第三講鉆井與成井工藝概論

鉆探與成井工藝竇斌博士、教授勘察與基礎(chǔ)工程系2012年7月QQ:3629808531第三講概論水文地質(zhì)水井鉆探是研究地下水在現(xiàn)代勘探和開發(fā)過程中所采用的鉆探工藝的基本原理和基本方法。它包括的范圍是：水文地質(zhì)鉆探和水井鉆進(jìn)的工藝過程、成井工藝以及使用維修等內(nèi)容。一、水文地質(zhì)水井鉆探的任務(wù)、分類和特點(diǎn)（一）水文地質(zhì)和水井鉆探的任務(wù)水文地質(zhì)水井鉆的任務(wù)取決于水文地質(zhì)勘察的性質(zhì)、階段。一般情況下其任務(wù)是（包括7個(gè)方面）：21.查明水文地質(zhì)條件，確定含水層的層位、厚度、埋藏深度；查明巖石成分和巖性結(jié)構(gòu)；研究含水層構(gòu)造等。2．測定各含水層的地下水位（視見水位和穩(wěn)定水位）；確定含水層的水力性質(zhì)及其彼此之間的水力聯(lián)系。3．采取巖芯、土樣、水樣；測定巖石的物理性質(zhì)和顆粒組成，測定地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，以及氣體成分。34．利用鉆孔進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)，測定水文地質(zhì)參數(shù)。5．利用鉆孔進(jìn)行地下水動態(tài)觀測和監(jiān)測，以了解和預(yù)測地下水動態(tài)變化規(guī)律和趨勢。6．遵循“探采結(jié)合”的原則，盡力做到使勘探孔轉(zhuǎn)變成供水井。7．鉆鑿供水井。4（二）水文地質(zhì)和水井鉆孔的分類1．水文地質(zhì)孔在未進(jìn)行過水文地質(zhì)工作的地區(qū)，通過鉆探了解地層情況，含水層的埋藏條件、構(gòu)造等。這類鉆孔采用常規(guī)口徑取芯鉆進(jìn)，其質(zhì)量按巖芯鉆探六項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)（巖芯采取率，鉆孔彎曲度，校正孔深誤差，簡易水文觀測，封孔及鉆孔原始記錄和技術(shù)檔案）要求。52．水文地質(zhì)勘探孔水文地質(zhì)勘探孔，除達(dá)到水文地質(zhì)鉆孔的質(zhì)量要求外，還需取得地下水位、水量、水質(zhì)、水溫以及其它水文地質(zhì)資料。為滿足以上要求，需進(jìn)行抽水等試驗(yàn)。這就需要將鉆孔直徑加大，進(jìn)行下管、填礫、止水、洗井等成井工序，然后再進(jìn)行抽水試驗(yàn)和水文地質(zhì)觀測工作。63．水文地質(zhì)長期觀測孔水文地質(zhì)長期觀測孔是通過鉆孔定時(shí)測定地下水位、水質(zhì)等，以了解大范圍內(nèi)地下水動態(tài)變化。4．探采結(jié)合孔水文地質(zhì)勘探孔在滿足水文地質(zhì)勘探目的后，應(yīng)根據(jù)用戶要求，進(jìn)行擴(kuò)孔成井?；蛟诳碧娇资┕r(shí)就按供水井要求進(jìn)行，在取得水文地質(zhì)勘探資料后，移交用戶作供水井使用。5．供水井為供水需要而進(jìn)行鉆井成井。因需進(jìn)行成井工序，一般其直徑都較大。7（三）水文地質(zhì)和水井鉆探的特點(diǎn)（1）地層復(fù)雜——水文地質(zhì)水井鉆探大多工作在第四紀(jì)的卵礫層、砂層、粘土層或基巖裂隙層。這些地層給鉆探工作帶來的問題是塌坍、漏失和不易取芯等。故在巖芯鉆探中稱為“復(fù)雜地層”，即發(fā)生事故多，效率低，鉆進(jìn)和采芯都困難的地層。（2）鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜——由于要獲得分層的水文地質(zhì)資料，就要求切斷各含水層之間的水力聯(lián)系。因此，下入套管的層次多；鉆孔直徑大；止水要求嚴(yán)格；井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜。8（3）鉆進(jìn)方法多——由于地層復(fù)雜，即使在一個(gè)鉆孔中，往往會遇到迥然不同的幾種地層。因此，近年來水文地質(zhì)水井鉆進(jìn)方法發(fā)展很快，出現(xiàn)了相當(dāng)多的鉆進(jìn)方法；如，反循環(huán)鉆進(jìn)法、空氣鉆進(jìn)法、潛孔錘鉆進(jìn)法和震動鉆進(jìn)法等。（4）設(shè)備形式多——由于鉆進(jìn)工藝方法多，要求鉆進(jìn)設(shè)備與這相適應(yīng)。因此，當(dāng)前水文地質(zhì)水井鉆探所用的設(shè)備類型繁多。（5）勞動強(qiáng)度大——由于水文地質(zhì)水井鉆探孔徑大，破碎巖屑多；但井深較淺，因而鉆進(jìn)周期不長。因此，給鉆探工作帶來了很多不便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作的問題。如換鉆具、清渣等工作，都是勞動強(qiáng)度較大的作業(yè)。9（四）與水文水井鉆探有關(guān)的巖石及地下水的特性1．巖石的水理性質(zhì)水文鉆探是在含水層的地方工作的。巖石與水伴生后會表現(xiàn)出很多特征，尤其是第四紀(jì)的巖石更是如此。巖石與水產(chǎn)生的性質(zhì)稱巖石的水理性。與鉆探有關(guān)的巖石水理性有容水度、給水度和滲透性。（1）容水度—巖石能容納一定水量的性能稱巖石容水度，容水度的數(shù)值等于所容納水的體積與巖石體積之比。當(dāng)巖石孔隙被水飽和充滿時(shí)，水的體積等于孔隙體積，因此，容水度在數(shù)值上與巖石的孔隙度相等。10（2）給水度—水能從巖石中自由流出的能力稱巖石的給水度，其數(shù)值等于流出的水體積和巖石體積之比。給水度與孔隙度區(qū)別在于前者是指水能串通而流出的數(shù)量，后者包括密封的孔隙。砂類土給水度如表2—1所示。

表2-1砂類土給水度數(shù)值表0.30-0.350.25-0.300.20-0.250.15-0.200.10-0.15給水度礫砂粗砂中砂細(xì)砂粉砂巖石名稱11表2-2巖石透水性分類表（3）透水性—在水的重力作用下，巖石允許水通過的性能稱為透水性，通常用滲透系數(shù)K表示。巖石以滲透系數(shù)分類如表2—2所示。

<0.0010.01～0.0011～0.0110～1>10K值（m/晝夜不滲水微透水弱透水透水強(qiáng)透水類別122．地下水在含水層中的特性地下水主要是由大氣降水和水汽的凝結(jié)而成的。地下水的形成除了要有補(bǔ)給來源外，還要有一定的地層條件。首先要有能夠含水的巖層，如砂層，礫石層或裂隙、溶洞較發(fā)育的巖層等，這些巖層稱含水層。在含水層之間往往有透水性比較差的由粘土物質(zhì)組成的巖層稱為隔水層。當(dāng)分布廣、厚度大的含水層被水充滿時(shí)，即形成良好的供水水源。從地下水的埋藏條件來分，可分為三類。13（1）潛水—埋藏在地表以下第一個(gè)隔水層以上的地下水，叫做潛水。潛水因距地表較近，容易接受大氣降水和地表水的補(bǔ)給，水位和水量受氣象因素影響較大。它在地表分布廣泛，埋藏在松散的巖石中或帶有裂隙、溶洞的堅(jiān)硬巖石中。潛水可以作為日常生活用水和工農(nóng)業(yè)用水的水源。14（2）層間水—埋藏在地表以下兩個(gè)隔水層之間的水叫做層間水。當(dāng)兩個(gè)隔水層間完全充滿具有水頭壓力的水稱承壓水或有壓層間水；當(dāng)兩個(gè)隔水層不完全充滿地下水叫做無壓層間水。鉆孔穿過含水層頂板打入承壓水層時(shí)，水能噴出地表的就稱自流水。大部分層間水水質(zhì)好，水量大，是工農(nóng)業(yè)用水的重要水源。15（3）巖溶水—存在于可溶性巖層的裂隙、溶洞或暗河中，由于裂隙、溶洞較大，降水易下滲，因此，動態(tài)變化受氣候影響顯著，水位變化幅度大。在巖溶水層鉆進(jìn)時(shí)會有很多困難，尤其大的溶洞層。16二水文地質(zhì)水井井身結(jié)構(gòu)要素的確定（一）井身結(jié)構(gòu)的概念及要素1．井身結(jié)構(gòu)水文水井鉆孔前和鉆井過程中，為了滿足水文地質(zhì)及成井工藝的要求，必須根據(jù)不同的地層和鉆進(jìn)成孔方法，確定鉆進(jìn)的深度和不同井深或地層時(shí)的鉆孔直徑。這種井深與井徑的匹配關(guān)系稱之為鉆井（孔）的井身結(jié)構(gòu)。一般可用圖示法或文字描述法表示。2．井身結(jié)構(gòu)要素——鉆井深度；鉆井直徑。17（二）水文地質(zhì)水井井身結(jié)構(gòu)要素的確定原則1．鉆井的深度水文地質(zhì)水井鉆探的鉆孔深度，需由勘探或開發(fā)地下水目的層的埋藏深度來決定。施工前，這個(gè)深度一般由地質(zhì)理想柱狀圖推斷而定，或由附近的鉆孔資料推延而來。這是個(gè)估計(jì)的概略的深度。精確的深度是在鉆進(jìn)期間，由取芯或采樣做最后的確定。18永久性生產(chǎn)水井、重要的探采結(jié)合孔和長期性的觀測孔等，都要在濾水管下部安裝沉淀管，以便使水井在運(yùn)行中將隨水進(jìn)入濾水管內(nèi)的細(xì)砂沉淀后儲存起來。因此，在設(shè)計(jì)井深時(shí)應(yīng)考慮沉淀管的長度。當(dāng)含水層較厚時(shí)，沉淀管可以留在含水層中；若含水層較薄或要求出水量較大時(shí)，為了充分利用含水層，將沉淀管放在含水層底板內(nèi)，即鉆孔深度到達(dá)含水層以下3～5m而終孔。192．鉆孔直徑鉆孔直徑包括開孔直徑、中間變徑和終孔直徑。水文地質(zhì)水井的終孔直徑的決定因素有：a．巖心直徑的要求：

水文地質(zhì)鉆孔常要求巖芯有一定的直徑，以便分析巖石的水文地質(zhì)參數(shù)。當(dāng)前我國地質(zhì)部門規(guī)定終孔直徑不能小于110mm。特殊情況下才使用91mm的鉆頭補(bǔ)采巖芯。20b．濾水管的直徑

濾水管的直徑與涌水量有關(guān)，有關(guān)濾水管直徑及其細(xì)節(jié)將在后文討論。c．抽水泵泵體外徑的尺寸

在下深井泵的水井中，終孔直徑要考慮井內(nèi)泵體的直徑。中間變徑及其次數(shù)是由地層情況決定的。根據(jù)確定的終孔直徑和中間變徑次數(shù)，就可以推算出開孔直徑。21三、水文地質(zhì)水井的鉆孔結(jié)構(gòu)1．水文地質(zhì)普查鉆孔的結(jié)構(gòu)

水文地質(zhì)普查鉆孔要求全孔取芯，取芯鉆孔段直徑不小于110mm，巖芯采取率不低于75%。因此，終孔直徑一般為110mm。直徑127mm的套管是作為必要的護(hù)孔管。井口管用直徑146mm的套管或選用大一級套管，即留一級備用井徑。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1—1所示。圖1—1水文地質(zhì)普查鉆孔結(jié)構(gòu)圖22水文地質(zhì)勘探鉆孔除要求取芯及滿足鉆探質(zhì)量指標(biāo)外，更重要的是獲得地層的水理性和其它地下水活動的資料。因此，鉆孔必須進(jìn)行抽水試驗(yàn)，要求濾水管直徑不小于108mm。根據(jù)不同地層和濾水管外填礫要求，鉆孔結(jié)構(gòu)可以參考圖5.0—2所示的例圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。2．水文地質(zhì)勘探鉆孔的結(jié)構(gòu)23探采結(jié)合孔是經(jīng)常使用的一種鉆孔結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是要滿足勘探鉆進(jìn)的要求，又要考慮成井的需要。探采結(jié)合鉆孔的濾水管多采用直徑146mm或更大的濾水管。上部井管應(yīng)保證深井泵體能下入井內(nèi)，一般井管直徑比深井泵公稱尺寸大一級。鉆孔直徑可以中間不變徑，井管變徑可用異徑接頭聯(lián)接。3．探采結(jié)合鉆孔的結(jié)構(gòu)24水文地質(zhì)長期觀測鉆孔的任務(wù)是在取得水文地質(zhì)資料后，要進(jìn)行長期的監(jiān)測地下水的活動情況。其一般結(jié)構(gòu)如圖5.0—4所示。

4．水文地質(zhì)長期觀測鉆孔的結(jié)構(gòu)255．供水水井的井身結(jié)構(gòu)供水水井在井徑上要求要大一些，其管外止水密封一般采用永久性的封固。（1）淺供水井（淺井）淺供水井是指深度在60m以內(nèi)的農(nóng)田灌溉井。井徑一般大于400mm，井管采用鑄鐵管、混凝土管等。井身結(jié)構(gòu)多為一徑到底，井身結(jié)構(gòu)可參閱圖5.0—5所示。（2）中深供水井的結(jié)構(gòu)井深在100m～300m時(shí)稱中深井。中深井的井管常用鋼管、塑料管或鑄鐵管。井管內(nèi)徑多在200～300mm。井身結(jié)構(gòu)可參閱圖5.0—6所示。2627（3）深供水井的結(jié)構(gòu)超過300m的供水井稱深井。這種井要求管外嚴(yán)格牢固地密封，且中間采用多層的技術(shù)套管，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。（4）基巖水井的結(jié)構(gòu)當(dāng)開發(fā)基巖中水時(shí)，必須將上部地表水或第四紀(jì)的含水層加以封隔，以保護(hù)基巖中水的質(zhì)量。2829四、單井涌水量的計(jì)算單井涌水量計(jì)算的理論基礎(chǔ)，是法國水力學(xué)家裘布依奠定的。它是以穩(wěn)定流理論為基礎(chǔ)，分潛水和承