流动，就像洗衣机洗掉污垢一样。如果使水仅一个方向流动，就会产生如图5.2—22所示的现象。细砂在粗砂之间架起了砂桥。这种砂桥影响细砂的进一步清除和滤层的稳定。因此，有效的洗井活动需要使水从滤水孔中流进流出，从而破坏砂群的架桥。二、洗井方法洗井的方法很多，下面介绍几个常用的洗井方法。1．活塞洗井国内常将活塞安装在钻杆上，并下入到井管内滤水管部位，利用升降机上、下活动钻具，使钻杆活塞在滤水管内上下往复运动，从而产生抽吸及水击作用，破坏填砾层外的泥皮及疏通含水层通道。这种活塞在填砾层中造成的水力冲击是较大的，甚至引起砾料来回翻腾、砾料重新排列压实。这种操作方法在国内收到良好的效果。图5.2—23为国内常用的活塞，图5.2—24为国外用的活塞。2．压缩空气激荡洗井该洗井法是用高压空气间歇地向井内猛烈喷射，借以破坏井壁泥皮。洗井时，可按同心式安装风管和扬水管，如图12-15所示。在浅水井中，可先将风管伸出扬水管外1～2m，然后猛开贮满高压空气气罐的气阀，使大量高压空气射入井内，将泥皮冲破，使泥浆和细砂随即涌入井内，然后将风管提入扬水管内，继续向井内送入压缩空气，进行抽水冲洗。在深井中，因受空气压缩机额定风压的限制，风管不能伸出扬水管外，可间歇地向扬水管内送入压缩空气，使井内水位发生激烈震荡、数次震荡后，即可连续送风抽水。3．喷射洗井