第七講 成井工藝

第七講成井工藝第四章成井工藝水井鉆的成井工藝（CompletingWaterWells），包括鉆孔進結(jié)束后的沖孔、換漿、安裝井管、填礫、止水、洗井和試抽等工藝過程。這些工序是相互銜接的，但又各有其要點。成井工藝的目的概括起來為兩個方面：（1）將含水地層（目的層）的水經(jīng)過疏通而使其能自由地流入井內(nèi)；（2）封閉或隔離非目的層，以防止地下含水層的水相互串通或污染含水層。這種有選擇的疏通和封閉，是成井工藝要解決的主要問題。第一節(jié)濾水管

濾水管是水井井管的一部分，當鉆進成孔達到設(shè)計要求時，為了將井內(nèi)地下水抽取至地表，必須首先在鉆孔內(nèi)下入井管。梯形絲濾水管橋式濾水管井管一般由三個部分組成，按照其在鉆孔內(nèi)的安裝位置，自井底至井口，分別為沉淀管，過濾器（濾水管）和井壁管。井壁管三個部分一般可通過螺紋絲扣或焊接的形成連接成一個整體管柱。其主要作用是抽取地下水時，為隨地下水流入井內(nèi)的細小巖土顆粒提供沉淀空間；濾水管一般在井管柱的中下部，在井內(nèi)位于含水層位置，其主要作用是保護鉆井內(nèi)的含水地層，起濾水擋砂作用；而井壁管位于井管柱的中上部，其主要作用是保護含水層以上井壁，防止塌孔，同時為地下水分層止水及抽水設(shè)備的下入與安裝創(chuàng)造條件。設(shè)計與選擇濾水管時，應(yīng)滿足它的基本要求。對濾水管的要求，可概括為以下5點：（1）具有最大的進水面積，以減少地下水經(jīng)過它時的阻力。濾水管阻力越小，地下水在這里的流速變化越小，發(fā)生結(jié)垢的可能性越小，從而可以延長濾水管使用的年限。（2）具有足夠大的機械強度，能滿足安裝井管時的負荷和抵抗地層的壓力。（3）最大限度的耐腐蝕能力和不因濾水管被腐蝕而影響水質(zhì)的衛(wèi)生要求。（4）具有良好的濾水擋砂能力，濾水孔不易被地層中的物質(zhì)堵塞。（5）具有安裝方便、成本低廉以及取材容易等。一、過濾器的類型和結(jié)構(gòu)目前，常用的過濾器按其結(jié)構(gòu)可分為四種類型：（1）骨架式過濾器（2）纏絲過濾器（3）網(wǎng)狀過濾器（4）礫石過濾器過濾器類型的選擇主要是根據(jù)含水層顆粒大小和巖石的性質(zhì)。（一）骨架式過濾器骨架過濾器是一種結(jié)構(gòu)最為簡單的過濾器。它的基本特征是：一節(jié)有孔隙的管子，即在各種材料的管子上，用鉆鑿、模壓、焊割、銑削等方法開有圓孔或直縫作為進水的通道。骨架式過濾器除既可作獨立的過濾器，也可作為其他類型過濾器的骨架。根據(jù)孔的形式的不同，骨架式過濾器又可分為圓孔過濾器、直縫過濾器、筋條過濾器三種。1．圓孔過濾器在管壁上鉆有圓孔，圓孔交錯排列，各圓孔中心位于等邊三角形的頂點，如圖所示。圓孔直徑d取決于過濾器的用途，若作為獨立的過濾器而直接與含水層顆粒接觸，則圓孔直徑d取決于含水層顆粒的大小及其不均勻度，一般10~20毫米。若作為其它類型過濾器的骨架，則d可取大一些。圓孔間距a的大小決定于圓孔直徑d，一般a=（2~2.5）d。圓孔過濾器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但由于它有直徑較大的圓孔，故不適用于砂層，而只適用于堅硬不穩(wěn)定的裂隙含水層或含砂量小于10%的卵礫石含水層。圓孔濾水管的孔隙率是濾水管上圓孔面積總和與濾水管有效表面之比。若濾水管外徑為D，有效長度為H，則每排孔數(shù)圓孔排數(shù)為則孔隙率為：圓孔濾水管的孔隙率的大小，影響著濾水管的強度（它決定于濾水管的材質(zhì)）。剛質(zhì)濾水管可制成孔隙率在30%以上；鑄鐵濾水管可在23%左右；石棉水泥濾水管則在15～16%。2．直縫過濾器在管壁上開有長方形孔，或直縫。其排列方式可以是并列式，也可以是各排交錯排列，在個別情況下不但排與排之間交錯而且行與行之間也相互交錯，如圖9-2所示。直縫寬度與含水層粒度有關(guān)。非均質(zhì)砂中直縫寬度t=(1.5～2)d50，d50為能通過50%砂粒的網(wǎng)眼直徑。對于均質(zhì)砂，t=（1.25～1.5）dcp,dcp為砂粒平均直徑。若直縫過濾器用作其他類型過濾器的骨架，則t值可任意選擇，一般為10~20mm或更大些。直縫的長度可為任意值，但一般為50~100mm左右?？p與縫之間的軸線距離通常為縫寬t的10倍。各排直縫之間的距離約為10~20mm。直縫過濾器由于孔眼橫向尺寸比圓孔過濾器小，過濾能力較強，故適用于粗砂含水層，也適用于卵礫石層及坍塌裂隙含水層。但此種過濾器加工較困難，需要專門的銑槽設(shè)備，因而應(yīng)用較少。3．筋條過濾器在兩節(jié)短管之間焊以直徑為10～16mm的鋼筋，鋼筋圍成圓柱形，每根長約3～4m。其內(nèi)每隔1m左右焊一支撐圈，以增大其剛度，如圖9—3所示。筋條過濾器的優(yōu)點是孔隙率大，可達50%左右，過水能力強，又節(jié)省金屬，制造方便，成本低廉，適合于含水層薄而涌水量大的淺井。它還常用作纏絲過濾器的骨架。（二）纏絲過濾器

纏絲濾水管是在骨架濾水管外纏以金屬絲而成。倘若骨架管是圓孔濾水管或條縫濾水管，在管外每隔40~50mm焊上直徑6mm的墊筋，然后再纏金屬絲。金屬絲的斷面可以是梯形、圓形或三角形。以梯形為好，梯形上底向內(nèi)（窄邊），下底向外（寬邊），使濾水孔斷面呈“V”形。這種濾水孔既可減少砂粒堵塞，又有高的過水效率。梯形不銹鋼絲過濾器梯形過濾器（三）包網(wǎng)濾水管包網(wǎng)濾水管制作方法與纏絲濾水管采用的骨架管相同，只是外表不纏絲而包以過濾網(wǎng)而成。如圖5.2—5所示。常用的過濾網(wǎng)有：鋼絲網(wǎng)、銅絲網(wǎng)和不銹鋼絲網(wǎng)、聚氯乙烯塑料網(wǎng)、尼龍絲網(wǎng)和玻璃絲網(wǎng)等。鋼絲網(wǎng)易腐蝕，銅絲網(wǎng)易形成電化學腐蝕，故逐漸被非金屬絲網(wǎng)所代替。包網(wǎng)濾水管易堵塞，永久性的生產(chǎn)水井不宜采用。波紋過濾網(wǎng)（四）礫石濾水管礫石濾水管是人們根據(jù)含水層顆粒情況，選取適合的礫石并充填于骨架管與含水層之間，形成一個人工礫石過濾層，以增大水井的過濾半徑。其骨架管常是骨架濾水管、纏絲濾水管或特制的筐架。如圖5.2—6所示。（五）貼礫濾水管（貼礫管）貼礫濾水管是在骨架管外將礫料、粘合劑、石膏等物質(zhì)，按一定比例在模具里加壓、固化而成。

相對于礫石過濾器，貼礫管直徑較小，適用于直徑較小的井孔中，且成井工藝簡單，但其強度較低，下入井內(nèi)時，與井壁碰撞易損壞。此外，還有玻璃鋼濾水管、塑料濾水管、陶瓷濾水管等多種類型。微孔陶瓷濾水管PVC濾水管二、過濾器的選擇過濾器的選擇除應(yīng)滿足一般要求外，還應(yīng)綜合考慮水文地質(zhì)條件，技術(shù)條件及化學和細菌因素的影響。（一）水文地質(zhì)條件：1．根據(jù)含水層的粒度選擇過濾器類型，見表9-1。2．含水層粒度對過濾器孔隙率有一定影響一般：含水層粒度愈小，過濾器孔隙愈小而孔隙率增大。3．過濾器安裝在井內(nèi)動水位以下。4．避免有害污染含水層的影響5．過濾器應(yīng)盡可能安裝在于下部粗砂礫中，盡量避免上部細砂

（二）技術(shù)條件1．根據(jù)過濾器的使用目的、期限選擇過濾器臨時供水井和水文地質(zhì)試驗孔中的過濾器，可降低對制造材料的要求以及防腐要求，礫石充填物的厚度可以縮到最小程度。而長期供水井中對材料的防腐保護要求則大大提高，礫石充填物的厚度應(yīng)增加。2．根據(jù)預(yù)定的取水量選擇過濾器如果井的預(yù)定取水量較大，就需要選擇濾水面較大的過濾器，增大過濾器直徑和礫石充填的厚度是擴大濾水面的重要途徑。3．地下水的埋藏條件對過濾器的選擇也有一定的影響在潛水層和承壓含水層內(nèi)，井內(nèi)水面距地表可能很近，此時，抽取地下水的設(shè)備一般很簡單，過濾器的直徑只與允許進水速度和取水量有關(guān)，若井內(nèi)水面很深，則還必須根據(jù)深井抽水設(shè)備的情況來選擇過濾器。（三）化學和細菌因素1.化學因素的影響地水的埋深、pH、CO2、H2S、SO2、Fe離子及有機酸，溫度等。2．電化學作用鋼管腐蝕，銅絲網(wǎng)沉積堵塞，所以過濾器不宜用兩種金屬材料。3．細菌因素的影響（1）地下水中Fe++濃度大→鐵菌攝取亞鐵鹽為食物，大量繁殖→Fe(OH)聚集、堵塞過濾器（2）地下水中濃度高→硫酸鹽還原菌、使→H2S→FeS、CaS堵塞過濾器?？傊?，過濾器在地下水中的結(jié)垢與腐蝕是由電化學、水化學、生物化學共同作用的結(jié)果。四、過濾器基本尺寸的確定和計算過濾器基本尺寸有：濾水孔大小，孔隙率，過濾器的長度和直徑?；境叽缡欠窈侠?，將影響過濾器工作性能、水井的水質(zhì)與水量等。1．濾水孔尺寸的確定濾水孔尺寸的大小必須與含水層粒度相適應(yīng)，合理的濾水孔尺寸確定原則是允許含水層中50～70%的細砂粒通過，使含水層井壁的剩余粗顆粒形式“圓形拱”。2．孔隙率的確定濾水管的孔隙率是指過濾器孔隙總面積與管子表面積之比，一般用m表示。

孔隙率過大，濾水管強度降低；孔隙率過小，將會產(chǎn)生堵水效應(yīng)。合理的孔隙效率應(yīng)不小于地層的給水度。一般情況下，各濾水管的孔隙率為：圓孔、直縫過濾器：m=20~40%筋條纏絲過濾器：m=40~60%網(wǎng)狀過濾器：m=20~35%貼礫過濾器：m=15%左右水量輕小的水井中m=10~15%3．過濾器的長度（1）過濾器的長度應(yīng)保證濾水管進水面積足夠大，使地下水能以安全流速和最小的水頭損失流入井中。（2）過濾器是安裝在含水層井段內(nèi)的，在潛水層中，過濾器上端口應(yīng)低于動水位；在壓力水層中，過濾器長度等于或略小于含水層厚度。（3）在設(shè)計過濾器長度時，應(yīng)確定一個合理的有效長度。實驗表明，隨著井內(nèi)過濾器長度的增加，井內(nèi)出水量亦逐漸增加，當增加到一定長度后，井內(nèi)出水量的增長率趨近于零。一般：粒度均勻的含水層，過濾器長度=70~80%含水層厚度。非均質(zhì)含水層中，過濾器長度=（1/2~1/3）含水層厚度。（4）當含水層厚度很大（大于10m以上），過濾器的有效長度可按下式計算：

式中：L——過濾器的有效長度，m；

a——校正系數(shù)，與含水層和井結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般取17；

Q——設(shè)計的涌水量，l/s。4．最大允許進水流速的確定合理的進水流速會使含水層中細小砂粒流動，大砂粒則會形成圓拱，而過大的流速、會使含水層產(chǎn)生擾動，使大小砂粒均產(chǎn)生流動，同時還會導致碳酸鹽的產(chǎn)生。最大允許進水流速： 米/晝夜式中K——含水層滲透系數(shù)，米/晝夜。5．過濾器的直徑過濾器的直徑由最大允許進水流速v來確定，過濾器外徑： （米）

式中：Q——估計涌水量或計劃供水量，米3/秒；L——過濾器的長度，米；m：孔隙率；v——最大允許進水流速米/秒。探井：查明井壁是否圓滑、規(guī)則，有無縮徑、坍塌等換漿：清除泥皮，降低泥漿粘滯性及排屑校正孔深：確定井管、過濾器的長度和位置檢查設(shè)備：保證下管順利安全強度校核：保證井管、過濾器強度配管：井管及過濾器組配，下入順序排列等升降機提吊下管法鉆桿托盤下管法二次下管法鋼繩托盤下管法綜合下管法第二節(jié)井管的安裝（自習內(nèi)容）

包括下入井管和過濾器、沉淀管下管的基本步驟下管基本方法了解：適用范圍，基本步驟及工具、材料第三節(jié)填礫將選好的礫料投入過濾器與井壁之間的環(huán)狀間隙中，這一工序稱為填礫。填礫的目的是在濾水管與井壁之間形成人工過濾層。此人工過濾層可以增大濾水管四周的孔隙率和透水性，減小進水時的水頭損失，以增加單井出水量。同時，可以起濾水擋砂作用，以防止含水層中的細小砂粒涌進濾水管內(nèi)。因此，可以延長水井的使用壽命。一、礫料的選擇選擇礫料時，應(yīng)確定：礫料的均勻度、礫料的質(zhì)量和礫料的直徑。1．礫料的均勻度礫料的均勻度主要涉及用一種規(guī)格的礫料還是多種規(guī)格的礫料，室內(nèi)試驗證明了均勻礫料無論在滲透性和孔隙度上皆優(yōu)于混合礫料。選擇礫石的均勻度應(yīng)從增大地層滲透性、擋砂效果和經(jīng)濟性統(tǒng)一考慮。每一地層的礫料有一個標準直徑，但要規(guī)定誤差范圍，推薦誤差范圍為8%。例如，礫料直徑為3mm時，應(yīng)采用3.24mm和2.76mm兩種篩網(wǎng)過篩。2．礫料的質(zhì)量礫料應(yīng)該是干凈的、滾圓的、光滑的砂礫。不應(yīng)采用機械破碎的巖石顆粒。礫料應(yīng)由硅質(zhì)組成，其它石灰質(zhì)、頁巖和石膏質(zhì)的顆粒含量最多不超過15%。在深井和熱水井中的礫料，如果雜質(zhì)較多，應(yīng)將礫料進行酸處理后再填礫。3．礫料的直徑

正確地選擇礫料的直徑是填礫成功的基本條件。通過大量的室內(nèi)試驗和野外現(xiàn)場觀察，礫料直徑=（4~8）含水層砂粒直徑，以6為最佳。二、填礫厚度和高度1．填礫厚度增大填礫厚度，擴大具有良好透水性能的人工過濾層的范圍，可以增加水井的出水量。故在施工條件許可時，應(yīng)適當加大填礫厚度。一般填礫厚度約為75～100mm。為此，要求井的終孔直徑比濾水管外徑大150～200mm。2．填礫高度在確定填礫高度時，應(yīng)考慮到洗井抽水過程中，礫料會震實下沉（一般可下沉填礫高度的1/10左右）。管外礫料高度應(yīng)當超過含水層頂板，其超過的高度，應(yīng)根據(jù)含水層的條件來定。一般情況下填礫應(yīng)高出含水層2～3m。三、填礫方法1．靜水填礫法填礫時，井孔中的沖洗液處于相對靜止狀態(tài)，故稱靜水填礫法，此法適用于淺井和穩(wěn)定的含水層。填礫時，應(yīng)均勻地由井管四周填入（見圖3-1-75），填入的速度不宜太快，以防礫料中途堵塞而出現(xiàn)“塔橋”現(xiàn)象。當投入部分礫料后，由于礫粒下降，形成井管內(nèi)外壓力差，迫使井管內(nèi)的泥漿外溢，此時填礫速度可稍快一些。2．注水填礫法將鉆具下入井管內(nèi)，密封管口（圖3-1-76）開泵送水。沖洗液被壓入井管內(nèi)，并通過濾水管進入井管與井壁之間的環(huán)狀間隙內(nèi)，然后從井口返出。從井口返出泥漿的粘度達18s左右時，即可邊送水、邊圍填礫料。這種填礫方法因有沖洗液循環(huán)，可以減少礫料在中途填塞的機會。3．抽水填礫法抽水填礫是利用空壓機（見圖3-1-77），進行反循環(huán)抽水，同時在井管外部進行投礫，礫料隨著反循環(huán)水流而高速下降，沉落在濾水管周圍。這種方法圍填的礫石比較密實，填礫速度快。另外，抽水填礫法還可將井底大量的巖屑和稠泥漿吸入井管內(nèi)，并被抽出井外，有利于沖孔洗井。第四節(jié)止水為了一定的目的，在井孔中隔離個別巖層的工作稱為止水。在水文地質(zhì)勘探鉆孔中，止水的目的是隔離各含水層或漏失帶，防止各含水層之間相互串通干擾，以便正確評價水文地質(zhì)條件。在供水井中，止水的目的是隔離有害含水層和地表水，以保證井水不受污染。有時為了合理利用地下水，需要分層開發(fā)，亦需進行止水工作。

止水工作是根據(jù)孔內(nèi)試驗的要求和地層情況，采用合適的止水材料來封閉套管（或井管）與含水層井壁之間的間隙。止水的方式方法很多，概括起來可分為兩種：臨時止水永久止水一、臨時止水在一個鉆孔中，對兩個以上的目的層（含水層）僅進行水文地質(zhì)試驗與測試時，或該目的層取完資料后并無保存鉆孔必要時，在目的層之間采用的臨時性止水方法。臨時止水材料除要求可靠性、不污染地下水外，還應(yīng)有利于套管的起拔。常用的止水材料有：海帶、桐油石灰、橡膠制品等。1．海帶止水由于海帶具有柔軟、遇水膨脹、壓縮后對水氣不滲透等性能。因此，多用于松散地層與較穩(wěn)固的隔水層處的臨時止水中。海帶止水的最主要優(yōu)點：起拔套管時，海帶容易被破壞，因而減少了起拔套管的阻力。2．桐油石灰止水桐油石灰混合物。具有良好的粘性、塑性及不滲水性。桐油和石灰的重量比稱油灰比，隨著油灰比值的增加，其粘性和塑性也隨之增加，但干涸時間也延長。一般油灰比為1∶3~1∶5。使用桐油石灰止水，取材容易，成本低廉，安全可靠，所以是較好的止水材料。3．像膠制品止水橡膠材料具有彈性和對水、氣不滲透的特性，因此，將橡膠材料制成一定幾何形狀——球形、膠圓、膠囊等，固定于止水管外部。使用時，進行機械壓縮、充水或充氣等方法使之膨脹，即可將止水管與井壁環(huán)狀間隙封閉，達到止水目的。二、永久止水永久止水用于供水井中。主要封閉有害含水層，以防止水質(zhì)惡化。通常采用粘土、水泥等永久性材料。1．粘土止水粘土是具有一定粘結(jié)力的抗剪強度，壓實后又具有不滲透水性，且經(jīng)濟實用、來源廣泛。適用于松散地層填礫成井的大直徑生產(chǎn)井、抽水試驗孔或長期觀測孔。粘土止水常將粘土合成小球圍填于鉆孔和套管之間，下桿搗實；或先投入鉆孔內(nèi)，然后下入帶木塞的套管將粘土擠在套管與孔壁之間。當鉆孔很深時，也可將粘土合成稠泥狀灌入井管外的間隙中。2．水泥止水水泥在水中硬化，將井管與井壁間的巖石結(jié)合在一起，具有較高強度和良好的隔水性能。因此，廣泛應(yīng)用于永久性止水的水井中。利用水泥止水，大多采用將水泥合成水泥漿，利用泥漿泵泵入到井管與孔壁之間。三、止水質(zhì)量的檢查止水工作完畢后，一定要進行質(zhì)量檢查，以保證所取得資料的準確性。檢查止水方法很多，主要有：1.水位差檢查法當止水物發(fā)生效用后，管內(nèi)外靜止水位即發(fā)生變化，如圖5.2—19所示。如果相鄰的含水層壓力相差不大，可以采用向某一含水層抽水或注水，測量含水層的靜水位有無變化來檢查止水質(zhì)量。2．泵壓法檢查止水效果在抽水前不打開水管下部的擋板，而向止水物中間注水，如耗水量小于規(guī)定數(shù)量則認為止水有效。如圖5.2—10所示。3．食鹽擴散檢查法利用食鹽溶液與淡水電阻率不同，人為地在某一含水層加入食鹽。用電測法來測定兩含水層的電阻率變化，判定止水質(zhì)量。第五節(jié)洗井一、洗井的意義及其基本原理當前所采用的鉆井方法，都會對鉆孔周圍的含水層產(chǎn)生不同程度的損害。常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進時，若采用泥漿作為循環(huán)介質(zhì)，堵塞尤為嚴重。清除井壁上的泥皮，并把深入到含水層中的泥漿抽吸出來，恢復含水層的孔隙；進而抽洗出含水層中一部分細小顆粒，擴大含水層的孔隙而形成一個人工過濾層。這個高滲透率的人工過濾層的形成工作過程，叫做洗井。通過洗井，要達到：（1）清除任何鉆進方法所不可避免的“泥皮影響”。松開濾水管周圍的砂層，使其恢復失去的孔隙率。（2）洗去含水層中的細砂，提高水井附近含水層的滲透率；（3）在濾水管周圍形成滲透性由高變低的自然的圓環(huán)帶。洗井基本原理：是利用水在濾水管向含水層部位產(chǎn)生反復流動，就像洗衣機洗掉污垢一樣。如果使水僅一個方向流動，就會產(chǎn)生如圖5.2—22所示的現(xiàn)象。細砂在粗砂之間架起了砂橋。這種砂橋影響細砂的進一步清除和濾層的穩(wěn)定。因此，有效的洗井活動需要使水從濾水孔中流進流出，從而破壞砂群的架橋。二、洗井方法洗井的方法很多，下面介紹幾個常用的洗井方法。1．活塞洗井國內(nèi)常將活塞安裝在鉆桿上，并下入到井管內(nèi)濾水管部位，利用升降機上、下活動鉆具，使鉆桿活塞在濾水管內(nèi)上下往復運動，從而產(chǎn)生抽吸及水擊作用，破壞填礫層外的泥皮及疏通含水層通道。這種活塞在填礫層中造成的水力沖擊是較大的，甚至引起礫料來回翻騰、礫料重新排列壓實。這種操作方法在國內(nèi)收到良好的效果。圖5.2—23為國內(nèi)常用的活塞，圖5.2—24為國外用的活塞。2．壓縮空氣激蕩洗井該洗井法是用高壓空氣間歇地向井內(nèi)猛烈噴射，借以破壞井壁泥皮。洗井時，可按同心式安裝風管和揚水管，如圖12-15所示。在淺水井中，可先將風管伸出揚水管外1～2m，然后猛開貯滿高壓空氣氣罐的氣閥，使大量高壓空氣射入井內(nèi)，將泥皮沖破，使泥漿和細砂隨即涌入井內(nèi)，然后將風管提入揚水管內(nèi)，繼續(xù)向井內(nèi)送入壓縮空氣，進行抽水沖洗。在深井中，因受空氣壓縮機額定風壓的限制，風管不能伸出揚水管外，可間歇地向揚水管內(nèi)送入壓縮空氣，使井內(nèi)水位發(fā)生激烈震蕩、數(shù)次震蕩后，即可連續(xù)送風抽水。3．噴射洗井