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钻探与成井工艺窦斌博士、教授勘察与基础工程系2012年7月QQ:3629808531第三讲概论水文地质水井钻探是研究地下水在现代勘探和开发过程中所采用的钻探工艺的基本原理和基本方法。它包括的范围是:水文地质钻探和水井钻进的工艺过程、成井工艺以及使用维修等内容。一、水文地质水井钻探的任务、分类和特点(一)水文地质和水井钻探的任务水文地质水井钻的任务取决于水文地质勘察的性质、阶段。一般情况下其任务是(包括7个方面):21.查明水文地质条件,确定含水层的层位、厚度、埋藏深度;查明岩石成分和岩性结构;研究含水层构造等。2.测定各含水层的地下水位(视见水位和稳定水位);确定含水层的水力性质及其彼此之间的水力联系。3.采取岩芯、土样、水样;测定岩石的物理性质和颗粒组成,测定地下水的物理性质和化学成分,以及气体成分。34.利用钻孔进行水文地质试验,测定水文地质参数。5.利用钻孔进行地下水动态观测和监测,以了解和预测地下水动态变化规律和趋势。6.遵循“探采结合”的原则,尽力做到使勘探孔转变成供水井。7.钻凿供水井。4(二)水文地质和水井钻孔的分类1.水文地质孔在未进行过水文地质工作的地区,通过钻探了解地层情况,含水层的埋藏条件、构造等。这类钻孔采用常规口径取芯钻进,其质量按岩芯钻探六项质量指标(岩芯采取率,钻孔弯曲度,校正孔深误差,简易水文观测,封孔及钻孔原始记录和技术档案)要求。52.水文地质勘探孔水文地质勘探孔,除达到水文地质钻孔的质量要求外,还需取得地下水位、水量、水质、水温以及其它水文地质资料。为满足以上要求,需进行抽水等试验。这就需要将钻孔直径加大,进行下管、填砾、止水、洗井等成井工序,然后再进行抽水试验和水文地质观测工作。63.水文地质长期观测孔水文地质长期观测孔是通过钻孔定时测定地下水位、水质等,以了解大范围内地下水动态变化。4.探采结合孔水文地质勘探孔在满足水文地质勘探目的后,应根据用户要求,进行扩孔成井。或在勘探孔施工时就按供水井要求进行,在取得水文地质勘探资料后,移交用户作供水井使用。5.供水井为供水需要而进行钻井成井。因需进行成井工序,一般其直径都较大。7(三)水文地质和水井钻探的特点(1)地层复杂——水文地质水井钻探大多工作在第四纪的卵砾层、砂层、粘土层或基岩裂隙层。这些地层给钻探工作带来的问题是塌坍、漏失和不易取芯等。故在岩芯钻探中称为“复杂地层”,即发生事故多,效率低,钻进和采芯都困难的地层。(2)钻孔结构复杂——由于要获得分层的水文地质资料,就要求切断各含水层之间的水力联系。因此,下入套管的层次多;钻孔直径大;止水要求严格;井身结构复杂。8(3)钻进方法多——由于地层复杂,即使在一个钻孔中,往往会遇到迥然不同的几种地层。因此,近年来水文地质水井钻进方法发展很快,出现了相当多的钻进方法;如,反循环钻进法、空气钻进法、潜孔锤钻进法和震动钻进法等。(4)设备形式多——由于钻进工艺方法多,要求钻进设备与这相适应。因此,当前水文地质水井钻探所用的设备类型繁多。(5)劳动强度大——由于水文地质水井钻探孔径大,破碎岩屑多;但井深较浅,因而钻进周期不长。因此,给钻探工作带来了很多不便于实现机械化操作的问题。如换钻具、清渣等工作,都是劳动强度较大的作业。9(四)与水文水井钻探有关的岩石及地下水的特性1.岩石的水理性质水文钻探是在含水层的地方工作的。岩石与水伴生后会表现出很多特征,尤其是第四纪的岩石更是如此。岩石与水产生的性质称岩石的水理性。与钻探有关的岩石水理性有容水度、给水度和渗透性。(1)容水度—岩石能容纳一定水量的性能称岩石容水度,容水度的数值等于所容纳水的体积与岩石体积之比。当岩石孔隙被水饱和充满时,水的体积等于孔隙体积,因此,容水度在数值上与岩石的孔隙度相等。10(2)给水度—水能从岩石中自由流出的能力称岩石的给水度,其数值等于流出的水体积和岩石体积之比。给水度与孔隙度区别在于前者是指水能串通而流出的数量,后者包括密封的孔隙。砂类土给水度如表2—1所示。

表2-1砂类土给水度数值表0.30-0.350.25-0.300.20-0.250.15-0.200.10-0.15给水度砾砂粗砂中砂细砂粉砂岩石名称11表2-2岩石透水性分类表(3)透水性—在水的重力作用下,岩石允许水通过的性能称为透水性,通常用渗透系数K表示。岩石以渗透系数分类如表2—2所示。

<0.0010.01~0.0011~0.0110~1>10K值(m/昼夜不渗水微透水弱透水透水强透水类别122.地下水在含水层中的特性地下水主要是由大气降水和水汽的凝结而成的。地下水的形成除了要有补给来源外,还要有一定的地层条件。首先要有能够含水的岩层,如砂层,砾石层或裂隙、溶洞较发育的岩层等,这些岩层称含水层。在含水层之间往往有透水性比较差的由粘土物质组成的岩层称为隔水层。当分布广、厚度大的含水层被水充满时,即形成良好的供水水源。从地下水的埋藏条件来分,可分为三类。13(1)潜水—埋藏在地表以下第一个隔水层以上的地下水,叫做潜水。潜水因距地表较近,容易接受大气降水和地表水的补给,水位和水量受气象因素影响较大。它在地表分布广泛,埋藏在松散的岩石中或带有裂隙、溶洞的坚硬岩石中。潜水可以作为日常生活用水和工农业用水的水源。14(2)层间水—埋藏在地表以下两个隔水层之间的水叫做层间水。当两个隔水层间完全充满具有水头压力的水称承压水或有压层间水;当两个隔水层不完全充满地下水叫做无压层间水。钻孔穿过含水层顶板打入承压水层时,水能喷出地表的就称自流水。大部分层间水水质好,水量大,是工农业用水的重要水源。15(3)岩溶水—存在于可溶性岩层的裂隙、溶洞或暗河中,由于裂隙、溶洞较大,降水易下渗,因此,动态变化受气候影响显著,水位变化幅度大。在岩溶水层钻进时会有很多困难,尤其大的溶洞层。16二水文地质水井井身结构要素的确定(一)井身结构的概念及要素1.井身结构水文水井钻孔前和钻井过程中,为了满足水文地质及成井工艺的要求,必须根据不同的地层和钻进成孔方法,确定钻进的深度和不同井深或地层时的钻孔直径。这种井深与井径的匹配关系称之为钻井(孔)的井身结构。一般可用图示法或文字描述法表示。2.井身结构要素——钻井深度;钻井直径。17(二)水文地质水井井身结构要素的确定原则1.钻井的深度水文地质水井钻探的钻孔深度,需由勘探或开发地下水目的层的埋藏深度来决定。施工前,这个深度一般由地质理想柱状图推断而定,或由附近的钻孔资料推延而来。这是个估计的概略的深度。精确的深度是在钻进期间,由取芯或采样做最后的确定。18永久性生产水井、重要的探采结合孔和长期性的观测孔等,都要在滤水管下部安装沉淀管,以便使水井在运行中将随水进入滤水管内的细砂沉淀后储存起来。因此,在设计井深时应考虑沉淀管的长度。当含水层较厚时,沉淀管可以留在含水层中;若含水层较薄或要求出水量较大时,为了充分利用含水层,将沉淀管放在含水层底板内,即钻孔深度到达含水层以下3~5m而终孔。192.钻孔直径钻孔直径包括开孔直径、中间变径和终孔直径。水文地质水井的终孔直径的决定因素有:a.岩心直径的要求:

水文地质钻孔常要求岩芯有一定的直径,以便分析岩石的水文地质参数。当前我国地质部门规定终孔直径不能小于110mm。特殊情况下才使用91mm的钻头补采岩芯。20b.滤水管的直径

滤水管的直径与涌水量有关,有关滤水管直径及其细节将在后文讨论。c.抽水泵泵体外径的尺寸

在下深井泵的水井中,终孔直径要考虑井内泵体的直径。中间变径及其次数是由地层情况决定的。根据确定的终孔直径和中间变径次数,就可以推算出开孔直径。21三、水文地质水井的钻孔结构1.水文地质普查钻孔的结构

水文地质普查钻孔要求全孔取芯,取芯钻孔段直径不小于110mm,岩芯采取率不低于75%。因此,终孔直径一般为110mm。直径127mm的套管是作为必要的护孔管。井口管用直径146mm的套管或选用大一级套管,即留一级备用井径。钻孔结构如图1—1所示。图1—1水文地质普查钻孔结构图22水文地质勘探钻孔除要求取芯及满足钻探质量指标外,更重要的是获得地层的水理性和其它地下水活动的资料。因此,钻孔必须进行抽水试验,要求滤水管直径不小于108mm。根据不同地层和滤水管外填砾要求,钻孔结构可以参考图5.0—2所示的例图进行设计。2.水文地质勘探钻孔的结构23探采结合孔是经常使用的一种钻孔结构。其特点是要满足勘探钻进的要求,又要考虑成井的需要。探采结合钻孔的滤水管多采用直径146mm或更大的滤水管。上部井管应保证深井泵体能下入井内,一般井管直径比深井泵公称尺寸大一级。钻孔直径可以中间不变径,井管变径可用异径接头联接。3.探采结合钻孔的结构24水文地质长期观测钻孔的任务是在取得水文地质资料后,要进行长期的监测地下水的活动情况。其一般结构如图5.0—4所示。

4.水文地质长期观测钻孔的结构255.供水水井的井身结构供水水井在井径上要求要大一些,其管外止水密封一般采用永久性的封固。(1)浅供水井(浅井)浅供水井是指深度在60m以内的农田灌溉井。井径一般大于400mm,井管采用铸铁管、混凝土管等。井身结构多为一径到底,井身结构可参阅图5.0—5所示。(2)中深供水井的结构井深在100m~300m时称中深井。中深井的井管常用钢管、塑料管或铸铁管。井管内径多在200~300mm。井身结构可参阅图5.0—6所示。2627(3)深供水井的结构超过300m的供水井称深井。这种井要求管外严格牢固地密封,且中间采用多层的技术套管,结构比较复杂。(4)基岩水井的结构当开发基岩中水时,必须将上部地表水或第四纪的含水层加以封隔,以保护基岩中水的质量。2829四、单井涌水量的计算单井涌水量计算的理论基础,是法国水力学家裘布依奠定的。它是以稳定流理论为基础,分潜水和承

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