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水文水井鑽機常用的鑽進方法

農田水利的發展,城市供水和工礦用水量的日益增大,要求探明並開發更多的地下水源。今天,在全世界淡水的總量中,地下水占95%以上,與許多地表水正被汙染的情況相比,地下水汙染較少或基本上未被汙染。七十年代以來,由於對地下水的進一步需求,水井的深度和數量自然也隨之增長。300-500米深的水井,日益增多。

水文水井鑽進工藝根據自己的需要,大量引用石油工業和采礦工業的若幹技術。據74年1月統計,美國製造水文水井鑽機的企業有31家(不包括製造鑽具、井管、動力機及配套的企業)。據1968年2月統計,全美共有水井1500萬口。每年供水係統安裝設備不斷增加。1966和1967年兩年,平均安裝875000套供水設備;從1963年至1967年,平均每年增長供水設備5%。

水文水井鑽機從過去單一方式的鋼繩衝擊鑽機和立軸、轉盤回轉鑽機、向一機多用方向發展。

現在水文水井鑽機常用的鑽進方法有:

一、鋼繩衝擊鑽進法

衝擊式鑽井機

我國是使用衝擊法最早的國家。古書上曾有“鑿井為泉”的記載。早在公元前200多年,我國就以衝擊法鑽進了1000米以上的深井,為世界所推崇。因此,鋼繩衝擊法是最老、使用最多的鑽進法,直到二十世紀初,鋼繩衝擊鑽機一直是主要的鑽進設備。國外鋼繩衝擊鑽機和鑽具,均是從我國古代衝擊鑽探設備,逐漸演進而來的。

鋼繩衝擊式鑽機具有較好的技術性能,其特點是結構簡單,鑽進成本較低,鑽進礫石層的效果較好。衝擊式鑽機的主要缺點是鑽進速度較低和鑽進深度有限。

二、回轉鑽進

回轉式水井鑽機

常用的回轉鑽進法是由采礦工業推廣,後來為石油工業采用,在所有的鑽進係統中是最有效、應用最廣的鑽進方法。根據回轉鑽進法的主要特點,可稱為流體(泥漿、空氣)洗井強力鑽進工藝。用這種方法打井、是文水文井技術的自然發展。在美國,回轉法的早期應用就是打水井。今天,在石油、天然氣和其它礦物以及地下水工程中,回轉法鑽進約占90%,由此又逐漸產生多種形式的演變。

一般認為正循環回轉鑽機的鑽進速度較快,鑽深較大,今天鑽進技術和設備的大多數改進都與回轉鑽進有關,如空氣回轉鑽進,泥漿/空氣回轉鑽進,泥漿/空氣回轉一衝擊鑽進以及反循環鑽進,等等,都是常用的回轉鑽進的改進和發展。

國外在用泥漿回轉鑽進法鑽進中多用牙輪鑽頭以高壓力大泵量取得較高的鑽進效率。通常的鑽進壓力接近10噸,給進行程長度為6-8米左右,泥漿泵的排量為800升/分左右。

空氣回轉鑽進法也是用鑽頭破碎岩石,但清洗井底的循環介質是空氣而不是泥漿。這種鑽進法比泥漿回轉法的鑽進效率高,適用於缺水地區和漏水地區,但壓縮空氣的消耗量較大,因而需用較大排量的空壓機

三、反循環鑽進法

反循環鑽井機

反循環鑽進法最先出現在西德,在礦物勘探和地下水鑽進中獲得了相當的成功。反循環回轉鑽進與常用的正鑽環回轉鑽進.區別在於反向的循環流體,在壓力作用下,流體通過環狀間隙向下流到井底,岩屑在負壓的狀態下波吸入鑽杆內,徑由水龍頭向外排出。

用反循環鑽進法可鑽1500毫米以上的井徑,下流速度一般是每秒0.3米,鑽頭的回轉速度為10-40轉/分。

在軟質或非固結岩層中,反鑽環鑽進法是一種行之有效的大口徑鑽進法。900-1000毫米井徑的鑽進成本僅略高於600毫米井徑的鑽進成本。這種鑽進法大多用於1600毫米以上井徑,要求填礫完井。

反循環回轉水井鑽機在地層情況良好的地區可用來鑽400毫米左右的試驗孔;在設備和方法適當時,提供良好的岩樣。

在下述條件下,反循環鑽進法受到限製:

(1)靜態水位太高;

(2)缺少適當水源補拾鑽進衝洗液;

(3)鑽土成頁岩層;

(4)相當數量的中等大小的礫石或卵石。

為采用雙層鑽管柱(反循環流體從雙管之間的環狀間隙中壓入)並對鑽柱伏以衝擊、振動,有可能順利鑽穿複雜地層,在靜態水位太高的情況下,可采用氣舉法。

四、空氣鑽進法

水井鑽機空氣鑽進法圖片

輸入壓縮空氣作為一種循環介質,早在18世紀末期就開始了。五十年代期間,由於鈾礦開采事業的興起,推動了空氣的應用。大多數壓縮空氣主要被用作采礦機械和建築機械的衝擊能源。經過許多研究和改進,克服了排量、壓力不足的缺陷之後,為以空氣作為循環介質找到了一條合理,經濟的途經,給鑽進應用奠定了基礎。

用密度比水小的循環介質如幹空氣、霧化物、飽沫、粘泡沫以及充氣泥漿等作為鑽進流體的主要目的是降低井內壓力,提高鑽速。這就是國外所稱的“減壓鑽進”。低比重的流體可以克服嚴重的循環漏失。泡沫或粘泡沫有可能從井底實際上以低於空氣的速度和小於水的環狀間隙壓力從井中排出岩屑。

國外介紹泡沫鑽進的優點是:(1)可以很小的壓力從井中排出濕岩屑;(2)壓力穩定,減少剝落;(3)壓力低且穩定,提高了鑽速並延長了鑽頭的使用壽命。

粘泡沫技術是用一種低粘度流體鑽進非固結岩層的鑽進法。在使用粘飽沫時,在環狀間隙中所需的流速介於30-60米/分之間,可采用較小型的空壓機。