岩土工程施工技术 (1).pdf

第一章第一章 水井施工技术水井施工技术 第一节概述 地下水与其他矿藏一样， 是国民经济建设中不可缺少的一种宝贵资源。 在农牧业、 工业 、 国防、以及人民生活等方面有着广泛的用途。特别是在缺乏地表水的干旱、高寒地区，开发 地下水有着更重要的意义。 随着水井施工技术装备、钻井工艺、成井工艺的不断发展完善，已形成了具有自身特点 的专门工艺技术，水井的概念也超出了供水范围，它与地下水的补给、污水的排放、城市地 面沉降与回升以及作为地下热源开发的地热井工程联系起来了。 水井钻探的应用范围将越来 越广。 一、水井井身结构设计一、水井井身结构设计 供水井是垂直安置在地下的取水建筑物。按地下水是否承压可分为承压水井和潜水水 井。 凡抽水前井中水位在含水层顶板以上的水井称为承压水井， 承压水井一般都开凿在层间 含水层中。为了充分利用承压水压强，抽水泵通常安装在含水层顶板之上。地下水能自动喷 出地表的承压水井称为自流井，自流井不需抽水设备，可直接引用，非常方便。凡抽水前井 中水位等于或低于地下水水位高度的水井称为潜水水井。 潜水水井中的抽水泵通常安装在含 水层的中下部。此外，供水井还可分为完整井与非完整井两种。完全钻穿含水层，井底在隔 水层的水井称为完整井。没有钻穿整个含水层，井底仍在含水层内的水井称为非完整井。在 同一地区和同一含水层中，完整井较深，进水面积大，水头压力大，出水量大，在地下水位 降低时，也有水流入井内。同时，井底是稳定的隔水层，不会造成井底翻砂，井的寿命较长 。 非完整井则较浅，进水面积小，水头压力小，出水量少。当地下水位低于井底时，水井就干 涸。因此，在含水层不厚的情况下，应尽量使水井成为完整井。 水井结构形式如图 1－1 所示。通常情况下，由于井壁不稳固，井孔内都需装置井管。 井管包括井壁管、过滤管和沉砂管几部分。井壁管安装在非含水层或非开采含水层段。井壁 管的作用是保护井壁或隔离非开采层（不良含水层） 。过滤管也称过滤器，安装在含水层 段。地下水经过过滤管流入井内，再经抽水泵泵到地面。过滤管起滤水挡砂和保持含水层井 壁稳定的双重作用。过滤管下端安装有沉砂管，沉砂管的作用是用来沉积水中泥砂。 在井管柱与井壁之间的环状间隙内， 根据岩层情况填入充填物。 即在含水层段过滤器与 井壁之间，为保证水质和防止过滤器淤塞有时还要填入筛选的砾石，以增大出水量，并起过 滤作用。 在非含水层段或计划封闭的不良含水层段填入粘土或水泥等止水物， 达到封闭和止 水的目的，以防井水被污染。 在设计井身结构时，应根据钻井的目的、用途、地层条件和有关规范进行，并尽可能简 化井身的结构。 井身结构如过于复杂， 使孔径扩大， 不仅减慢施工速度， 也会增加材料消耗 ， 造成不必要的浪费。反之，若井身结构过于简化，减少了必须下入的套管，虽然缩小了井的 直径，但可能造成井内钻进事故，反而增加了成本。更重要的是往往因此而使层间止水效果 差，地下水互相串通，造成对地下水污染的严重后果。 第二节水井钻进方法 水井的钻凿方法很多。 在对水井的钻凿方法进行科学的分类问题上， 各学者提出不少的 分类法，但至今尚未得到一致意见。我国习惯上将水井的钻进方法分为冲击钻进，回转钻 进、反循环钻进，空气钻进和潜孔锤钻进等。 一、钢绳冲击钻进一、钢绳冲击钻进 钢绳冲击钻进的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。在每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下，回转一定的角度，从 而使井（孔）得到规则的圆形断面。钢绳冲击钻进是一种无循环钻进方法，它是靠地层渗入 井内的水或者从井口注入井内的水来悬浮井底岩屑。 随着井深的加深， 悬浮岩屑的浆液变稠 ， 冲击钻头下降加速度减小， 钻进效率降低， 此时需下入抽砂筒专门捞取井底沉渣后再继续钻 进。 （一）钢绳冲击钻机（一）钢绳冲击钻机 在我国水井钻进中，广泛使用的冲击钻机是仿苏 YKC 型的 CZ-20、CZ-22、CZ-30 型钻 机以及我国自行设计的 CZF-30 型冲击反循环钻机。这些钻机都由动力机，主轴，冲击机构 和桅杆等部件组成。 这些钻机的基本工作原理相同，结构也大致相仿。现以 CZ-22 型为例，说明冲击钻机 的各部件组成及其结构原理。CZ-22 型钻机外貌如图 19 所示。 图 1－2中深供水井的结构 1－井管，2－止水物，3－过滤管， 4－沉砂管 图 1－1浅供水井结构 1－井管，2－止水物，3－过滤管，4 －沉砂管，5－填砾 （二）钢绳冲击钻具（二）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、钢丝绳和抽筒等。 1. 冲击钻头 冲击钻头是直接破碎岩石的钻具。为了使冲击力能 更集中的施加于岩石， 冲击钻头具有带各种刃角的底部。 要使钻头在运动中减少液体对它的阻力，从而加大冲击 力，冲击钻头设有带流通岩粉浆沟槽的钻头体。钻头还 要和上部加重钻杆连接， 钻头头部以粗锥扣与钻杆连接。 冲击钻头的刃角大小取决于岩石的硬度。一般地层 取 100o左右，对软岩石可为 650～800，中硬岩层 900～ 1100，硬岩取 1100～1200。刃面角一般为 1800的平线，若 地层软时可作成小于 1800的刃面角。 为了使钻头在运动中 减少与井壁的摩擦，钻头要有间隙角，间隙角一般为 4o～ 8o。 当钻头掉落井内时，为了打捞方便在钻头头部加工有打捞丝扣。 图 19CZ－22 型钻机 1－电动机，2－冲击连杆，3－主轴，4－压轮， 5－钻具天车，6－桅杆，7 钢绳，8－抽筒天车 图 110CZF-30 型冲击反循环钻机 图 1－13冲击钻头 1－钻头体，2－通水槽，3－间隙角 ， 4－刃面角，5－刃角 常见的冲击钻头有一字形钻头、十字形钻头、圆形钻头和抽筒钻头等。使用时根据地层 的特点，在充分发挥冲击力作用的同时，兼顾井筒的圆整选用。抽筒钻头是将钻头与抽筒结 合起来，既是抽筒又是钻头，用于松软散地层直接抽土成孔的高效钻头。钻头的各种型式如 图 114 所示。 2. 冲击钻杆 冲击钻杆是当井径受限制，钻头本身重量不足，在钻 头上部接一粗大实心钻杆， 从而保证钻具重量。 如图 115 所示。冲击钻杆不能连接过长，以防其在井内折断。 3. 钢丝绳接头 钢丝绳接头又称绳卡， 它的作用是联接钢丝绳与钻具， 并使钻具在钢丝绳扭力作用下能在钻头冲击一次后自动 地回转一角度。钢丝绳接头结构如图 116 所示。当钻具 提升时，钢丝绳接头与钻具一起受钢丝绳拉伸而扭转一个 角度。当钻具下放时，钢丝绳因不受钻具重力作用而恢复 原来状态扭紧，接连钢丝绳的活套就在垫片的间隙内而 滑动，使钢丝绳实现其扭紧而不带动钻头转动。这样就使 钻头每冲击一次钻头回转一定的角度。当绳卡内的活套卡 死时，钻头则提升转动，下放转回，其结果钻头不转动， 钻刃就在一处冲击，不能形成圆井。因此应经常检查活套 的灵活性，以保证钻头旋转。 4. 钢丝绳 钢丝绳的作用是提升钻具并扭转钻头，冲击钻进所 用的钢丝绳受较大的变荷。当操作不正常时，这种负荷改变量尤其显著。因此，正确选用钢 丝绳特别重要。 钢丝绳种类很多。通常由六股子绳绕着心绳捻成的。子绳又可由 7、19、37、61 根等不 同根数的钢丝捻制而成。 常用两个数字表示钢丝绳的规格， 如， 6x19， 第一个数宇表示股数 ， 第二个数宇表示每股子绳的钢丝数。619 即表示该钢丝绳的子绳由 19 根钢丝，共有 6 股 子绳组成。钢丝绳的捻绕方向分为左向捻绕和右向捻绕，股和丝的捻绕方向又分同向捻，交 图 1－14各种类型的冲击钻头 A－一字形钻头，B－十字形钻头，C－带副刃十字形钻头，D－抽筒钻头 图 1－15 冲击钻杆 互捻和混合捻三种。钢丝绳的捻绕共有六种方式。 在选择钢丝绳时，若钻具为丝扣连接，则钢丝绳拧合方向应与钻具丝扣方向相反，工具 卷筒上的钢丝绳，常用 619 沥青麻芯左向交互捻的钢丝绳。 钢丝绳的规格应根据所承担的钻具重力而选取，一般按下述经验公式选择。 P≥k1k2Q 式中 P钢丝绳总拉力，kN； k1考虑钻具的阻塞系数，k11.2～1.5； k2静强度安全系数，k26； Q钻具重量，kN。 应当注意卷筒和滑轮的最小直径与钢丝绳直径之比，不应小于 12～18，以防钢丝绳 迅速磨损。 5. 抽筒 抽筒主要作用为捞取井内岩粉。 肋骨抽筒也可以直接用来钻进松软散地层。 因而它既是 辅助工具，也是碎岩钻具。抽筒的阀门可以做成多种形式，例如，球阀、半球阀和平阀等。 图 117 为平底阀抽筒。 二 、二 、大直大直 径回转钻进径回转钻进 回转钻进法是使用最广泛的常规钻探方法。 在我国， 无论是地质部门还是其它工业部门 都是如此。在国外，同样也是用回转钻进法完成的钻探工作量居多。现在有很多较先进的钻 探方法，如空气钻进、反循环钻进以及井下潜孔锤钻进等钻进方法，都是在常规的回转钻进 方法基础上，利用回转钻进的某些特点而发展或演变而来的，取得了很好的效果。当然，用 回转钻进法进行大直径水井钻探也存在需钻机输出扭矩大， 设备庞大和钻进工艺不完善的问 题。大直径回转钻进使用的钻机，一是用岩芯钻机进行改装，二是用水井专用钻机，水井专 用钻机主要有 SPJ－300 型钻机和 SPC 系列钻机等。SPC－600 型见图 1－25。 图 1－16钢丝绳接头结构图 1－保护箍，2－垫片，3－绳卡体，4－活套 图 117 平底阀抽筒 1－提梁，2－活阀 我国利用回转方式进行大直径水井钻进的基本方法有；取芯钻进、全面钻进和扩孔钻 进三种。 （一）取芯钻进（一）取芯钻进 探采结合孔以及基岩中的供水井，为了减少破碎岩石的工作量，常采用取芯钻进。或者 首先用常规口径的取芯钻进，然后扩孔成井。供水井钻探中的取芯钻进可以分成两种类型 软地层钻进和硬地层钻进。 1. 软地层取芯钻进 软地层取芯钻进主要问题易造成缩径、糊钻，埋钻，塌坍或孔径扩大等现象。在钻进软 地层时，在钻进措施和钻具选择上应尽可能的与地层的特点相适应。 ⑴ 钻头 软地层取芯钻进用的钻头， 一般为肋骨钻头， 肋骨钻头是采取在钻头的外侧或内外侧加 焊肋骨片， 目的是增大钻头与孔壁间和钻头与岩芯间的环状间隙， 以防止或减轻粘土类地层 水化膨胀易造成缩径、糊钻问题。水井钻进中常用的肋骨钻头有三种类型，它们是不易糊钻 的螺旋肋骨钻头和适于砂类， 砂质粘土类以及页岩地层双管钻进的阶梯肋骨钻头以及具有减 轻岩心堵塞防止岩芯滑落的内外镶肋骨钻头。使用时根据所钻地层的特点合理选用。 ⑵ 取芯钻具的连接方式 水井钻进由于口径大，所需的钻压、扭矩大。当钻孔较深时，为了防止钻孔发生井斜和 断钻杆事故，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。同时在粗径钻具上部或钻铤的上部加入一段扶正器。扶正器的外径与粗径钻具相同。 扶正器的外形可以作成棱状或螺旋形棱状。 水井钻探使用的钻杆，一般采用石油钻井的钻杆，以适应钻进时所遇的大扭矩。 ⑶ 软地层取芯钻进的技术措施 在粘土类地层钻进时，由于粘土类地层硬度小粘性大，切削具易于压入切削，当进尺 过快时，井底岩粉多，一旦泵量不足，易发生蹩泵、糊钻现象。应采用大泵量，勤活动钻具 的操作方法。 2. 硬地层取芯钻进 图 1－25SPC－600R 型钻机 1－天车，2－钻具，3－泥浆泵， 4－钻塔， 5－导向加压机构，6－捞砂卷扬机，7－主卷扬机 ， 8－孔口装置， 9－转盘，10－操纵系统，11－分动箱， 12－液压千斤顶 水井钻进所钻遇的硬岩层， 常为基岩的破碎带、 带溶隙的石灰岩和河床上的漂卵砾石等 地层。钻进这类地层，多采用潜孔锤取心钻进和反循环取心钻进等方法。这些钻进方法将在 随后专门介绍。 大直径钻孔取心钻进时，由于岩芯的直径大、重量大、所需提升与拔断拉力大，若要直 接拔断，常常超过了钻进设备负荷。因此，大直径基岩取心的原则是先截断岩芯，然后再采 取岩芯。常用方法有以下几种。 ⑴ 自然断芯，投卡料取心法 当岩石层理、节理发育时，在回次终了可直接投入卡料卡取。 卡料可以是钢粒、卡石或铅丝。其直径规格视岩芯与钻头内径间隙而定。常用的卡石φ8～ φ12 mm，铁丝是用 8＃，2～3 根，长 200～300 mm 拧成股使用。取心操作与小直径相同。 ⑵ 先楔断，后卡取法 当岩石坚硬、完整，没有节理时，可采用下一楔断器将岩心楔断后，再下粗径钻具将其 卡住提出井外。 楔断器可以用厚壁管一端制成偏心楔形， 在楔断器上方施加以冲击力将岩心 楔断。 ⑶ 先炸断，后钢绳套取 当岩石坚硬、完整，岩心直径特大时，首先进行孔内放炮将岩心自底部炸断，然后下入 钢绳套将岩心提起。 炸断岩心的办法可以在井壁与岩芯环状间隙中安放炸药包， 也可以在井 内岩芯柱中心钻一小孔安放炸药包。 （二）扩孔钻进（二）扩孔钻进 扩孔钻进主要受设备能力限制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称扩孔钻进。扩孔可以扩一次，也可以多次扩孔成井，根据设备能力确 定。 扩孔钻进应力求快扩快结束，以减少泥浆对含水地层的污染和侵入，影响水质水量。 1. 扩孔钻头的选择 选择扩孔钻头类型时首先在钻头结构上应符合所钻地层的特点， 同时又必须考虑由于设 备能力限制不可能用大压力和高转速的情况。在粘土层扩孔时，钻头型式以防止泥包为主， 砾石层扩孔时，考虑井壁稳定为主。 2. 扩孔钻进及操作注意事项 扩孔钻进规程应是“轻压、慢转，大泵量和优质泥浆”。 “轻压”是因为井径大，钻杆与井壁间环状间隙大，井壁对钻杆不起支撑扶正作用，压 力大时钻杆弯曲过大，井易斜，同时钻杆易压弯而折断。 “慢转”是为了减小弯曲钻杆的离心力，从而避免钻杆对井壁的撞击，使井内扩孔钻具 保持运转平稳和维持井壁稳定。 “大泵量”是因为扩孔钻进时井内岩粉多， 岩粉粒径大， 钻具与井壁环状间隙大的缘故 ， 只有加大泵量才能使上返泥浆流速达到携带岩屑的要求。 “优质泥浆”是因为常用泥浆泵排量达不到携带岩屑的上返流速要求，需要加强泥浆的 携带岩屑能力和护壁性能方能奏效。 3. 扩孔钻进优缺点 扩孔钻进可以减轻设备负荷， 减少或避免了一些因超负荷而造成的机械或井内事故。 可 以实现用较小设备完成较大直径井施工。但操作次数频繁，相对效率较低，钻具及钻头加工 较复杂，钻探成本较高。因此，只要设备允许尽量不用扩孔钻进。 （三）全面钻进（三）全面钻进 全面钻进是指将井底岩石全断面破碎， 即无岩芯钻进成井。 由于不取芯， 减少了起下钻 ， 增长了纯钻进时间，提高了钻进效率。 1．全面钻进钻头 ⑴ 翼片式全面钻进钻头 适于水井钻进的翼片式全面钻头有鱼尾钻头、三翼钻头、四翼钻头和多翼钻头，在夹有 大卵石层中钻进时可选四翼钻头或多翼钻头。 图 1－26 六翼螺旋肋骨钻头 图 1－27 全面钻进钻头 A－鱼尾钻头B－三翼钻头 鱼尾钻头是用两个翼片焊在粗径管或接头料上称鱼尾钻头或刮刀钻头。 有时为了增强钻 进平稳性也焊三个翼片，称三翼刮刀钻头。三翼钻头是将三个翼片焊在贯眼接头料上，三翼 呈 1200均匀分布在钻头体上。这种钻头稳定性好，用于粘土类或砂类砾石层钻进。 翼片式全面钻进钻头常用于钻进较软的地层。 多翼钻头是为了防止井斜， 在钻头体上 焊接 3～6 个翼片的钻头。翼片在钻头体上布置多采用锥形或阶梯形。全面翼片钻具的结构 类似于扩孔钻具。 ⑵ 牙轮钻头 牙轮钻头（图 128）钻进适用范围比较广泛，从软地层到硬基岩均可采用。牙轮钻头 是高效钻头，这在石油钻井实践中已被证实。尤其在深水井中效果更为显著。当前使用最广 泛的是三牙轮钻头。 在有条件的情况下应尽量采用牙轮钻进。 有关牙轮钻头的结构及钻进参 数，参考石油钻井。 2．全 面钻进技术参数 水井钻探中全面钻进技术，主要有以下两个方面 ⑴ 采用大钻压 当前水井钻探已逐步采用φ73 mm、φ89 mm、φ114 mm 钻杆，还装配相应的钻铤。 这样就给三翼钻头、鱼尾钻头和三牙轮钻头采用强力规程提高钻进速度创造了条件。 ⑵ 采用大冲洗液量 近年来，水井钻探设备中的泥浆泵已从 200L／min 提高到 1200 L／min，且有更高的趋 势。利用高能量泥浆泵的性能，在刮刀钻头和三牙轮钻头上安装高压喷嘴，使其发挥喷射碎 岩作用（石油钻井工艺中称水马力碎岩） ，这种高效率钻头对软地层特别有效。可收到加快 钻进速度，防止糊钻，提高排粉能力的显著效果。 三、空气钻进三、空气钻进 以压缩空气代替冲洗液作为循环介质的一种钻进方法称为空气钻进。 空气钻进在水井钻探中，占据着特殊的地位。在缺水地区打井，使用冲洗液钻进时，钻 进本身就需要水。有时必须从很远的地方运水，不但增加了钻探成本，而且常因运水跟不上 而停钻。使用空气钻进的方法，对于解决缺水地区、严重漏失地层、以及其它不能使用冲洗 图 128三牙轮钻头 A－有体式钻头1－水眼，2－轮掌，3－牙轮轴, 4－牙轮 B－无体式钻头1－钻头体，2－水眼，3－轮掌，4－牙轮轴，5－牙轮 液循环的地方有着十分重要的意义。 空气钻进， 已被多年来石油钻和水井钻所证明是一种高效率的钻进方法。 空气钻进钻速 高的主要原因有两点一是使用泥浆钻进时，孔内的液柱压强大于地层孔隙内流体压强，两 者之间存在着压差， 这种压差称为正压差， 孔内的液柱压力作用于井底岩石对钻进效率影响 很大。当使用空气钻进时，由于孔底岩石去掉了钻孔内液柱的静压力，使钻头下的岩石在地 层压力的“反压差”效应作用下，以最大限度释放残余应力，钻孔越深“反压差’。作用越 明显，当“反压差”大到一定程度后，井底岩屑呈 “爆裂”的形式崩离岩体，从而提高了 破碎岩石的钻进效率。二是由于空气本身的粘度极小，又以高流速吹过孔底，使孔底净化程 度提高，几乎没有重复破碎。因此，对比试验得出，空气钻进要比泥浆钻进的效率高 10 倍 左右。 空气钻进时，由于在钻头底部压缩空气压力突然降低，就吸收周围热量，不但减少了切 削具被烧毁的可能性，而且改善了切削具的工作环境有些资料上说，可达到结冰程度，延 长了钻头的使用寿命，减少起下钻的时间，缩短了施工周期。 空气钻进可以采用正循环方式，也可以采用反循环和局部循环等方式。 （一）空气钻进的设备（一）空气钻进的设备 空气钻进设备是在采用液体循环钻进设备的基础上， 将原有的泥浆循环设备换为空气循 环设备，即可进行空气钻进。除使用常规的设备钻机等外，专用的设备有空压机、孔口装 置，除尘设备等。图 1－39 为空气钻进正循环钻进示意图。空气自空压机 1 经放气阀门进入 地面风管，然后到立管 3，再经软管进入钻杆，经井底返回，由于井口装置 4 阻挡，空气到 回气管 5 最后到达除尘器 6。 图 1－39 空气钻进示意图 1－空压机，2－仪表盘，3－立管，4－井口装置， 5－回气管， 6－除尘器 1. 空压机 空气压缩机是空气钻进的最主要设备。空气钻进方法对空压机的基本要求是风量大、 风压相当，外形小，重量轻。 2. 井口装置 在空气钻进中，有大量岩粉成尘埃状在干孔钻进中或小泥球状在有涌水地层钻进时 涌出孔口，为了保持环保和安全的要求，必须有专门的井口设备。井口装置一般要求是有 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等。 3. 捕尘设备 空气钻进的捕尘方法有三种干式捕尘、湿式捕尘和干湿结合捕尘。 ⑴ 干式捕尘 干式捕尘由鼓风机和旋风除尘器等设备组成。 鼓风机是在井口造成负压，不仅可以使井口密封装置简化，机场清洁，而且能够在空压 机能力较小时起辅助作用。提高钻杆外环状空间的气流速度，有利于井底清洁。鼓风机的能 力要适当，一般比所用的空压机的空气量大一倍左右，风压要求在 3050 毫米水柱，风压太 大对井壁稳定性不利。 旋风除尘器， 安装在鼓风机之前， 将大颗粒岩粉分离掉， 主要起保护鼓风机作用。 同时 ， 被旋风除尘器分离出来的岩粉， 也可以作分析取样用。 旋风除尘器工作原理如图 1－42 所示 。 气流进入除尘器， 在其筒体内形成大旋涡， 沿锥体下降， 在锥体的作用下又改向小旋涡上升 ， 沿排气管进入鼓风机后， 排往远处。 大颗粒岩粉， 在离心力的作用下， 从大涡流中分离出来 ， 经排粉管落到地面或岩粉收集箱中。 为了避免在 井口沉积，旋风除尘器入口处气流速度应为 20～25 米／秒。 ⑵ 湿式捕尘 湿式捕尘一般是在钻机立管处接一个高压 水喷嘴水接头， 如图 1－43 所示， 向压缩空气管 图 1－40剩余压力井口密封器 1－顶盖，2－轴承，3－油封圈， 4－橡胶密封套， 5－井口管 图 1－41 井口滑动密封器 1－压紧螺帽，2－橡胶缓冲盘,，3 －塞线，4－锁紧拉杆, 5－井口管 图 1－43湿式捕尘装置 - - 路中喷射高压水，形成气水混合，岩粉成小泥团颗粒返出井外。 高压水喷嘴也可以安装在 井口引流管上直接向引流管内喷出雾状水沫， 这种水雾与粉尘结合形成小泥团而被排出引流 管外。 高压水的压力要比空气压缩机的压力高 0.05Mpa。水量控制在 14～30L／min 左右。 湿式排尘设备简单，操作方便，机场处于完全无尘埃状态。卫生程度高。 ⑶ 干湿结合捕尘 干湿结合捕尘是在干式旋风捕尘器的排风管 线上组合进湿式捕尘的风水接头或水沉降器，如 图 1－44 所示。大颗粒岩粉由干式旋风捕尘器排 除，细小粉尘由湿式捕尘捕捉，这样既发挥了干 式旋风捕尘器效率高的优点，同时又弥补了干式 旋风捕尘器难以将细小粉尘分离和湿式捕尘耗水 量较大的不足。因此，干湿结合捕尘较好的解决 了节约用水和粉尘二次飞扬问题。 （三）空气钻进技术措施（三）空气钻进技术措施 干空气钻进存在的问题是粉尘大，润滑性差，钻具磨损大，对于操作工人的健康和周围 环境的污染都很大。 在潮湿的地层中钻进时， 在粗径钻具上端易形成 “泥环”造成中断气流 ， 无法钻进。另外，当孔径扩大后由于要保持较大的上返速度，需要很大的风量，往往使空气 压缩机供气量不能满足要求。为了发挥空气钻进的优点，克服存在的问题，钻进中需采取相 应的技术措施以达到高钻进效率。 1. 燥化钻进 干空气钻进潮湿地层时经常发生在上返的气流中夹有小泥团， 使流体比重增加。 这种小 泥团在粗径钻具以上的地方，因流速改变附贴在井壁和钻杆上，形成泥环，进而切断气流， 中断循环，形成事故。为了消除这种现象，可以采取干空气吹孔 2～3h 使井壁达到干燥后再 继续进行干空气钻进。一般用于潮湿层较薄的情况。 2. 雾化钻进 干空气钻进厚层潮湿地层时， 在粗径钻具上方形成泥环的现象较为频繁。 若采取燥化钻 进将会严重影响钻进效率。此时，可向干空气中注入清水（因返上的气流呈白色细小的水雾 状的混合流体， 故称雾化钻进） 将井壁和井内钻具进一步湿润， 以降低气流中小泥团与井壁 、 钻具的黏附性，达到防止和消除泥环的效果。 3. 泡沫钻进 在涌水量较大的地层钻进时，由于井内岩粉不能吹出，井内岩粉浆愈打愈稠，液柱压强 增大，钻进效率降低。在涌水量较大的地层采用泡沫钻进可很好的发挥空气钻进的优越性。 泡沫钻进是通过专用的灌注系统， 把泡沫剂溶液注入压缩空气的气流中。 由于泡沫剂的存在 ， 这种压缩空气遇到井下地下水也可在泡沫剂注入的同时向压缩空气中注入水即形成稳定 的泡沫。这种泡沫具有一定的膜强度，可使空气、水及岩粉成为一种稳定的流动体系。此种 混合流体，像刮胡膏一样以柱塞型的流型向上流动，从而大大地改善了悬浮、携带与捕集岩 粉的效果。 采用泡沫钻进除去捕尘效果好外，由于泡沫比纯空气有较大的悬浮能力，因此，上返速 度可以降低。只要有干空气的 1/101/15 的上返速度，就有较好的携带岩粉效果。因而与干 空气钻进相比，能大大的降低所需的空气量，但由于泡沫较空气比重大，因而所需的空气压 力要相应地增加。 图 1－44 干湿结合捕尘装置示意图 泡沫钻进中的泡沫， 当前还只是一次性的利用， 即将泡沫排至集碴坑中或集积在地面上 后不能再进入循环系统，需要进行消泡处理，导致了泡沫钻进成本增加，制约了泡沫钻进广 泛应用。 4. 泡沫泥浆和充气泥浆钻进 泡沫泥浆， 又称粘性泡沫。 是在空气钻进中遇有坍塌漏失或孔壁很不稳定情况下采用的 一种钻进方法。 向空气钻进的立管中注入泡沫剂的同时， 注入一定量的经过处理的优质泥浆。 泥浆与泡 沫在下行过程中形成泡沫泥浆。 这种流体兼有泡沫和泥浆的特性， 即比重轻、 悬浮能力强． 又 能在钻孔壁上形成薄而韧的泥皮，从而达到稳定钻孔壁和堵漏的作用。 充气泥浆是在液体循环系统中对泥浆混入一些泡沫剂使泥浆充气而形成的较泥浆比重 低的一种流体。 这种流体是为了减轻钻孔内泥浆柱对钻孔壁的压力， 从而减轻漏失量的技术 措施。这是空气钻进与泥浆钻进中间类型的钻进方法。 第三节供水井成井工艺 安装地下取水建筑物的工作称为成井工艺。 成井工艺的目的是保水质水量。 主要表现在 两个方面； 一是将含水层目的层的水经过疏通而使能自由地流入井内， 二是封闭或隔离非 目的层，以防止地下含水层的水互相串通或污染含水层。这种有选择的疏通和封闭，是成井 工艺要解决的主要问题。 成井工艺包括下管，填砾、止水，洗井等工序。这些工序通常是相互衔接的，有时是交 叉进行的，各工序都有各自的工艺要点和规范要求。 一、滤水管一、滤水管 滤水管是安装在不稳定的但要求出水的含水层段，如砂卵砾石层，岩石碎裂的断层带。 滤水管的作用既是保护不稳固含水层井壁的工具， 防止井壁坍塌； 同时又具有一定的渗透孔 隙，使水自由而通畅地流入水井内的同时，阻止砂或碎岩随水流进入井内，起到滤水挡砂效 果。大多数含水层的井壁是不稳定的。因此，多数水井需要安装滤水管。 目前常用滤水管的材质有钢管、玻璃钢管、塑料管、石棉水泥管等。常用过滤器有骨架 式过滤器、缠丝过滤器、网状过滤器、砾石过滤器等。正确选择过滤器的类型和结构是保证 水质水量的重要问题。 （一）滤水管的类型和结构（一）滤水管的类型和结构 1. 骨架式滤水管 骨架式滤水管是一种结构最简单的滤水管。它是直接在各种材料的井管上采用钻孔、 模压、焊割、铣切等方法，加工出圆孔或条缝作为进水通道的滤水管。骨架式滤水管除可以 在含水层砂砾、 岩屑粒径较大时独立用作滤水管外， 还常作为其它类型的滤水管的支撑骨架 。 根据所开的滤水孔的形状。 2. 缠丝滤水管 缠丝滤水管是在圆孔滤水管或筋条滤水 管上缠绕金属丝或非金属丝制成，如图 1－52 所示。在圆孔滤水管上缠丝时，应先在管子的 图 1－52缠丝滤水管 1－骨架式过滤器，2－缠丝，3－垫条 外表面上焊直径为 6～10 毫米的垫条，垫条的圆周间距约 40～50 毫米。焊垫条的目的是为 了使缠丝和管子之间有一定的间隙，以保证较大的滤水面积。若以筋条滤水管作骨架，则可 直接缠绕在钢筋上。 通常采用的缠丝丝径为 2～4mm,缠丝间距为 0.5～5mm。 缠丝应保证质量， 力求丝距准确 、 均匀，缠绕牢固。以机械缠绕为佳。 缠丝滤水管的缠丝间距决定于含水层中的砂砾粒度。 在不含砂的大卵砾石地层中， 缠丝 间距可达 3～5 毫米。 在侵蚀性地下水中，铅丝易被腐蚀，可采用不锈钢丝。近年来，多用抗腐蚀性强的尼龙 丝和增强玻璃纤维丝，既延长了过滤器和水井的使用寿命，又节约了大量的金属，降低了成 本，效果较好。 缠丝滤水管加工方便，透水性能良好，适用于粗砂，中砂和卵砾石含水层。在我国供水 井中经常采用这种滤水管。 3. 网状滤水管 网状滤水管是在圆孔或条缝滤水管的外表 面大间距（30～60mm）缠丝或沿母线加垫条，然 后覆盖过滤网，即成网状滤水管,如图 153 所 示。 缠丝或垫条的作用在于增大过滤网的过滤面 积，使水能比较畅通地流入井内。 通常使用的过滤网分金属丝网和非金属 丝网两类。 在有侵蚀性的地下水中， 特别是在供水井 中长期使用时，最好采用耐腐蚀性好的塑料网和玻璃纤维网。塑料网用聚氯乙烯树脂制成， 有模压成的圆孔网和由塑料丝编织的方格网，网眼直径规格多，可在 0.5～5mm之间选择。 玻璃纤维网多为玻璃布状，网眼直径在 0.1～1mm 之间，孔隙率一般可达 20～35％。 网状滤水管加工方便，安装也较简便，同时，网眼规格较多，可根据砂粒的不同粒度 来合理选用。但网状过滤器的进水阻力较大，降低了供水井的出水量。网状滤水管不适用于 极细的流砂层，因为网眼会迅速被堵塞。 4. 玻璃钢滤水管 玻璃钢滤水管是采用热固性树脂浸渍玻 璃纤维机械缠绕一次成型。 滤水孔是玻璃纤维 架桥式结构，如图 1－54 所示。滤孔直径为 1.0～2.0mm，孔隙率为 16.8～18.0％。玻璃 钢滤水管具耐腐蚀性强、 机械强度高、 重量轻 。 使用寿命长、成本低和适应面广等特点，是我 国推荐的优质滤水管之一。 5．塑料滤水管 近年来在国外采用塑料制成滤水管，发展很 快。塑料滤水管形式很多，可以适应不同地层条件。塑料滤水管的进水通道多为平缺口，也 可压制成桥式缺口。进水通道尺寸在 0.5～4.0mm 之间，有多种规格供选择。 塑料滤水管具有耐酸碱腐蚀性强、成本低、成型快和适应面广等特点。但塑料滤水管 抗高温性差，不适于热水井使用。 6. 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之间或者粘贴 于骨架管外表面，使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 图 1－53网状滤水管 1－骨架式过滤器，2－垫条，3－过滤网 图 1－54玻璃钢滤水管结构图 1－骨架管，2－玻璃纤维 滤水管、缠丝滤水管或特制的筐架。如图 1－55A所示。 双层骨架管砾石滤水管结构复杂，安装不便，只在特殊井中使用，一般皆被贴砾滤水 管所代替。 贴砾滤水管 图 1－55（B）。这种滤水管是在骨架管外将砾料、粘合剂等物质，按一 定比例在模具里加压、固化而成。贴砾滤水管具有透水性能好、挡砂可靠、使用方便，成本 低、并可缩小井径，简化成井工艺等特点。因贴砾规格可以根据含水层的粒径选择，因而应 用范围广泛。特别对于细颗粒含水层和难以投砾的深井更显示其优越性。因此，贴砾滤水管 也是我国推荐的滤水管之一。 砾石滤水管可方便的实现双层过滤，进而保证了井的水质水量。但砾石滤水管要求的 井径较大，也增加了钻井成本。 除上述的滤水管以外，我国还使用着很多种其它类型的滤水管。如石棉水泥滤水管， 水泥砾石滤水管，炉渣水泥滤水管等等。这些滤水管的特点是加工制造较容易，成本低廉， 但重量大，故多用于农田灌溉或深度较小的浅井。 二、井管的安装二、井管的安装 （一）下管方法（一）下管方法 1. 升降机提吊下管法 此法适用于井管本身及其连接部分具有足够的抗拉强度， 如无缝钢管， 卷焊管和塑料管 等井管。 其下管长度决定于井管的抗拉强度和钻塔的负荷能力。 下管前应对将要下入井内的 全部井管进行重量计算和井管的抗拉强度校核。 在井管抗拉强度和钻塔负荷能力允许的范围 内方可采用提吊下管法。 当钻机升降机的提升能力和钢绳的抗拉强度不足时， 可增加滑车组 数即增加工作绳数，以提高升降机的提升能 力， 降低钢绳所受拉力， 使之小于钢绳的安全抗 拉强度。 2. 钻杆托盘下管法 在井管底部加装一个承托井管重量的托盘， 钻杆与托盘连接， 提吊钻杆将井管下入井内的方 法，称钻杆托盘下管法。 此法一般用于下水泥井管或铸铁井管等抗 拉强度或连接强度不高的井管。 下管深度受钻杆 抗拉强度和钻塔有效负荷的限制。 井管托盘图 1－58，分木制托盘、混凝土 托盘和金属托盘几种， 一般多为金属托盘。 为了 在下管完毕后能顺利地退出钻杆， 在托盘上焊接 有左丝扣的钻杆接头 1， 以保证井管下至井底后 能顺利地退出钻杆柱。 为了下管顺利， 可在托盘 下装一导向体 5，其下端呈圆锥形。另外，在托 盘上还设有通水孔， 下管完毕后， 可通过钻杆送 水，并经通水孔上返，以冲换井内泥浆，以减少洗井工作量。 3. 钢绳托盘下管法 如图 1－59 所示，此法用三根或四根吊重钢绳代替钻杆，承受全部井管的重量。 图 1－58 井管托盘 A-木制托盘B-铁制托盘 1－钻杆接头（左丝扣） ，2－木质上托盘，3 －通水孔，4－铁托架， 5－导向体， 6－ 加强筋 吊重钢绳通过销钉和托盘锁接在一起，销钉上连有心绳。下管时，将井管置于托盘上， 随着托盘的不断下降，井管一根接一根地下入井内。井管下完后，将心绳抽出，使吊重钢绳 与托盘分开，然后抽出吊重钢绳。 钢绳托盘下管法，解决了钻塔有效负荷不足的问题，设备简单，适用范围广，可用于在 浅井或深井中下各种材料的井管。其缺点是当井较深时，各绞车放绳速度很难均匀一致， 使各吊重钢绳受力不均， 有可能造成吊重钢绳被拉断而导致伤人和破坏井管的事故。 条件许 可时，最好采用钻杆托盘下管法或其他下管方法。 4. 二次下管法 二次下管法就是把全部井管分为两次下入井内。 此法在原有井管强度和钻塔有效负荷情 况下能安装更深更长的井管。 二次下管法有钻杆托盘二次下管法和提吊二次下管法两种， 其 基本方法与上述两种一次下管法相同。 不同之处主要是井内两级管柱的接头处理， 这是二次 下管法的关键。 1 钻杆托盘二次下管法 此法适用于抗压强度高， 抗拉强度和连接强度低的井管用于深井时的下管。 钻杆托盘二 次下管法的工艺过程如图 1－61 所示。 钻杆托盘二次下管法在安装第一级井管时， 井管的上端要安设一个防砂罩， 并用固定器 将防砂罩限位。避免下管时井壁落物和砾料进入井管内。第一级井管安装到位后，先填砾， 填砾高度应低于第一级井管口，以保持井管位于井孔中心。然后取出钻杆，再下入第二级井 管与第一级井管对接。最后再填砾并完成全部成井工艺工作。 2 提吊二次下管法 此法适用于井管抗拉强度和连接强度高的深井下管。 提吊二次下管法井内对接装置如图 1－62 所示。 井内对接采用接头短管连接， 锥形接头短管与第一级井管连接， 导向喇叭形短管与第二 级井管连接。接头短管是一根长约 1m,短管加工有锥度，两根短管的锥度和长度要一致，以 利结合。这个锥度变径段愈长，锥形接头短管与导向喇叭管接触段就愈长，结合愈牢固。 5. 浮力塞下管法 当井管总重量已超过钻机起重设备的额定负荷， 或者超过井管本身的抗拉强度时， 必须 图 1－60钢丝绳托盘下管法的托盘 A-木托盘B-钢板托盘 1－心绳，2－兜底绳，3－销钉 图 1－59钢绳托盘下管法示意图 1－心绳，2－井管，3－吊重钢绳，4 －销钉， 5－井管托盘，6－绞车 采取措施保证安全安装。 通常采用浮力塞来增加井内液体对井管的浮力， 从而达到减少井管 上端拉力的目的。 浮力塞是用来封闭井管下端， 不使井内泥浆进入井管内。 从而利用泥浆对井管产生的浮 力，减少了整个井管柱的重力，以适应升降机和钻塔的较小起重能力。同时也降低了管柱上 端由于自重产生的拉力。这样，使在原有设备和井管材料的基础上增加了成井深度。 浮力塞的使用仅仅是一种辅助措施， 而不是一种独立的下管方法， 但它的作用是非常显 著的。安装前应计算浮力塞的强度，以防止下管过程中浮力塞被顶破而发生严重事故。 常用浮力塞有木浮板和钢浮板两种。 1 木浮板 木浮板要用坚韧的木料如枣木等制做。可用整块木板，也可用几块木板拼合粘结。它的 优点是制造简单，易被捣开。缺点是强度低，易损坏。 木浮板安装于井管接箍中，如图 1－63A 所示。应拧紧井管以挤压木浮板。木浮板的压 缩厚度以 3 毫米为宜，压缩量过小，可能漏水，过大则可能被压坏。 因木浮板强度低，可相邻安装两块。为此，需特备一根长约 0.5～1m 的短管，接入井壁 管中，在它的上、下安装浮板，其中间注满泥浆或水，使两块浮板同时起作用，以加大木浮 板的强度，不致因木浮板被破坏而造成严重事故。 2 钢浮板 钢浮板由特制的接箍和有反丝公扣的圆形钢板组成。如图 1－63B 所示。特制接箍比一 般接箍长 40～60mm，它的内径稍小于井管内径，车有反丝母扣与反丝浮板连接，在浮板中 心焊有一个钻杆接