CN102937001A - 砂卵石地层辐射井成井工艺 - Google Patents

Abstract

一种砂卵石地层辐射井成井工艺，包括竖井施工及水平集水管施工，所述水平集水管施工过程包括以下步骤：将带钻头的第一根滤水管放入竖井壁上的预留孔内，开动油缸和振冲器，油缸和振冲器带动液压水平钻机将滤水管边冲击回转边推进，采用回转振冲的方法进行钻进，同时开动井内排砂、排水泵；钻进至设计深度后停止，将液压水平钻机退回，滤水管及钻头留在含水层中；封闭滤水管与预留孔之间的间隙；待滤水管中水清砂净后，盖好上盖板，将滤水管封住；吊液压水平钻机在其他预留孔内以上述相同的方法施工，直至完成所有的水平集水管施工。本发明成井工艺，可将较长的滤水管钻入砂卵石地层，保证辐射井的出水量。

Description

砂卵石地层辐射井成井工艺

技术领域

本发明涉及一种成井工艺，具体涉及一种辐射井的成井工艺

背景技术

辐射井是由一口大直径的集水井和自集水井内的任一高程和水平方向向含水层打进具有一定长度的多层、数根至数十根水平辐射管所组成。集水井钻孔直径通常大于3.5m，在粒径大于200mm的砂卵石地层中钻孔，采用目前国内外常用的钻机成孔比较困难。由于钻孔直径大，若采用回转钻机正循环钻孔，泥浆泵的冲力很难将卵石悬浮，并使卵石随泥浆上升溢出孔外，所以常用的方法为反循环钻孔，即采用泥浆泵将被钻头搅松的砂卵石从钻杆抽出，泥浆再循环流回孔中，由于钻杆直径限制，较大的卵石无法从钻杆中排出，需单独将这些较大卵石捞出，才能继续钻孔，钻孔过程繁琐。

另外，目前国内外对于砂卵石地层中的辐射井水平管施工主要采用顶进法，即采用千斤顶将滤水管顶入含水层中，但由于砂卵石地层对顶入的滤水管阻力较大，限制了滤水管的长度，一般不超过10m，而滤水管较短直接影响辐射井的出水量。

国内外的学者对辐射井出水量的研究做了大量的工作，取得了一定的成果，从现有的资料看，关于辐射井涌水量的计算公式有许多，大致可分为两类：一是经验公式，二是半理论半经验公式，但这些公式都没有考虑到滤水管的管径、开孔率、以及施工过程中地层排砂量对出水量的影响，不能准确刻画辐射井出水量，导致无法准确地进行经济性分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种砂卵石地层辐射井成井工艺，其可以增加水平集水管的铺设长度，加大辐射井的出水量。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种砂卵石地层辐射井成井工艺，包括竖井施工及水平集水管施工，所述水平集水管施工过程包括以下步骤：

A、将带钻头的第一根滤水管放入竖井壁上的预留孔内，开动油缸和振冲器，油缸和振冲器带动液压水平钻机将滤水管边冲击回转边推进，采用回转振冲的方法进行钻进，同时开动井内排砂、排水泵；

B、钻进至设计深度后停止，将液压水平钻机退回，滤水管及钻头留在含水层中；

C、封闭滤水管与预留孔之间的间隙；

D、待滤水管中水清砂净后，盖好上盖板，将滤水管封住；

E、吊液压水平钻机在其他预留孔内以上述相同的方法施工，直至完成所有的水平集水管施工。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，在进行竖井施工前，先根据公式（1）计算得到不同竖井深度、不同水平井外径、不同水平管总长度所对应的不同含水量数值，对比至少两组竖井深度、水平井外径、水平管总长度的数值和出水量的对应关系及不同管径滤水管的价格、不同长度滤水管的价格、不同深度的竖井的施工成本，取出水量/成本的比值较大的一组所对应的竖井深度、水平井外径、水平管总长度，

$Q=C\·\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{KS}}_0(2H-S_0)}{\ln \frac{R}{L_s}}---\left(1\right)$

其中：S₀=S_a-S_w

S_w=S_f+S_j

$S_w=215000\frac{{\mathrm{Lq}}^{1.9}}{{\left(1000d_n\right)}^{5.1}}$

$S_j=\frac{6.38\×{10}^{-9}{q}^2}{d_n^4}$

$C=\sqrt{\frac{H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f)}{h}}\·\sqrt[4]{\frac{2h-(H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f))}{h}}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{a}{b^{\mathrm{\θ}}}$

H_f=H_a-H_w-S₀

$L_s={\left(0.40\right)}^{1/\mathrm{\β}}{\left(0.40\right)}^{\frac{1}{n}}{\left(0.95\right)}^{1/d_w}(r+\frac{L_a}{\mathrm{mn}}+\frac{2L_{a}W}{\mathrm{mn}(\mathrm{\π}{L}_a{d}_w^2+2W)})$

$L_a=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ij}}$

$\mathrm{\β}=\frac{L_a}{m\·n{\·H}_c}$

$R={2S}_0\sqrt{{\mathrm{KH}}_f}+L_s$

式中：Q──竖式取水井出水量，m³/d；

K──渗透系数，m/d；

S₀──计算水位降深，m；

S_a──井内水位降深，m；

S_w──辐射管内水头损失，m；

S_f——辐射管内沿程水头损失，m；

S_j——辐射管内局部水头损失，m；

H─潜水含水层厚度，m；

h──井中动水位至不透水层的高度，m；

R──影响半径，m；

r──辐射井半径，m；

L_s──水平管计算长度，m；

n──水平管平均单层根数；

m──水平管层数；

L_ij——第i层第j根水平管长度，m；

L──单根水平管平均长度，m；

q──单根水平管出水量，m³/h；

L_a──水平管总长度，m；

H_c——水平管平均层间距，m；

d_w——水平井外径，m；

d_n——水平井内径，m；

W─排砂总体积（管径和长度增加各占50％），m³，采用估算公式

C──非完整井出水量折减系数，对于完整井，C=1；

α──过滤器影响系数；

θ──开孔率，％；

a、b──过滤器开孔率影响参数，a=0.8，b=1.4；

H_f——竖井井壁管进水的长度，m；

H_a──竖井深度，m；

H_w──静水位埋深，m；

β──水平管平均长度与平均层间距的比值。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述滤水管为钢滤水管。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，在所述竖井施工过程中，采用反循环回转钻机施工，将反循环回转钻机固定在所钻孔的周围，所述反循环回转钻机的钻头为捞石钻头，捞石钻头包括进水管，进水管上端固定有接钻杆法兰，下端固定有捞石桶，捞石桶为上端封闭下端开口的桶体，进水管末端伸入捞石桶内，捞石桶开口端内壁设有若干根捞石棒，各捞石棒一端固定于捞石桶桶壁上另一端伸向捞石桶的轴心，并且各捞石棒的长度小于捞石桶内壁的半径，若干根捞石棒沿捞石桶内壁周向分布，进水管上靠近接钻杆法兰的位置处固定有若干根水平支撑板，各水平支撑板长度相等并且位于同一水平面内，在水平支撑板的外围固定有圆形框架，圆形框架与捞石桶之间固定有若干个斜支撑板，各斜支撑板外侧及捞石桶的开口端端面上均固定有合金刀。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述各钢丝绳所在平面与捞石桶内壁的夹角a小于90°。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述各钢丝绳所在平面与捞石桶内壁的夹角a为70°。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述各水平支撑板长度相等并且沿所述进水管外壁周向均布。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述各合金刀在斜支撑板及捞石桶上均匀分布。

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺，其中，所述捞石棒为具有弹性和刚度的钢丝绳或钢筋或窄钢板。

采用上述方案后，本发明砂卵石地层辐射井成井工艺在水平集水管施工过程中，将滤水管采用回转振冲方法进行钻进，可将较长的滤水管钻入砂卵石地层，保证辐射井的出水量。

另外，在竖井施工过程中，回转钻机的钻头为捞石钻头，捞石钻头带有捞石桶，捞石桶上设有捞石棒，在钻头提起过程中，卵石可被捞石棒挡在捞石桶内，可捞起直径较大无法通过钻杆排出的卵石，使钻竖井过程简化，提高效率。还有，根据出水量的计算公式，更精确地确定合理的竖井深度，水平辐射管管径、水平辐射管长度，使辐射井能获得更大的经济效益。

附图说明

图1是本发明砂卵石地层辐射井成井工艺中回转钻机钻头的主视图；

图2是本发明砂卵石地层辐射井成井工艺中回转钻机钻头的俯视图；

图3是本发明砂卵石地层辐射井成井工艺中辐射管出水量计算公式中各参数的示意图。

具体实施方式

本发明砂卵石地层辐射井成井工艺包括以下步骤：

1）竖井施工

采用反循环回转钻机成孔，回转钻机钻杆内径不小于180mm，砂石泥浆泵不小于8吋，回转钻机的捞石钻头如图1、2所示，包括进水管1，进水管1上端一体成型有接钻杆法兰11，下端焊接有捞石桶2，捞石桶2为上端封闭、下端开口的桶体，进水管1末端伸入捞石桶2内，捞石桶2开口端内壁锚固有φ25mm的钢丝绳21，钢丝绳21的长度小于捞石桶2内壁的半径，多根钢丝绳21沿捞石桶2内壁周向分布，并且多根钢丝绳21所在平面与捞石桶2内壁所成夹角α小于90°时捞石效果较好，α为70°时效果最好，进水管1上靠近接钻杆法兰11的位置处焊接有多根水平支撑板3，各水平支撑板3长度相等并且沿进水管1外壁周向均布，各水平支撑板3的外围焊接有圆形框架4，圆形框架4与捞石桶2上端之间焊接有多个斜支撑板5，各斜支撑板5外侧及捞石桶2的开口端端面上均焊接有多个合金刀6，多个合金刀6在斜支撑板5外侧及捞石桶2开口端上均匀分布，使用时将捞石钻头通过接钻杆法兰11连接到回转钻机的钻杆上，接通电源开始钻孔，钻孔过程中，直径较小的卵石如粒径小于钻杆内径的3/4的卵石，由砂石泥浆泵通过进水管1的进水口12抽出，直径较大的卵石在钻头压力下进入捞石桶2内，由于捞石桶2内壁装有钢丝绳，钢丝绳具有一定弹性，且因钢丝绳直径较大，有一定的刚度，在钻头提起过程中，卵石可被钢丝绳挡在捞石桶内，可捞起直径小于捞石桶内径3/4的卵石。为了方便捞石，在钻孔周围预制4个钢筋混凝土墩，墩高1.0m，将竖井钻机安放在墩上，并与墩中预埋的型钢焊接相连，这样，每次需要捞石时，将捞石钻头提起，捞石筒2高出钻孔内水位，便于将桶内石头取出。

为了防止在竖井钻孔过程中坍孔，需要保证孔内泥浆的水位高于地下水位2m以上，并要求泥浆比重不小于1.08，用反循环回转钻机成孔后，采用漂浮法下井管，井管为钢筋混凝土管，外径不小于3m，壁厚不小于0.2m，长度不小于1m，最下层井座封底。将井座吊装到井孔中漂浮起来，再将井管吊装到井座上，一节接一节地摞上，采用漂浮法下管，直到井座下到预定深度，并确保井管直立，井管接头采用防水材料封闭接口，最后在井管周围填土密实，竖井施工完成；

2）水平集水管施工

当竖井完成之后，将水平钻机放入竖井内进行水平集水管施工，具体施工步骤为：

A开动液压马达使带钻头的第一根滤水管开始缓慢旋转，针对砂卵石含水层，滤水管一般为钢滤水管，确认无异常后打开竖井壁上的预留孔盖板，若没有预留孔，先用合金开孔器开预留孔，将带钻头的第一根滤水管放入预留孔内，然后开动油缸和振冲器，在油缸和振冲器的带动下，将带钻头的滤水管用液压水平钻机边冲击回转边推进，采用回转振冲方法进行钻进，同时开动井内排砂、排水泵，防止水、砂淹没钻井平台，影响钻进；

B钻进至设计深度后停止钻进，将液压水平钻机退回到另一端，滤水管及钻头留在含水层中；

C封闭滤水管与预留孔之间的间隙，只允许水从滤水管内排出，滤水管进入含水层中，含水层中的细颗粒进入滤水管内，随水流进入竖井中排走，同时将较粗的颗粒挤在滤水管周围，形成一条天然的环形反滤层；

D待滤水管中水清砂净后，盖好上盖板，将滤水管封住；

E吊液压水平钻机在其他预留孔内以上述相同的方法施工，直至完成所有的水平集水管施工。

计算辐射井出水量时，采用以下公式，

$Q=C\·\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{KS}}_0(2H-S_0)}{\ln \frac{R}{L_s}}---\left(1\right)$

其中：S₀=S_a-S_w

S_w=S_f+S_j

$S_w=215000\frac{{\mathrm{Lq}}^{1.9}}{{\left(1000d_n\right)}^{5.1}}$

$S_j=\frac{6.38\×{10}^{-9}{q}^2}{d_n^4}$

$C=\sqrt{\frac{H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f)}{h}}\·\sqrt[4]{\frac{2h-(H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f))}{h}}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{a}{b^{\mathrm{\θ}}}$

H_f=H_a-H_w-S₀

$L_s={\left(0.40\right)}^{1/\mathrm{\β}}{\left(0.40\right)}^{\frac{1}{n}}{\left(0.95\right)}^{1/d_w}(r+\frac{L_a}{\mathrm{mn}}+\frac{2L_{a}W}{\mathrm{mn}(\mathrm{\π}{L}_a{d}_w^2+2W)})$

$L_a=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ij}}$

$\mathrm{\β}=\frac{L_a}{m\·n{\·H}_c}$

$R={2S}_0\sqrt{{\mathrm{KH}}_f}+L_s$

式中：Q──竖式取水井出水量，m³/d；

K──渗透系数，m/d；

S₀──计算水位降深，m；

S_a──井内水位降深，m；

S_w──辐射管内水头损失，m；

S_f——辐射管内沿程水头损失，m；

S_j——辐射管内局部水头损失，m；

H─潜水含水层厚度，m；

h──井中动水位至不透水层的高度，m；

R──影响半径，m；

r──辐射井半径，m；

L_s──水平管计算长度，m；

n──水平管平均单层根数；

m──水平管层数；

L_ij——第i层第j根水平管长度，m；

L──单根水平管平均长度，m；

q──单根水平管出水量，m³/h；

L_a──水平管总长度，m；

H_c——水平管平均层间距，m；

d_w——水平井外径，m；

d_n——水平井内径，m；

W─排砂总体积（管径和长度增加各占50％），m³，可采用估算公式

C──非完整井出水量折减系数，对于完整井，C=1；

α──过滤器影响系数；

θ──开孔率，％；

a、b──过滤器开孔率影响参数，a=0.8，b=1.4；

H_f——竖井井壁管进水的长度，m；

H_a──竖井深度，m；

H_w──静水位埋深，m；

β──水平管平均长度与平均层间距的比值。

上述符号标识如图3所示，图3中7为竖井，8为水平集水管。

在对某类水源地进行开采前，若根据地勘资料掌握了含水层的条件，得到地下水位、含水层厚度、渗透系数等参数，当初步确定辐射井竖井的深度、水平辐射管管径、长度、开孔率等因素后，通过公式（1）的计算可得到辐射井的出水量，因为管径相差不大的两种规格滤水管价格差异很大，通过公式（1）的计算，可以进行不同管径的经济分析。

例如采用式（1）计算辐射井出水量。取渗透系数K＝20.9m/d，静水位埋深H_w=7.149m，潜水含水层厚度H=87.851m，辐射井半径r=1.50m，开孔率θ＝5％；水平管平均单层根数n=8，水平管层数m=3，水平管总长度L_a=455m（单根辐射管长度20m），水平管平均层间距H_c=1.75m，竖井深度H_a=30m，井内水位降深S_a=14.1m时，采用式（1）计算出水量：

1）采用水平井外径d_w=0.159m（壁厚8mm）的滤水管，得到辐射井出水量为30256m^3/d，滤水管造价20.2万元；

2）采用水平井外径d_w=0.127m（壁厚6mm）的滤水管，得到辐射井出水量为28516m³/d，滤水管造价12.1万元。

比较上述两个方案，方案1）出水量比方案2）增加了5.8％，而水平滤水管造价增加40.0％，方案1）中出水量/滤水管成本，其比值为151，方案2）中出水量/滤水管成本，其比值为237，对比两组竖井深度、水平井外径、水平管总长度的数值和出水量的对应关系及不同管径滤水管的价格、不同长度滤水管的价格、不同深度的竖井的施工成本，取出水量/成本的比值较大的一组即方案2）所对应对的竖井深度、水平井外径、水平管总长度，以取得最大的经济效益。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种砂卵石地层辐射井成井工艺，包括竖井施工及水平集水管施工，其特征在于：

所述水平集水管施工过程包括以下步骤：

A、将带钻头的第一根滤水管放入竖井壁上的预留孔内，开动油缸和振冲器，油缸和振冲器带动液压水平钻机将滤水管边冲击回转边推进，采用回转振冲的方法进行钻进，同时开动井内排砂、排水泵；

B、钻进至设计深度后停止，将液压水平钻机退回，滤水管及钻头留在含水层中；

C、封闭滤水管与预留孔之间的间隙；

D、待滤水管中水清砂净后，盖好上盖板，将滤水管封住；

E、吊液压水平钻机在其他预留孔内以上述相同的方法施工，直至完成所有的水平集水管施工。

2.如权利要求1所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：在进行竖井施工前，先根据公式（1）计算得到不同竖井深度、不同水平井外径、不同水平管总长度所对应的不同含水量数值，对比至少两组竖井深度、水平井外径、水平管总长度的数值和出水量的对应关系及不同管径滤水管的价格、不同长度滤水管的价格、不同深度的竖井的施工成本，取出水量/成本的比值较大的一组所对应的竖井深度、水平井外径、水平管总长度，

$Q=C\·\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{KS}}_0(2H-S_0)}{\ln \frac{R}{L_s}}---\left(1\right)$

其中：S₀=S_a-S_w

S_w=S_f+S_j

$S_w=215000\frac{{\mathrm{Lq}}^{1.9}}{{\left(1000d_n\right)}^{5.1}}$

$S_j=\frac{6.38\×{10}^{-9}{q}^2}{d_n^4}$

$C=\sqrt{\frac{H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f)}{h}}\·\sqrt[4]{\frac{2h-(H_f+\mathrm{th}(L_s/h)(h-H_f))}{h}}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{a}{b^{\mathrm{\θ}}}$

H_f=H_a-H_w-S₀

$L_s={\left(0.40\right)}^{1/\mathrm{\β}}{\left(0.40\right)}^{\frac{1}{n}}{\left(0.95\right)}^{1/d_w}(r+\frac{L_a}{\mathrm{mn}}+\frac{2L_{a}W}{\mathrm{mn}(\mathrm{\π}{L}_a{d}_w^2+2W)})$

$L_a=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{ij}}$

$\mathrm{\β}=\frac{L_a}{m\·n{\·H}_c}$

$R={2S}_0\sqrt{{\mathrm{KH}}_f}+L_s$

式中：Q──竖式取水井出水量，m³/d；

K──渗透系数，m/d；

S₀──计算水位降深，m；

S_a──井内水位降深，m；

S_w──辐射管内水头损失，m；

S_f——辐射管内沿程水头损失，m；

S_j——辐射管内局部水头损失，m；

H——潜水含水层厚度，m；

h──井中动水位至不透水层的高度，m；

R──影响半径，m；

r──辐射井半径，m；

L_s──水平管计算长度，m；

n──水平管平均单层根数；

m──水平管层数；

L_ij——第i层第j根水平管长度，m；

L──单根水平管平均长度，m；

q──单根水平管出水量，m³/h；

L_a──水平管总长度，m；

H_c——水平管平均层间距，m；

d_w——水平井外径，m；

d_n——水平井内径，m；

W——排砂总体积（管径和长度增加各占50％），m³，采用估算公式

C──非完整井出水量折减系数，对于完整井，C=1；

α──过滤器影响系数；

θ──开孔率，％；

a、b──过滤器开孔率影响参数，a=0.8，b=1.4；

H_f——竖井井壁管进水的长度，m；

H_a──竖井深度，m；

H_w──静水位埋深，m；

β──水平管平均长度与平均层间距的比值。

3.如权利要求2所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述滤水管为钢滤水管。

4.如权利要求3所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：在所述竖井施工过程中，采用反循环回转钻机施工，将反循环回转钻机固定在所钻孔的周围，所述反循环回转钻机的钻头为捞石钻头，捞石钻头包括进水管（1），进水管（1）上端固定有接钻杆法兰（11），下端固定有捞石桶（2），捞石桶（2）为上端封闭下端开口的桶体，进水管（1）末端伸入捞石桶（2）内，捞石桶（2）开口端内壁设有若干根捞石棒（21），各捞石棒（21）一端固定于捞石桶（2）桶壁上另一端伸向捞石桶（2）的轴心，并且各捞石棒（21）的长度小于捞石桶（2）内壁的半径，若干根捞石棒（21）沿捞石桶（2）内壁周向分布，进水管（1）上靠近接钻杆法兰（11）的位置处固定有若干根水平支撑板（3），各水平支撑板（3）长度相等并且位于同一水平面内，在水平支撑板（3）的外围固定有圆形框架（4），圆形框架（4）与捞石桶（2）之间固定有若干个斜支撑板（5），各斜支撑板（5）外侧及捞石桶（2）的开口端端面上均固定有合金刀（6）。

5.如权利要求4所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述各钢丝绳（21）所在平面与捞石桶（2）内壁的夹角a小于90°。

6.如权利要求5所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述各钢丝绳（21）所在平面与捞石桶（2）内壁的夹角a为70°。

7.如权利要求6所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述各水平支撑板（3）长度相等并且沿所述进水管（1）外壁周向均布。

8.如权利要求7所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述各合金刀（6）在斜支撑板（5）及捞石桶（2）上均匀分布。

9.如权利要求8所述的砂卵石地层辐射井成井工艺，其特征在于：所述捞石棒（21）为具有弹性和刚度的钢丝绳或钢筋或窄钢板。

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