岩土施工——水井施工技术1.ppt

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1、岩土工程施工技术岩土工程施工技术福建工程学院土木工程系主讲教师:林 奇2010年2月16日联系电话联系电话:13905020292电子邮箱电子邮箱:13905020292L海上钻井钻探打水井气井第一章 水井施工技术第一章 水井施工技术第一节 概述 地下水供给 水井应用 污水排放 地热开发与利用 地面降水与回灌地下取水枯井地热开采基坑井点降水上海动车段污水泵井工程 一、水井井身结构设计1、井的分类 承压完整井分承压水井与潜水水井 承压非完整井分完整井与非完整井 潜水完整井 潜水非完整井自流井：地下水能自动喷出地表的承压水井。供水井是垂直安置在地下的取水建筑物。2、水井结构 井壁管：保护井壁或隔离

2、非开 采层（不良含水层）过滤管：滤水挡砂和保持含水 层井壁稳定 沉砂井：沉积水中泥砂 填充物：砾石保证水质和 防止过滤器淤塞。粘土封闭和止水。3、水井结构要素的确定井深：由开发地下水的目的层埋藏深度决定。井径：开孔直径 中间变径 终孔直径 出水量滤水管直径 终孔直径 中间变径 开孔直径取水泵直径过滤层厚度4、供水井井身结构形式浅供水井：100m以内，井径大于400mm，多一径到 底或两种直径，如图。中深供水井：100300m，井管内径200300mm，多用钢管和塑料管，如图。深供水井：大于300m，要求管外牢固密封，中间采 用多层技术套管，如图。基岩水井：必须将上部地表水和第四纪含水层以加封

3、隔，保护基岩中水的质和量，如图。除外还有定向井、扩底井、辐射井等，如图。浅供水井中深供水井深供水井基岩水井5、供水井井身结构举例浅供水井井身结构，图16。中深供水井井身结构，图17。尾管式成井井身结构，图18。浅供水井井身结构中深供水井井身结构尾管式成井井身结构第二节 水井钻进方法钻进方法 冲击钻进 回旋钻进 反循环钻进 空气钻进 潜孔锤钻进一、钢绳冲击钻进（一）基本原理 是借助于一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底岩石，使岩石破碎而获得进尺。当进尺增大，需用抽砂筒捞取井底沉渣后继续钻进。（二）钢绳冲击钻进特点破碎效率高，钻速快，成本低；设备简单，移动方便；钻头磨损小，钻头破碎岩石是不

4、连续的；动力消耗小，能钻凿较大直径的钻孔；钻井液不循环，水量消耗小；只能钻进垂直的井孔。（三）钢绳冲击钻机冲击钻机有：CZ20型、CZ22型、CZ30型、CZF30型等。钻机组成：动力机、主轴、冲击机构和桅杆等部件。CZ22型冲击钻机冲击钻机的冲击机构CJZ-5型冲击工程钻机（四）钢绳冲击钻具钢绳冲击钻具包括：冲击钻头、冲击钻杆、钢丝绳接头、钢丝绳和抽筒。冲击钻头：图113、图114冲击钻杆：图115钢丝绳接头：图116抽筒：图117钢丝绳：钻具为丝扣连接时，钢丝绳拧合方向应与钻具丝 扣方向相反。卷筒钢丝绳常用619+1沥青麻丝左 向交互捻的钢丝绳。钢丝绳拉力：Pk1k2Q（阻塞系数k1=1.

5、21.5，安全系数k2=6,Q为钻具的重力）卷筒和滑轮的最小直径与钢丝绳直径之比不 应小于1218冲击钻头：冲击钻杆钢丝绳接头抽筒（五）钻具与冲击机构的运动冲击机构的运动符合四连杆机构的B点运动规律。四连杆机构的B点运动规律与压轮边缘上b点的运动规律相似。b点运动方程为点运动方程为（均为的函数）：1=180，延长钻具提升延长钻具提升时间，使提升速度得以减时间，使提升速度得以减少，节约整个设备的功率，少，节约整个设备的功率，适合于小型钻机。适合于小型钻机。O点在点在B点正下放方点正下放方B点运动方程为点运动方程为O点不在点不在B点正下方点正下方O点不在B点正下方，180，它的速度和加速度半周期不

6、等，各有最大值。钻具上升速度小，可以减少钻机动力功率。适用于大型冲击钻机。井内钻具的运动钻具经钢丝绳受冲击机构牵引而提升，可以看成钻具运动与冲击机构运动相吻合；下降时，钻具则呈自由落体下降。钻具下降加速度的数值，决定于岩粉的密度。钻具在井内运动，下降过程中承受的阻力有三种静水阻力：等于钻具排开的钻头体积岩 粉浆重量。惯性水阻力：正比于孔内岩粉质量和岩 粉的上升瞬时加速度，还与 钻杆及钻头尺寸之比有关。动水阻力：正比于钻具瞬时下降速度的 平方及动水阻力系数（或正 比于瞬时加速度及冲击高度）。e为相对直径钻具的实际直径与钻孔实际直径之比。一般井径比钻头名义直径要大720%。J：钻具在井内下降加速度

7、N：单位时间内钻具的冲击次数Q：钻具的重力V：单位时间冲击破碎岩石的体积（六）钢绳冲击钻进规程冲击钻进规程是研究如何合理、有效运用冲击钻具进行钻进，从而达到提高效率，保证质量和降低成本的问题。从冲击钻进功能消耗原理来分析影响冲击钻进效率的技术参数。v钻=4（1.02QjSn）/aD2=(1.3QjSn）/aD2 v钻单位时间内破碎岩石高度，即钻进速度（cm/min)影响钻进速度的因素：Q 钻具的重力；j钻具下降加速度；S钻具的冲击高度；n钻具的冲击次数；D钻孔直径；a破碎单位体积岩石所需的冲击能（六）钢绳冲击钻进规程1、钻具的重力 Q=2oh2lkk0/s o考虑横刃系数（取1.251.3)h

8、 吃入岩石的深度 l 钻头的刃长 ktan（/2）+k0（1+2.510-6kL/l)L钻具的工作长度 钻具刃角 钻头刃部与岩石的摩擦系数(0.150.4）（六）钢绳冲击钻进规程 在实际选择和计算过程中,常采用单位钻头刃长的钻具重力为:qo=mg/lo Q=qoloN式中:m钻具工作部分的质量，包括钻头、冲击钻 杆和钢丝绳接头（kg）；lo 钻头上的有效刃长；N 钻头刃边数量。qo选择：软岩250300N/cm；中硬岩石 850400N/cm；硬岩 500600N/cm；极硬岩石 650800N/cm。（六）钢绳冲击钻进规程2、冲击高度 增加冲击高度也就增加冲击能，可提高钻进效率。但冲击高度受

9、钻具运动时间影响，还受钻具本身强度限制。钻具材料允许最大冲击高度：Smax=cr2/32j cr钻具允许压应力 对于硬度不高的岩石，Smax可取比计算值高的数值。（六）钢绳冲击钻进规程 3、冲击次数 冲击次数愈大，单位时间对岩石的破碎作用的次数愈多，效率就提高。但在冲击钻进时，钻具的冲击次数与机构运动速度必须匹配，不能任意增加，因此限制了钻进效率的进一步提高。对于第一类冲击机构：n=50/s0.5 (次/min）对于第二类冲击机构：n=47/s0.5 (次/min）可见，n与s平方根成反比，n对s影响较大。低于合理的冲击次数，减少了冲击速度；高于合理冲击次数，导致钻头在井内“打空”。（六）钢绳

10、冲击钻进规程4、岩粉浆密度（1）岩粉浆的密度影响钻具的下降加速度，会使钻具的下降和压轮的上升不能很好地吻合。密度太小，加速度大，会受运动缓慢的压轮限制；密度过大，加速度小，造成“打空”。（六）钢绳冲击钻进规程（2）如岩粉浆密度不适，会在井底形成一层岩粉垫，减弱钻头在孔底的冲击作用。最优岩粉浆密度区段：当岩石的比重愈大时，最佳密度也相应愈高。实际操作控制方法：控制回次间隔；控制掏砂量。即“勤掏少掏”。（六）钢绳冲击钻进规程5、悬距 当冲击梁处在上死点的位置时，钻头距离孔底的高度称为悬距。留悬距是为了解决钢丝绳在冲击过程中，由于钻具的重力作用，使钢绳发生弹性拉伸变长的现象。悬距决定于：岩石的硬度、

11、每冲击一次的岩石破碎深度、缓冲器的弹性伸长量和钢绳的伸长量等。钻进软岩时，不需要留悬距。钻进硬岩时，使钢绳的伸长值和补偿器的压缩值应等于悬距和钻具切入深度。正常悬距 h=（0.20.5）f（普氏）f（普氏）普氏岩石硬度系数，等于1/10岩石抗压强度。软岩h为03cm；中硬岩h为34cm；硬岩h为45cm。冲击钻进技术参数（七）冲击钻进在典型地层中的综合应用1、大卵石、大漂石等地层钻进联结力差，卵石硬而表面光滑，易发生塌孔、井斜和大量漏失。钻进规程：采用大冲击高度和少冲击次数，较大的钻具重量。漏失不大水（或泥浆）钻进；漏失严重投入黏土。井斜时，将碎块石填入空内倾斜段纠斜钻进。地层钻进和护孔同样重

12、要。如加入黏土增加孔壁联结；采用大刃角钻进；经常检查钻头尺寸，防止夹钻事故等。（七）冲击钻进在典型地层中的综合应用2、粘土层钻进由于岩粉浆密度的提高，易造成糊钻和缩径等。采用高液柱钻进，勤掏浆，补充比重小的泥浆；钻具重量不宜过大，刃角要适度小些；冲击次数适当减少，放绳要勤而少，防止孔壁扩大；遇黏土细砂层，可投入砖块和软碎石，改变土体结构，增加井壁稳定；黏土夹砂层，可使用抽筒钻头或加重的抽砂筒钻进。（七）冲击钻进在典型地层中的综合应用3、砂层钻进主要问题是保护井壁，采用优质泥浆压孔钻进。较薄的流砂层，投黏土球增加护壁能力；很厚的流砂层，采用跟管钻进。（七）冲击钻进在典型地层中的综合应用4、裂隙发

13、育的岩石层钻进主要问题是孔壁坍塌掉块，卡钻，钢丝绳拉断。采用十字形钻头；岩粉浆稠度适当提高；岩层特别碎时，孔内投入一些黏土，增加井壁稳定；掌握好悬距，放绳少而勤；冲击次数和冲击高度要配合适当，减少钻具抖动；钻头及时补焊，防止新钻头卡钻。二、大直径回旋钻进（一）基本原理 通过钻头的回旋钻进，借助于钻头的硬度和切削力，使岩石破碎和摩碎而获得进尺。当进尺增大，需用泥浆循环排除井底沉渣后继续钻进。（二）回旋钻进特点钻进速度快；钻机输出功率大；设备庞大；钻进工艺不完善；（三）、回旋钻进设备与组成SPJ-300钻机红星-300钻机SPC系列钻机SPY型钻机等 回旋钻机一般由动力机、泥浆泵、绞车、转盘和钻塔

14、等部分组成。SPJ-300钻机SPJ-400型水文工程钻机 SPJ-500型水文工程钻机TSPJ-600型水文水井钻机（散装）GS-300A工程、水井钻机 SPS-600钻机BZC-350B车载式水井钻机 FGSL-300A型工程、水井钻机（四）回旋钻进方法 软地层取芯钻进1、取芯钻进 硬地层取芯钻进主要问题：易产生缩径、糊钻、埋钻、坍塌或孔径扩大等。钻头 肋骨钻头：螺旋肋骨钻头 适用于粘性土和泥岩类地层 阶梯肋骨钻头适用于砂、粘砂和砂黏土类地层 内外镶肋骨钻头适用于粘土类地层 螺旋肋骨钻头外焊三块呈45螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。正斜镶，利于切软岩。通水截面积大，循环阻力小，使孔底

15、比较干净，避免重复破碎，提高钻进效率。适用于钻进级（部分级）松软岩层、粘土层、风化砂岩及铝土页岩等。螺旋肋骨钻头阶梯肋骨钻头(内外镶肋骨钻头)唇面交错式绳索取心孕镶钻头 取芯钻具的连接方式取芯钻具的连接方式 在粗径钻具之上一般连接钻铤，以改善钻具在井内受力状态。在钻铤的上部接钻杆。钻杆采用石油钻井的钻杆。粗径钻具上部和钻铤的上部加入一段扶正器。钻铤螺旋钻铤扶正器钻杆钻杆接头软地层取芯钻进技术措施软地层取芯钻进技术措施硬地层取芯钻进硬地层取芯钻进取芯原则：先截断岩芯，再采取岩芯。常用方法：自然断芯，投卡料取芯法 先锲断，后卡取法 先炸断，后钢绳套取（四）回旋钻进方法2、扩孔钻进 是受设备能力限制

16、不能一次成井而采用的特殊方法。即先用小直径取芯钻进后再加大孔径的方法。可一次扩孔或多次扩孔。扩孔钻头：螺旋翼片钻头、直焊翼片扩孔钻头、多级翼片式扩孔钻头等。扩孔钻头规程：轻压、慢转、大泵量和优质泥浆。防斜与纠斜：加装扶正器，钻具设减浮通水孔，加重钻具。（四）回旋钻进方法3、全面钻进井底岩石全断面破碎，即无岩芯钻进成井。钻头：翼片式、鱼尾式、刮刀钻头、牙轮钻头。技术参数：大钻压、大冲洗液。锥形刮刀钻头 牙轮钻头（四）回旋钻进方法4、大直径回旋钻进存在的问题 排粉问题 断取岩芯问题 扩孔钻具及钻头加工复杂三、反循环钻进冲洗介质由钻具外流向钻具内的循环方式的钻进方法，称为反循环钻进。循环介质可以为：

17、清水、空气、泥浆。反循环钻进分为：泵吸反循环钻进 射流反循环钻进 气举反循环钻进（一）泵吸反循环钻进泵吸反循环钻进是利用离心泵或轴流泵的抽吸力量，使钻杆内流体上升的一种管路布置方式。工作原理启动方式：真空泵启动（国外）注水泵启动（国内）（一）泵吸反循环钻进泵吸反循环钻进的深度维持冲洗液循环的动力为砂石泵的真空度，用于克服流体上升时的各种阻力，因此钻进深度受到限制。井深45m以内效率较高；井深70m以后效率降低。适合于深度较浅的大直 径水井。深度m排量m370（一）泵吸反循环钻进 泵吸反循环钻进的上返速度与岩屑含量泵吸反循环钻进的上返速度 国外推荐采用的速度：3m/s4m/s。国内试验：2.5m

18、/s3.5m/s。速度过快：鹅颈管磨损过快，井壁稳定不利。岩屑含量高，流体密度大，液柱重量增加，循环困难。浅井，泥浆钻进：岩屑含量可达10%15%；深井，清水钻进：岩屑含量控制1%3%；一般地层：岩屑含量控制5%8%。（二）射流反循环钻进射流反循环钻进又称喷射反循环钻进，是利用安装在循环管路上的射流泵来驱动循环灌路中介质流动的。工作原理（二）射流反循环钻进射流泵的安装位置 射流泵潜入孔内，放在钻头上部：钻具复杂，增大流速 射流泵放在地表：利用射流泵真空度来驱动，适用浅孔 射流泵装在水龙头的下方：真空度来驱动，适用浅孔（二）射流反循环钻进射流泵的结构形式 射流泵是利用喷嘴来造成真空度的。常采用多

19、个喷嘴，布置成环状，形成“环装喷射”。（二）射流反循环钻进射流反循环钻进的深度 当上升液体流中泥砂石含量增大时，循环流速降低；达到某一极限时，流体上升运动自动停止。井深50m以内效率较高；井深50m以后效率降低。循环流量小（100m3/h）适用于井径较小的浅井。井深（m）钻速（m/h）450射流反循环钻进效率与深度关系（三）气举（压气）反循环钻进1、工作原理将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，使空气与钻杆内的水混合，从而形成比重小于钻杆外液体比重的气水混合液柱，使钻杆内外形成压力差。将钻杆内的气水流携带着岩屑，被排出钻杆而流入沉淀池中。当不考虑各种阻力和惯性力时，要使整个系统循环运动，

20、则：（Lw+H）y h ygq+Lw yg从hygq可知，气举反循环在开钻最初（理论值为7m）是不能工作的，经常在孔深25m以后才能采用气举反循环钻进。（三）气举（压气）反循环钻进2、参数选择空气混合室安装深度：由整个管路系统沉没系数确定。沉没系数m=h/H 一般m0.3。空压机的压力越大，钻进深度就越大。空压机的压力及风量:压力P=（Hygq）10-2 +P P 取0.040.1Mpa 风量Q=（22.4）d2 v尾管的长度:Lw3h钻进深度:钻进的最大深度和钻孔直径取决与空压机的功率。不适用于浅井，而适用于较大井径的深井。（四）反循环钻进工艺的合理选用四、空气钻进以压缩空气代替冲洗液作为循

21、环介质的钻进方法称为空气钻进。空气钻进方法对于缺水地区、水量严重漏失地层和不适用冲洗液循环的地方有着十分重要的意义。空气钻进钻速高的原因：“反压差”效应 空气黏度极小，又以高速吹过孔底，使孔底净化程度 提高，几乎没有重复破碎。钻头使用寿命延长，减少起下钻时间，缩短施工周期。四、空气钻进空气循环方式 正循环：最普遍。井内环状空间的压力低，介质进入孔壁孔隙的量很小，对可采层出液量影响小，孔口易密封。对大井径要求大排气量。反循环：气耗量较小，适用于大口径钻进；但易发生钻杆堵塞，在破碎地层及涌水地层工作复杂化，孔口密封复杂。局部循环（可正循环，也可反循环）：主要用于大量涌水地层。（一）空气钻进设备在采

22、用液体循环钻进设备的基础上，将原有泥浆循环设备换为空气循环设备，即可进行空气钻进。1、空压机对空压机的基本要求：风量大，风压相当，外形小，重量轻。若遇到涌水或是粘性可塑性岩层，使用深度大大减少。空压机风压不足时，可以配备相当的增压设备。风量不足时，可两台空压机并联使用。活塞式空压机水冷式空压机活塞式空压机螺杆式空压机2、井口装置一般要求：有一定的密封性能，钻机附近不得有尘埃和粉团飞扬，钻杆通过和回转时要灵活自如、结构简单、安全方便、外形规格小巧、使用寿命长，在必要时能迅速换用其他钻进方法。类型：剩余压力井口密封装置 滑动式密封井口装置 能导流的井口密封装置3、捕尘设备捕尘方法：干式捕尘(由鼓风

23、机和旋风除尘器组成）湿式捕尘（钻机立管处接一个高压水喷嘴接头）干湿结合捕尘（干式旋风捕尘器于风水接头组合）湿式捕尘装置4、仪表压力表、流量计、温度计浮子流量计电磁流量计压力表5、钻具钻杆：强度要高，直径114mm或127mm。钻杆接头：内通径要大，外径要小。一般要使用钻铤。管外环状空间的气流速度低于812m/s时，使用取粉管。钻头结构：如牙轮转头，钻头通孔要大，水口尽量接近切削具。（二）干空气钻进技术参数1、空气量计算 Q=Qo+NH Qo=vF2、空气压力计算空气压力取决与钻孔深度、钻孔直径、钻孔孔壁与钻杆的环状空间的大小、各种接头及钻头的局部阻力、钻进速度（岩粉数量）、空气量及其温度等。压

24、缩空气在钻进循环中的状态，可以看成是一个气体等温扩散过程。2、空气压力计算压力计算如下：（1）钻杆外环状空间的压力损失：（2）井底环状空间的空气压力损失：（3）钻头上的压力损失：（4）井底压力损失：（5）钻铤内的压力损失：（6）钻杆内的空气压力损失：（7）地表管路压力损失：（8）空压机的风压应大于：3、空气钻进钻头钻头上通风槽较大，较冲洗液循环钻头的水槽要大24倍。有些地方要开一些专用风道。4、钻压钻压加大，钻速提高。井斜和钻杆的刚性以及钻头的强度限制了钻压提高，其井底钻头处压力与冲洗液循环是接近或略小。5、转速空气量足，高转速；空气量不足，低转速。岩石比重小，转速大；比重大，转速小。一般外径

25、线速为0.51.0m/s。（三）空气钻进技术措施燥化钻进：采用干空气吹孔2h3h，使井壁干燥后继续干空气钻进。用于潮湿地层较薄的情况。雾化钻进：向干空气中注入清水。用于较厚的潮湿地层。泡沫钻进：把泡沫剂溶液注入压缩空气的气流中。用于涌水量较大的地层钻进。泡沫泥浆和充气泥浆钻进：五、潜孔锤钻进压缩空气既作为循环介质又作为驱动孔底冲击器的能源而进行的冲击回转钻进，称为潜孔锤钻进。潜孔锤钻进是在钻头之上装置一个潜孔锤，钻进时，在钻杆带动下回转运动，而潜孔锤在循环介质（压缩空气或水）的推动下，对井底岩石进行冲击，这样作用在钻头上既有回转又有冲击的综合作用。这种破碎岩石的方法，对硬岩是十分有效的。（一）

26、气动潜孔锤钻进特点1、钻进效率高2、钻头寿命长3、所需钻压低4、防斜效果好5、钻进成本低6、功率消耗大（二）潜孔锤及其工作原理1、有阀潜孔锤的工作原理2、无阀潜孔锤工作原理（三）潜孔锤钻进工艺规程1、风压 低压潜孔锤所需风压：0.5Mpa0.7Mpa。高压潜孔锤所需风压：0.8Mpa1.1Mpa。风压从0.6Mpa提高到1.03Mpa，钻进效率可增加一倍。风压还需考虑孔深的增加而带来的沿程压力损失，以及克服水位以下的水柱压力。2、风量 J200型风量17m3/min；W200型风量10m3/min 20m3/min；钻进速度快，岩屑颗粒大，岩粉、岩屑量大，风量也大。也可采用潜孔锤反循环钻进。（三）潜孔锤钻进工艺规程3、冲击频率 低频率潜孔锤，600次/min1000次/min。4、钻压 钻压是起到保证潜孔锤钻头于井底岩石保持良好接触以充分发挥冲击功的作用。钻压过大：钻头磨损快，钻具回转困难，消耗较大的扭矩；钻压过小：影响冲击功的有效传递，影响钻进效率。W200型钻压在1.3KN1.6KN时，效率最高。（三）潜孔锤钻进工艺规程5、转速 最优的冲击间隔和冲击频率以及转数之间的关系：=360n/f 最优冲击转角（度）n钻具的合理转数（转/分钟）f 潜孔锤冲击频率（次/分钟）总 结