平凉大寨岭机井施工工艺和方法(论文).doc

平凉大寨岭火车站机井施工工艺和方法
赵秉恒
（平凉市水文地质工程局，甘肃平凉，744000）

【摘要】：本文笔者结合平凉大寨岭火车站水源机井项目的具体实践，浅述在黄土梁峁丘陵区采用的施工技术控制指标。重点介绍了钻进工艺和成井工艺等关键施工技术和方法。
关键词：机井施工。钻进工艺和方法。成井工艺和方法。机井质量。

一、自然地理概况
平凉大寨岭火车站水源机井施工区为一狭长的沟谷地带，地形地貌属黄土梁峁丘陵区。纵横交错的山峦走向曲折；耸立陡峭的梁峁蜿蜒起伏；水流切割的沟谷分布密集，沟谷两侧黄土坪地面海拔多在1300～1400m之间，相对高差30～50m。井位就坐落在大寨岭的涧沟黄土坪之中。
钻井区地处内陆腹地，属大陆性半干旱、半湿润季风型大陆性气候。温带气候。一年四季分明，春季风多雨少；夏季炎热雨频；秋季阴雨连绵；冬季寒冷干燥。年最高气温34.5℃，最低气温-16.7℃，年平均气温8℃，多年平均降雨量600毫米左右，多年平均蒸发量1400㎜；相对湿度60%；最大冻土深度0.9m。日照2288小时，无霜期178天。
二、水文地质条件
2.1地形地貌及地质构造特征
施工区内地表全被黄土覆盖，纵横交错的山峦走向曲折；耸立陡峭的梁峁蜿蜒起伏；水流切割的沟谷分布密集，山梁纵横，沟谷深切，冲沟两侧多为黄土陡坎，高度30～50m不等。山梁植被不发育，土质疏松，水土流失严重，地表水溯源和下蚀作用较强烈，微地貌发育。
该区在大地构造上属于鄂尔多斯盆地西南边缘。 因受六盘山构造的影响，特别是周寨—小寨子构造，由于其发育时间长，规模较大，它不仅控制着中、新生代地层的展布，成为鄂尔多斯盆地西南边界，而且地形地貌、水文地质条件也受到其严格控制。钻孔过程中下白垩统志丹群泾川组（K61z）暗紫色、棕红色砂质泥岩夹黄色细砂岩上部裂隙发育，裂隙中充填有方解石；下部罗汉洞组（K15Z）灰白色泥灰岩中可见磨蚀现象。而且地层显得较为松散，在不同深度出现同样的岩石—断裂带中标志性岩石—断层泥和角砾岩，具重组合胶结之特征。同时，孔内出现不均匀漏水现象，这充分说明该井区地层已受到构造的影响。
地下水的形成不仅与气象、水文等自然条件有着密切关系，而且直接受到地质地貌条件的制约。它控制着不同类型地下水的形成和分布，决定着地下水的补给、迳流、排泄和埋藏条件、富水条件以及水化学特征等。
2.2地层
根据有关水文地质钻探资料，该施工区地层分布及岩性情况如下：
(1）第四系上更新统松散堆积物（Q3 aI）:堆积建造具二元结构形式，其岩性上部黄土状砂粘土，分布于地表，具大孔隙，垂直裂隙发育。结构疏松，透水性强；下部为沟谷冲洪积松散堆积物（Q3aI+pI）：岩性为黄灰色、杂色砂砾卵石。成分主要以砂岩、砾岩为主，含泥较多，砾卵石分选性差，磨圆度多为次圆状、棱角状，结构松散，该层含水性和透水性均好，是沟谷潜水的富水层段。
（2）新第三系甘肃群碎屑岩（Nｇn）：埋藏于第四系沟谷冲洪积砂砾卵石层之下。岩性上部为紫红色砂质泥岩，结构致密，具可塑性；下部为灰绿、灰褐色砾岩，泥钙质胶结。
（3）下白垩统志丹群泾川组碎屑物（K16Z）：埋藏于第四系砂砾石层之下。其岩性上部为桔红色含砾细砂岩、棕红色砂质泥岩；中部岩层多为砂质泥岩夹粉砂岩～细砂岩等，均为含水层；下部为褐色含砾粉砂岩、细砂岩等碎屑物。
（4）下白垩统志丹群罗汉洞组碎屑物（K15Z）：埋藏于泾川组地层之下。岩性以细砂岩和砾岩为主，上部为灰白色泥质灰岩；中部为灰褐色粉砂岩、紫褐色砂质泥岩夹杂色砾岩，砾岩钙质胶结，较坚硬；下部红褐色砂质泥岩夹浅灰色细砂岩。
三、施工流程
机井施工流程见（水源机井施工流程图）。
四、钻进工艺和方法
4.1井位确定
在选择和确定井位时，根据近年来的水质、水文地质资料，了解附近水井的卫生状况、考虑地方病等因素，并注意电测与地质相结合，以地质为主，进行实地勘察，对地质构造，地形地貌等条件经过认真分析和研究来判断地下水的形成、运动、赋存规律，选用水质良好、水量充沛、便于保护的地方。确定井位时做到：
（1）井孔中心与靠近井孔一侧架空输电线路边导线间的最小水平距离应符合输电线路的有关供电要求。
（2）钻探场地范围内使用的220V及380V架空输电线路不受有关规定的限制，但不得使用裸电线。
（3）井孔中心距电话线边线至少10m；距地埋电力线路及松散层旧井孔边线的水平距离至少5m（基岩钻孔不受此限制）；通讯电缆构筑物管道及其它地下设施边线的水平距离至少2m。
4.2准备工作
接到进场许可后，确定井位，组织设备进场，进行电源和钻机安装以及泥浆池、蓄水池的开挖等开钻前的准备工作。各项准备工作就绪后开始施工。
4.3井身结构
开口井径460mm，终止井径220mm，井深310m,分两个井段成井，详见《管井结构及地质柱状剖面图》。井内安装钢质井壁管和滤水管300m，其外径273mm，内径260mm。滤水管为钢板一次性冲孔成型的桥式型，其规格为：梯形长50㎜，宽7㎜；侧缝长30.5㎜，缝隙宽1.2mm，井管全部采用焊接方式连接。
4.4钻进方法
水源机井施工流程图

接通临时电路、水管
施 工 准 备

查明地下管线

测 量 放 点
确 定 井 位

平 整 场 地
确定结构方案

钻机对准井位

钻 机 就 位
调整水平、垂直度

检查钻头直径
配 制 泥 浆

钻 进 成 孔

确定成井方案

探井检查，丈量深度

扩 钻 通 孔
刮洗泥皮，排渣换浆

检查井管，编排滤水管

井 管 安 装

记录填砾深度及数量
围 填 滤 料

观测滤料下降及返水情况
洗 井

补填滤料，上部封井

水泵安装，抽水试验

水 质 分 析

资 料 整 编

拆卸设备，清理钻场

竣 工 验 收

本工程钻井设备采用SPJ—300型水文水井钻机。钻进方法采用无芯泥浆正循环回转全面钻进的施工方案。为了减少钻进和扩孔时的研切体积，减轻钻具负荷，采用不同规格的喷射式三牙轮钻头分级扩孔钻进。即“小钻大扩，逐级成井”的方法钻进施工。
4.5钻进工艺
（1）在钻孔过程中，及时捞取岩粉，并与图纸提供的地质资料核对分析地质变化情况，以便调整钻进参数和泥浆指标。
（2）及时清除岩粉或沉淀，以免影响泥浆循环，同时严密观察钻进情况，有无跳钻，失水过快，钻进速度异常等情况。
（3）不断观察孔内水头高度，检查钻杆轴心位置及钻杆垂直度是否满足规范要求，及时填写原始记录。
（4）井身圆正、垂直，实际井身直径大于设计井径。
（5）井段顶角偏斜小于3.0°，顶角和方位角未出现出现突变。
（6）井口设置护口管，保证了管井施工过程中不致坍塌。
4.6泥浆
（1）钻进时对井孔上部松散地层采用密度1.1～1.2；粘度控制在18～22S左右；含砂量不大于5%为宜。对密度、粘度和含砂量三者的性能指标关系掌握控制在：提高泥浆粘度时，减小密度；而加大密度时，粘度亦随之增加，在密度不变的情况下，含砂量降低，粘度增大。总之，根据钻孔含水层岩性和循环液及孔内地质情况，随时调整和控制泥浆性能指标值，以防各种复杂情况的发生，有利于快速钻进，提高管井出水量，保证井口安全。
（2）停钻期间，将钻具提至安全孔段位置并定时循环或搅动孔内泥浆；泥浆漏失随时补充。
（3）冲洗介质的各项性能指标均符合有关规定和要求。
4.7钻进技术参数
开钻前，各班组施工人员对钻机和附属设备、电器进行详细检查，润滑后开动泥浆泵循环。
（1）松散地层钻进时，稠泥浆、低压、慢速、泵量适中。
（2）进入基岩时，调整泥浆使粘度保持在20S左右，大泵量、中压、中速钻进。
（3）钻进过程中，会出现多层厚度不等砂岩和砂砾岩层，遇到该层时，根据地层结构形式和岩性变化情况，随时采取相应的转速、钻压及泵量等技术参数，严格按钻进规程施工，以保证全井段各项技术指标的顺利完成和管井质量。
（4）在粘土、粘砂土等地层中扩孔时，要轻压、中转速、大泵量，微活动钻具。由于地层软，钻头压力不宜过大，一般在300㎏～500㎏左右。
（5）在砂层中扩孔时，应采用“轻压、中速、稀泥浆、大泵量、勤活动钻具”。
（6）在粘砂夹砾石、卵石、砾石层中扩孔时，选用玉米式扩孔钻头，采用“轻压、慢转、优质泥浆、大泵量、勤活动钻具”。一般压力可在400㎏～600㎏左右，转速在80～120Y／min左右，泥浆保持在22S以上，泵量在140㎏∕min左右。
总之，随地层变化情况，根据进尺随时调整技术参数，将转速、钻压、泵量掌握和控制在最佳状态，以满足安全、有效、快捷的要求，保证全井段各项指标的顺利完成。
4.8取样
（1）取出的土样（或岩粉），宜能正确的反应地层颗粒组成。
（2）需鉴别地层岩性时的土样（或岩粉），在非含水层段每5m取一个；含水层段3m取一个；变层时加取一个。标本样（或岩粉）数量，按顺序编号暂时保管，以便详细鉴定地层之用。
4.9原始记录
（1）所有原始记录内容准确、齐全、清晰、整洁。
（2）土层记录包括埋深、厚度、颜色、土层名称及其特征描述。
（3）各含水层段描写其颗粒大小、各粒径组成及其含量等。
（4）钻进过程中，对水位、水温、冲洗液消耗、漏水位置、孔壁坍塌、涌砂情况、岩层变层深度、含水构造的起止深度等进行了详细描述。为准确布置滤水管提供靠依据。
五、成井工艺和方法
5.1探井（扫孔）
采用试孔器对全井段进行一次全面清扫检查。通过检查，使井内沉淀物、井壁、井径及深度均达到设计要求。做到管井垂直不偏斜、井壁圆滑无障碍；井径均匀无异径；井内畅通无沉淀；深度正确符合设计要求,从而保证了井壁管和过滤器的安装畅通。
5.2换浆
为缩短洗井时间，增加井内涌水量，下管前将稠泥浆置换稀释成轻型浆，使其比重在1.1左右，稠度17S左右。具体措施是将钻具下入井底，并慢慢升降活动，同时用泥浆泵送入清水将稠泥浆不断稀释置换出来，直至泥浆达到轻型程度，为填砾和洗井提供条件。
5.3井管编排
根据管井结构类型进行配管，将井壁管和滤水管进行一次检查丈量，然后对每一根井管质量进行一次复查，最后根据钻井记录，按照设计好的井管布置示意图，对每个井管进行统一序次排列，自下而上编号。
5.4井管安装
（1）下管前应做好井口围护工作，防止物件脱落井内，做好外溢泥浆的引流，以免浸污机场影响操作。
（2）校正井深，确定下管深度及过滤管长度和安装位置，然后按下管先后次序将井管逐根丈量、排列和编号，确保下管深度和过滤管安装位置准确无误。
（3）对井管逐根检查，不符合质量要求的应进行修理。
（4）对下管设备和工具进行检查，不符合要求的不准使用。
（5）下管作业时应统一指挥，互相配合，操作时要稳、要准，速度不宜太快。
（6）下管期间应保持井内液面达到井口，若有下降应及时灌满。
（7）井管下完后，用升降机将管柱吊直，并在井口将其扶正、固定。直立于井口中心，上端口应保持水平。
（8）井管连接必须做到对正接直，封闭严实。接口要严密、焊接头处强度应满足下管安全和成井质量要求。
（9）下入滤水管时，用水将井管表面淋湿，以避免滤水管干燥时的静电作用，造成泥浆粘牢于滤水管表面产生阻水导致洗井困难。
（10）依次将编排好的井壁管、滤水管分别安装在设计（或相对应的含水层）井段。滤水管长度81m，具体安装位置见（井壁管与滤水管排列安装示意图）。
5.5填砾
井管安装后应及时填砾，填砾前做好以下准备工作：
（1）井管下入井内后，将钻杆下入井底，然后封闭井口，用泥浆泵通过钻杆将清水送入井内，使井管内外的泥浆或岩粉从井壁外的环状间隙中顶出孔口，直至返出清为止。
（2）滤料要求筛选，颗粒的磨圆度要好，严禁使用棱角碎石。不合格的数量，不得超过设计数量的15%。
（3）不含土和杂物。
（4）滤料砾径为5～mm的圆状或次圆状硅质砾石。
（5）采用正循环冲洗填砾法（动水投砾），从管口四周均匀的填入井壁与井管的环状间隙中。
5.6洗井
为了使过滤器周围形成一个良好的滤水层，以增大管井出水量，应进行洗井。
（1）在洗井方式上优先采用活塞与水泵联合洗井。
（2）采用钻杆连接活塞，开泵供水自下而上提拉冲洗。直至井管内外地下水完全贯通，水位变化反应灵敏为止。
（3）活塞胶皮外径应予井管内径一致或稍大。洗井过程中要定时检查，已磨损的胶皮外径小于井管内径4mm时，应及时更换。
（4）洗井过程中活塞不得在井内停留；不准将活塞下放到沉淀管中。
（5）活塞洗井时，可采用分段进行，每段提拉时间不少于30min。
（6）洗井效果的检查：出水量应接近设计要求连续两次单位出水量之差小于10%。
5.7抽水试验
（1）洗井后紧接着将型号为200QJ10—296／17潜水电泵下入井内抽水段290m处进行试抽。以检验抽水系统的运转情况和观测水位动态变化情况。
（2）抽水试验下降次数宜为一次（最大降深）。
（3）采用非稳定流抽水试验方法。
（4）出水量和动水位按稳定值确定，水位和出水量连续观测：延续时间48h,稳定后延
井壁管与滤水管排列安装示意图
编号
滤水管
位 置
井管
长度
井管安
装深度
编号
滤水管
位 置
井管
长度
井管安
装深度
82

3
3
41

4
156
81

4
7
40

4
160
80

4
11
39

4
164
79

4
15
38

4
168
78

4
19
37
滤
3
172
77

4
23
36
滤
3
175
76

4
27
35

4
178
75

4
31
34

4
182
74
滤
3
35
33

4
186
73

4
38
32

4
190
72

4
42
31
滤
3
194
71

4
46
30
滤
3
197
70

4
50
29

4
200
69

4
54
28

4
204
68

4
58
27
滤
3
208
67
滤
3
62
26
滤
3
211
66
滤
3
65
25

4
214
65

4
68
24

4
218
64

4
72
23
滤
3
222
63

4
76
22
滤
3
225
62

4
80
21

4
228
61
滤
3
84
20

4
232
60
滤
3
87
19
滤
3
236
59

4
90
18
滤
3
239
58

4
94
17

4
242
57

4
98
16

4
246
56

4
102
15

4
250
55
滤
3
105
14
滤
3
254
54
滤
3
108
13
滤
3
257
53

4
112
12

4
260
52

4
116
11

4
264
51

4
120
10

4
268
50

4
124
9
滤
3
272
49
滤
3
128
8
滤
3
275
48
滤
3
131
7

4
278
47

4
134
6

4
282
46

4
138
5

4
286
45

4
142
4
滤
3
290
44

4
146
3
滤
3
293
43
滤
3
150
2

4
296
42
滤
3
153
1

4
300
续时间8h.测得静水位58.6 m；动水位105.5m；降深46.9m；出水量30m3/h；单位出水量0.64m3/h·m。
六、机井质量
（1）出水量：最大涌水量﹥30m3/h。
（2）孔身质量：孔身圆正、垂直，满足规范要求。
（3）管井结构：井深310m，分为两个井段成井。其中深度0—300m时，井径460mm；深度300—310m时，井径220mm。井内安装外径为273mm的钢质井管300m。井管全部采用焊接方式连接。井管整体连接垂直，焊接牢固，质量可靠。
（4）止水：采用优质粘土球止水，效果良好，满足规范要求。
（5）水质：经检验分析，完全符合生活饮用水标准。

参考资料：
平凉市水文地质工程局. 赵秉恒. 平凉大寨岭火车站水源管井施工技术总结 2012.11

作者简介：
赵秉恒，男，出生于1955年12月，1977年12月毕业于西安地质学校地质勘探专业。现在平凉市水文地质工程局，总工程师。从事水文地质钻探施工与管理工作。

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