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水文水井钻机常用的钻进方法

农田水利的发展,城市供水和工矿用水量的日益增大,要求探明并开发更多的地下水源。今天,在全世界淡水的总量中,地下水占95%以上,与许多地表水正被污染的情况相比,地下水污染较少或基本上未被污染。七十年代以来,由于对地下水的进一步需求,水井的深度和数量自然也随之增长。300-500米深的水井,日益增多。

水文水井钻进工艺根据自己的需要,大量引用石油工业和采矿工业的若干技术。据74年1月统计,美国制造水文水井钻机的企业有31家(不包括制造钻具、井管、动力机及配套的企业)。据1968年2月统计,全美共有水井1500万口。每年供水系统安装设备不断增加。1966和1967年两年,平均安装875000套供水设备;从1963年至1967年,平均每年增长供水设备5%。

水文水井钻机从过去单一方式的钢绳冲击钻机和立轴、转盘回转钻机、向一机多用方向发展。

现在水文水井钻机常用的钻进方法有:

一、钢绳冲击钻进法

冲击式钻井机

我国是使用冲击法最早的国家。古书上曾有“凿井为泉”的记载。早在公元前200多年,我国就以冲击法钻进了1000米以上的深井,为世界所推崇。因此,钢绳冲击法是最老、使用最多的钻进法,直到二十世纪初,钢绳冲击钻机一直是主要的钻进设备。国外钢绳冲击钻机和钻具,均是从我国古代冲击钻探设备,逐渐演进而来的。

钢绳冲击式钻机具有较好的技术性能,其特点是结构简单,钻进成本较低,钻进砾石层的效果较好。冲击式钻机的主要缺点是钻进速度较低和钻进深度有限。

二、回转钻进

回转式水井钻机

常用的回转钻进法是由采矿工业推广,后来为石油工业采用,在所有的钻进系统中是最有效、应用最广的钻进方法。根据回转钻进法的主要特点,可称为流体(泥浆、空气)洗井强力钻进工艺。用这种方法打井、是文水文井技术的自然发展。在美国,回转法的早期应用就是打水井。今天,在石油、天然气和其它矿物以及地下水工程中,回转法钻进约占90%,由此又逐渐产生多种形式的演变。

一般认为正循环回转钻机的钻进速度较快,钻深较大,今天钻进技术和设备的大多数改进都与回转钻进有关,如空气回转钻进,泥浆/空气回转钻进,泥浆/空气回转一冲击钻进以及反循环钻进,等等,都是常用的回转钻进的改进和发展。

国外在用泥浆回转钻进法钻进中多用牙轮钻头以高压力大泵量取得较高的钻进效率。通常的钻进压力接近10吨,给进行程长度为6-8米左右,泥浆泵的排量为800升/分左右。

空气回转钻进法也是用钻头破碎岩石,但清洗井底的循环介质是空气而不是泥浆。这种钻进法比泥浆回转法的钻进效率高,适用于缺水地区和漏水地区,但压缩空气的消耗量较大,因而需用较大排量的空压机

三、反循环钻进法

反循环钻井机

反循环钻进法最先出现在西德,在矿物勘探和地下水钻进中获得了相当的成功。反循环回转钻进与常用的正钻环回转钻进.区别在于反向的循环流体,在压力作用下,流体通过环状间隙向下流到井底,岩屑在负压的状态下波吸入钻杆内,径由水龙头向外排出。

用反循环钻进法可钻1500毫米以上的井径,下流速度一般是每秒0.3米,钻头的回转速度为10-40转/分。

在软质或非固结岩层中,反钻环钻进法是一种行之有效的大口径钻进法。900-1000毫米井径的钻进成本仅略高于600毫米井径的钻进成本。这种钻进法大多用于1600毫米以上井径,要求填砾完井。

反循环回转水井钻机在地层情况良好的地区可用来钻400毫米左右的试验孔;在设备和方法适当时,提供良好的岩样。

在下述条件下,反循环钻进法受到限制:

(1)静态水位太高;

(2)缺少适当水源补拾钻进冲洗液;

(3)钻土成页岩层;

(4)相当数量的中等大小的砾石或卵石。

为采用双层钻管柱(反循环流体从双管之间的环状间隙中压入)并对钻柱伏以冲击、振动,有可能顺利钻穿复杂地层,在静态水位太高的情况下,可采用气举法。

四、空气钻进法

水井钻机空气钻进法图片

输入压缩空气作为一种循环介质,早在18世纪末期就开始了。五十年代期间,由于铀矿开采事业的兴起,推动了空气的应用。大多数压缩空气主要被用作采矿机械和建筑机械的冲击能源。经过许多研究和改进,克服了排量、压力不足的缺陷之后,为以空气作为循环介质找到了一条合理,经济的途经,给钻进应用奠定了基础。

用密度比水小的循环介质如干空气、雾化物、饱沫、粘泡沫以及充气泥浆等作为钻进流体的主要目的是降低井内压力,提高钻速。这就是国外所称的“减压钻进”。低比重的流体可以克服严重的循环漏失。泡沫或粘泡沫有可能从井底实际上以低于空气的速度和小于水的环状间隙压力从井中排出岩屑。

国外介绍泡沫钻进的优点是:(1)可以很小的压力从井中排出湿岩屑;(2)压力稳定,减少剥落;(3)压力低且稳定,提高了钻速并延长了钻头的使用寿命。

粘泡沫技术是用一种低粘度流体钻进非固结岩层的钻进法。在使用粘饱沫时,在环状间隙中所需的流速介于30-60米/分之间,可采用较小型的空压机。


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