黑龍江地區(qū)機井設計與成井工藝

機井設計和鉆孔技術(shù)的質(zhì)量是合理利用地下水資源、提高機井質(zhì)量、降低成本、提高效率的重要舉措。1管井及管井的設計內(nèi)容機井的設計是在水文地質(zhì)調(diào)查分析的基礎上,根據(jù)機井規(guī)劃,為盡量滿足對取水量、水質(zhì)的要求,并考慮現(xiàn)時條件下技術(shù)可能,經(jīng)濟合理,盡快得到其設計內(nèi)容包括:井的深度;開孔與終孔口徑;井管的種類,規(guī)格及安裝位置;管井的封閉、污染含水層位置與封閉措施;水泵與電機選擇。1.1井深度應根據(jù)開采含水層的埋藏深度、含水層不同類型及據(jù)機井規(guī)范布局和使用要求而定。1.2開孔口徑與終孔口徑的差應根據(jù)對水量的要求、選用的提水設備,成井使用的鉆機類型,濾水管口徑和人工填礫厚度定。若使用回轉(zhuǎn)式鉆機鉆進松散巖層時開孔口徑與終孔口徑之差就比較小些。若使用沖擊式鉆機,特別是鉆井硬巖層時,因鉆頭磨損快,必須設計較大的開孔口徑才能確保終孔口徑達到要求;安裝的濾水管口徑越大,人工填礫越厚,要求井孔的開孔及終孔口徑就越大。但歸根結(jié)底要滿足取水設備如深井泵或潛水泵能下到井內(nèi)。1.3管井結(jié)構(gòu)類型應根據(jù)井孔口徑,含水層,隔水層,層數(shù)及位置和規(guī)范要求的出水量,水質(zhì)要求條件決定,結(jié)合考慮成井后抽水設備類型,規(guī)格而定。一般情況下井深小于60m,井徑大于400mm,管徑大于20cm時,選用混凝土管,缸瓦管比較經(jīng)濟。井深大于60m并在200m以內(nèi)可選用鑄鐵管,塑料管混凝土管。1.4管道關(guān)閉根據(jù)對水質(zhì)的要求,對不取用的含水層進行封閉止水,可用粘土、水泥、桐油石灰作封閉材料。否則機井不能發(fā)揮正常作用。1.5相關(guān)設備和泵的選擇應根據(jù)靜水位、降深、出水量而配套選用。努力做好機井設計,是機井建設的第一程序。2集中用砂還是分散用砂成井的關(guān)鍵在于揭穿含水層,牡丹江地區(qū)多數(shù)機井是在第四紀松散地層內(nèi)成井,這就涉及利用砂層的問題。一眼井一般成井用砂以粗顆粒,單層厚度大砂層集中的水量才多,反之則反。每一眼井應根據(jù)規(guī)范要求用砂才合理。這就是說即使某一深度砂層很好,但此層布井很多,新打井最好不用這段砂層,否則可能出現(xiàn)供不應求,減少了單井出水量。集中用砂還是分散用砂要根據(jù)具體情況具體處理。集中用砂的優(yōu)點是保證較高的水位,抽水方便經(jīng)濟,抽水降深大,出水量多,缺點是若成井群集中用砂,容易造成水位下降,水量減少。分散用砂可解決集中用砂的缺點,這在井灌區(qū)虎林、密山及撲水灌區(qū)都有很大作用?？傊删蒙耙皇强紤]當前水量要求多少,二是選用下多粗管,三是考慮砂層分布位置,再決定集中用砂還是分散用砂,再是分析選用砂層的粗細、厚度、純度等。3關(guān)注調(diào)整井管結(jié)構(gòu)濾水管的主要作用是濾水阻砂,選用適用的濾水管是取得最大水量,解決涌砂問題的關(guān)鍵,它關(guān)鍵到單井出水量和機井使用壽命。選用濾水管的依據(jù)是含水層的性質(zhì),若是在堅硬巖層中一般不需要下濾水管,但在松散地層中必須安裝濾水管。濾水管要有很好的過濾及透水作用,而這兩個作用往往是相互制約的。過濾性好,攔砂能力強但往往影響透水性,反之透水性好,阻砂能力就差。濾水管的進水孔徑和含水層的顆粒大小要相適應,使砂顆粒既不能進入井內(nèi)又不堵塞進水孔或少阻水,這就要求解決好濾水管的孔隙率問題。濾水管的孔隙率大,阻水作用就小,出水量就大。我區(qū)機井多用包網(wǎng)也有用纏絲的,它的孔隙率包含著濾水管管壁圓孔或條孔的孔隙率和外部包網(wǎng)纏絲的孔隙率。若采用井壁外填礫料,纏絲或包網(wǎng)的孔隙率要比管壁的孔隙率大些才合理,但多數(shù)機井在這點上沒有達到要求。如寧安縣英山林場井下的濾水管,由于孔隙率太低影響了機井出水量。一般管壁的圓孔或條孔的孔隙率為:鋼管要達到30%-37%,鐵管要達到25%-30%,混凝土管因有強度條件制約也要達到20%左右。濾水管管壁圓孔的孔隙率可用下式計算:P=m?n?r2R?LΡ=m?n?r2R?L式中:P—濾水管管壁圓孔的孔隙率;m—濾水管圓周上孔眼的行數(shù);n—濾水管每行的孔眼個數(shù);γ—孔眼的半徑(mm);R—濾水管的外直徑(mm);L—濾水管工作部分長度(mm)。濾水管纏絲、孔隙率:p=(1-d1/m1)·(1-d2/m2)濾水管纏絲、包網(wǎng)孔隙率:p=(1-d1/m1)·(1-d2/m2)·np—濾水管纏絲或纏絲、包網(wǎng)的孔隙率;d1—豎向墊筋的寬度(mm);m1—由墊筋中心算起的間距(mm);d2—纏絲直徑(mm);m2—纏絲中心算起的間距(mm);n—包網(wǎng)的孔隙率。井管下入孔內(nèi)之后,井管的孔隙率又受填礫或取用含水層的給水度的影響,因此我們定義實際發(fā)揮作用的孔隙率叫有效孔隙率。要根據(jù)含水層性質(zhì)即砂顆粒粒徑大小與級配來選用相應的濾水管,在中、細、粉砂層中采用真礫濾水管比采用包網(wǎng)或纏絲不填礫的濾水管,有效孔隙率可增大3倍左右對增加井的出水量關(guān)系很大,這應在虎林地區(qū)成井中廣泛應用。在虎林、密山、雞東地區(qū)的中、細、粉砂層中不應采用包網(wǎng),纏絲不填料的濾水管,否則濾水管的有效孔隙率將大大減少,而且容易造成堵塞,大大減少出水量。在粗砂層中,填礫濾水管對增加井的出水量也有相當?shù)男Ч?。在礫石卵石中效果不顯著可采用包網(wǎng),纏絲濾水管?？傊捎锰畹[濾水管對增加井的出水量是有好處的。濾水管的口徑大小和出水量有一定關(guān)系,在其它條件完全相同的條件,出水量將隨井徑的增大有不同程度的增加。一般在中細砂層中管徑選用250mm左右,在砂礫層中250-350mm左右,在卵石層中可選用>350mm。濾水管的長度選用,應根據(jù)含水層的厚度、顆粗組成,出水量的大小,濾水管的直徑等因素確定但是主要控制條件是含水層的厚度。當含水層厚度小于10m時,濾水管的長度應與含水層厚度相等,若含水層很厚根據(jù)抽水試驗的經(jīng)驗濾水管的長度可達含水層厚度的3/4。4關(guān)注天然濾水層纏絲、包網(wǎng)濾水管,首先要保證濾水管的抗壓強度與使用壽命其次要使濾水管外面形成良好的天然濾水層,把各種阻力減至最低限度,以增加出水量。纏絲、包網(wǎng)濾水管適用于礫石,卵石層中。由于包網(wǎng)容易被含水層砂顆粒堵塞,且易腐爛,為延長管井壽命盡量采用纏絲濾水管為優(yōu)。但我區(qū)目前條件下建議在中、細、粉砂層中采用棕皮材料包網(wǎng)為好。5礫料規(guī)格的確定填礫料濾水管井適用于中、細、粉砂層中,它可以起到增加機井的濾水管四周的有效孔隙率,減少進水時的水頭損失,防止淤砂,增大出水量,延長機井使用壽命。合理選用填礫的形狀與規(guī)格是使填礫起到作用的關(guān)鍵。礫料以均質(zhì)的近圓形的為宜,因為這種礫料滲透性能比非均質(zhì)的帶棱角的大。礫料的規(guī)格:在砂層均質(zhì)條件下以含水層的顆粒d50-d60直徑的8-10倍為佳,這樣可以使機井四周形成良好人工濾水層。在卵石、礫石層中如果均勻性較好,可采用d70-d80的含量顆徑的8倍左右作為填礫規(guī)格,若均勻性較差則可適當縮小到8倍左右。礫料規(guī)格的選擇一般采用混合礫料,因為天然地層無論經(jīng)過篩分劃成中砂或粗砂,其中都含有大量細粒,若允許這些細粒進入濾水層便可以按中砂或粗砂的標準選擇礫料;若不允許細粒穿過,防止細粒破壞濾水層和井管透水性,則在礫料中應當含有相當數(shù)量的小顆粒。6影響單井出水量的問題影響單井出水量的因素很多,歸納起來主要有4點:6.1條件決定因素含水層的富水性受巖性、分選程度、單層厚度、含水層累計厚度和分布等水文地質(zhì)條件決定的它是判定單井出水量大小的決定性因素,一般情況下砂層粗的比細的出水多,均勻純潔的比不均勻含泥質(zhì)的出水量多,單層厚度大的比單層厚度小的出水量多,含水層層次多的比層次少的出水量多,砂層集中比分散的出水量多。6.2淺井多在無壓含水層,深度符合激發(fā)流水量的需要,井實踐證明加大井徑可以提高機井出水量。所以相同條件下,井徑大的比井徑小的出水多,根據(jù)野外抽水試驗資料可知:在無壓含水層中,相同深度的試驗井孔,其水量的增加與井徑增加的一半大約成正比,如:淺井多在無壓含水層,河谷第四紀潛水中成井,井徑為150mm,出水量為40t/h,如果深度不變,把井徑變?yōu)?50mm,出水量是多少呢?因為井徑增加了100mm,井徑增加數(shù)的一半為50mm。根據(jù)上述試驗經(jīng)驗結(jié)論,可這樣估計:150:40=50:x,則x=13.3t/h,所以250mm井徑的出水量為40+13.3=53.3t/h,但是出水量隨井徑增加到一定程度后即不再增加了,這也是野外抽水試驗資料證明了的。6.3施工控制在承壓水高、成井后,既根據(jù)野外抽水試驗成果,抽水降深對出水量影響很大,在潛水中出水量的增加隨降深的加大而增加呈拋物線形狀,但抽水降深加大到一定程度,水量不再增加了。在承壓水中,出水量隨降深的加大成正比增加。只有當抽水降深達到承壓含水層頂板以下才變成潛水的那種關(guān)系。因此成井后安裝抽水機應與抽水降深相適應。例如深井泵比離心泵的吸程大,也就是降深大,同樣一眼井,安裝深井泵,潛水泵就比安離心泵出水量大,原因在于前兩種泵抽水降深大。6.