Water Well Drilling
1.GENERAL
Water is necessary for sustaining life on earth. All life depends on it, not only human beings. About 97% of the earthrsquo;s fresh water supply is located underground (glaciers and ice caps excluded).
Most ground water that we use comes from rain and snow. Some water that falls on the earthrsquo;s surface penetrates the soil and becomes subsurface water bearing formations (FIGURE 1.1). Useable ground water also includes water trapped in sediments and water that vaporizes from molten rock as it cools below earthrsquo;s surface.
Subsurface water with formations that are capable of yielding sufficient water for wells are called aquifers, which can be found in gaps and pores between particles and grains in alluvial or unconsolidated formation or in cracks, and joints in consolidated formation. Although ground water exists almost everywhere, it is not always accessible to tap it. Layers containing water may be impermeable, thus preventing water from flowing into the well.
SUN
Source of Heat
Clouds and Water Vapor
Evaporation while falling
RAIN
DAM
EVAPORATION
Swamp
OCEAN
Percolation
SAND Submarine
Spring
SLATE (Impermeable) SANDSTONE (Aquifer)
GRANITE
Ground water flow
Freshwater/Seawater Interface
FIGURE 1.1 Hydrologic cycle.
The importance of fresh water has inspired people throughout history to develop various methods of tapping these valuable ground water resources. Many of these methods are still used today because different types of aquifers and environments (physical, financial or political) require different drilling techniques.
2.METHODS
2.1 CABLE TOOL DRILLING
Cable tool drilling is the oldest percussive drilling method and was developed by the Chinese about 4,000 years ago. The technique is still used today, but the original bamboo tools have been replaced by steel tools, and human and animal-generated power has been replaced by gasoline and diesel engines.
Cabletool rigs (also called spudder rigs) drill by repeatedly dropping and lifting a string of heavy tools into a hole. The reciprocating motion required for lifting and dropping is imparted by the vertical movement of a spudding beam (FIGURE 2.1). The loosened material or rock cuttings are mixed with water and removed from the hole periodically by a bailer or sand pump.
The bailer is a section of pipe with a check valve at the bottom. The cuttings open the valve when the bailer is lowered to the bottom. The valve closes automatically when the bailer is lifted. The sand pump is a bailer equipped with suction pipe and plunger. The plunger creates a vacuum that opens the check valve at the bottom and sucks sand and cuttings into the bailer.
The drill string for cable-tool drilling consists of 5 components: drill bit, drill stem, drilling jars, swivel socket and cable (FIGURE 2.2). The drill bit (chisel) crushes the rock and mixes the cuttings. The drill stem is a heavy section of pipe that adds weight to the string and guides the bit in the hole. Drilling jars consist of two steel bars that are linked together. The free sliding jars are used to loosen a stuck drill bit on the upward stroke.
A swivel socket connects drilling tools to the cable and transmits the rotation of the cable to the drill string so that the drill bit crushes fresh rock in every downstroke. The cable carries and rotates the drilling tools by twisting the swivel socket on every upstroke.
Although cabletool drilling is a slow method and canacute;t compete with modern rigs, it has maintained its popularity in certain applications and geographical locations. Cabletool machines are simple, mechanical machines that can be repaired in almost any workshop. Initial investment costs are low and most spare parts can be locally produced. Cabletool rigs also have the advantage when drilling in alluvial formation that contains boulders because the casing is set during the drilling process. The casing stabilizes hole walls and prevents boulders from falling onto the bit.
FIGURE 2.1 Cabletool rig FIGURE 2.2 Cable tool rig drill string
2.2 ROTARY DRILLING
Rotary drilling is the method in which a rotating bit crushes or cuts rock under heavy down pressure. This method was developed to increase drilling speed and depth in most formations. The drill string, which has an attached bit at the bottom, is rotated by rotary table or hydraulic top head. The weight of the drill string provides the required feed force for the bit. In tophead drive rigs, the weight can also be applied by a hydraulic feed system at the top of the hole. As the drill bit penetrates the hole,drilling fluid is forced down to the bit where it flushes the cuttings out of the hole.
Depending on the drilling fluid and channel used to force it down to the bit, drilling can be divided into the following main types: air drilling, reverse air drilling, air hammer drilling (DTH), direct mud circulation drilling and reverse mud circulation drilling.
2.2.1 AIR DRILLING
Air drilling is a rotary drilling method that uses air, air/water or an air/water/foaming agent mixture as the hole cleaning fluid. Air drilling has the advantage of reducing drilling costs by increased penetration rates,longer bit life and reduced well development (cleaning) time. Air for hole cleaning is produced by a compressor that is either on the drill rig or a portable unit. Air is directed down the drill pipe where it cleans the face of the bit and flushes the cuttings out of the hole through the annulus between the drill pipe and hole wall.
The pressure requirement for air drilling depends on the water head in the hole, but is typically 100 - 150 psi (7 - 10.5 bar). The air volume needed for hole cleaning depends on the hole and drill pipe diameter calculated by t
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水井钻井
1.概述
水是维持地球生命的必要条件。所有的生命都依赖于它，不仅仅是人类。大约97%的地球淡水供应位于地下（冰川和冰盖除外）。
我们使用的大部分地下水来自于雨和雪。 落在地球表面的一些水渗入土壤，成为地下含水层（图1.1）。可用的地下水还包括沉积物中的水以及在熔融岩石冷却到地球表面以下时，从中蒸发的水。
能够为地层井产生足够多的水的地下水被称为含水层，其可以在颗粒和颗粒之间的间隙和孔隙中或未固结地层中或裂缝中发现，并且联结于固结层中。虽然地下水几乎遍布各处，但并不总是可以被利用。含水层可能是不渗透的，因此阻止水流入地层井中。
淡水的重要性激发了历史上的人们开发各种挖掘这些有价值的地下水资源的方法。今天，许多的这些方法仍然被使用，因为不同类型的含水层和环境（物质，金融或政治）需要不同的钻井技术。
SUN
Source of Heat
Clouds and Water Vapor
Evaporation while falling
RAIN
DAM
EVAPORATION
Swamp
OCEAN
Percolation
SAND Submarine
Spring
SLATE (Impermeable) SANDSTONE (Aquifer)
GRANITE
Ground water flow
Freshwater/Seawater Interface
图1.1
2.方法
2.1 顿钻钻井（电缆工具钻井）
顿钻钻井是最古老的冲击钻井方法，是由中国人在约4000年前开发的。这种技术至今仍在使用，但原来的竹制工具已经被钢铁工具所取代，人力和动物所产生的动力也已被汽油和柴油发动机所取代。
顿钻钻机（也称搅拌斗钻机）通过将一连串重型工具在一个孔中反复升降以钻孔。通过喷射梁的垂直运动赋予提升和降落所需的往复运动（图2.1）。将松散的材料或岩屑与水混合，并通过杓子或砂泵定期从孔中取出。
捞砂筒是底部有一个止回阀的管道的一部分。当捞砂器降至底部时，岩屑打开阀门。当捞砂器升起时，阀门会自动关闭。砂泵是一种装有抽吸管和柱塞的捞砂筒。柱塞产生一段真空，将在底部打开止回阀，并将沙子和岩屑吸进捞砂筒。
用于顿钻钻井的钻柱由五个部件组成：钻头，钻杆，钻缸，旋转插座和电缆（图2.2）。钻头（凿）粉碎岩石并混合岩屑。钻杆是管道的重的部分，其增加了钻柱的重量并引导钻头进入孔中。钻缸由两根连接在一起的钢筋组成。自由滑动的钻缸用于在上升时松动卡住的钻头。
旋转插座将钻孔工具连接到电缆，并将电缆的旋转传递到钻柱，以便钻头在每次下降时压碎新的岩石。电缆通过在每次上行时扭转旋转插座来承载和旋转钻具。
虽然顿钻钻井是一种缓慢的方法，比不上现代钻机，但它在某些应用和地理位置的使用上仍受欢迎。顿钻钻机是简单的机械机器，可在几乎任何的车间修理。 初期投资成本低，大多数备件可以在当地生产。因为在钻井过程中套管被固定，顿钻钻机在冲积岩层中钻孔时也具有优势。外壳稳定孔壁，并且防止巨石落在钻头上。
图2.1 图2.2
2.2旋转钻井
旋转钻井是在沉重的压力下旋转钻头破碎或切割岩石的方法。这种方法是为了提高大多数地层的钻井速度和深度而开发的。在底部具有附接钻头的钻柱由旋转台或液压顶部头旋转。钻柱的重量为钻头提供所需的进给力。在顶部驱动钻机中，重量也可以通过孔顶部的液压进给系统施加。当钻头穿透孔时，钻井液被迫下降到将钻屑从孔中冲出的位置。
根据钻井液和迫使钻井液下降到钻头的通道，钻井可分为以下主要类型：空气钻井，反向空气钻井，空气锤钻井（DTH），直接泥浆循环钻井和反向泥浆循环钻井。
2.2.1空气钻井
空气钻井是使用空气，空气、水或空气、水、发泡剂混合物作为孔清洗液的旋转钻井方法。空气钻井具有通过增加渗透率，更长钻头寿命和减少井下开发（清洁）时间来降低钻井成本的优点。用于孔清洁的空气由位于钻机或便携式单元上的压缩机产生。将空气沿着钻管向下引导，在那里它可以清洁钻头的表面，并通过钻管和孔壁之间的环隙将岩屑从孔中冲出。
空气钻井的压力要求取决于孔中的水头，但通常为100-150psi（7-10.5 bar）。孔清洁所需的空气量取决于孔和钻杆直径，由以下公式计算：
其中，BV——渗透速度，英尺/每分钟；
CFM——压缩机输出量，立方英尺/每分钟；
D——钻孔直径，英尺；
d——钻杆直径，英尺。
在正常的钻井条件下，井下钻井速度应为3000 - 7000 fpm（16 - 35 m / s）。 打击速度也可以从图2.3确定。
图2.3
上面的公式表明，可用的压缩机限制了最大孔尺寸。 打桩速度也可以通过钻杆进行调节，但是管径较大的钻杆重量下降，从而限制了最大钻孔深度。通过向冲洗空气中加入少量水来增强孔清洁度。水还可以抑制孔中的灰尘，使整个钻井过程更环保。
还可以通过向空气、水雾中加入发泡剂来提高空气提升能力。空气、水、泡沫的方法携带较大的岩屑，因而提高渗透速度不足的较大孔的渗透率以适当清洁钻孔。如果使用泡沫，孔环中的渗透速度可以低至150fpm（0.76m / s）。
水井应用中的空气钻井并不是特别常见的，因为它仅限用于半固化或固结材料，并且比不上中等硬或硬地层的空气锤钻井（DTH）。
典型的空气钻机配备有桅杆，夹持、进给系统，旋转单元，空气压缩机，原动机（可能是卡车发动机或单独的甲板发动机），液压系统或机械驱动系统和卡车（图2.4）。
图2.4
需要使用夹持、进给系统来上下移动钻柱，并在钻孔过程中固定它。在深孔中，钻柱的重量对于钻头而言可能太重，而且必须通过夹持系统减小。顶部驱动机器中的夹持、进给系统由液压缸和链条或电缆操作。旋转台式钻机使用绞车承载钻杆载荷，这意味着钻柱重量以外的进给力不能施加。
旋转单元可以由液压顶部驱动器台驱动器组成，其通常是机械系统。 顶部驱动器从顶部旋转钻柱。工作台驱动器位于钻机平台上（图2.5）。 台面驱动需要一个特殊的钻钢接头（也称为凯利）来旋转钻杆。 凯利是旋转后的钻钢的第一部分，并且每次添加钻杆时都必须拆下。 凯利的横截面通常是方形的，但也可以是六边形或圆形的纵向凹槽。
图2.5
通常，空气钻机中的原动机是一种甲板安装的柴油发动机，通过液压或机械驱动系统为所有钻孔功能提供动力。可能需要单独的便携式空气压缩机的泥浆钻机和小型空气钻机通常会从卡车发动机上运行。
旋转钻机中的钻柱由几个部件组成，每个部件具有自己的重要功能：顶部接头，钻杆，交叉子，钻铤，稳定器，钻头接头和钻头（图2.6）。
图2.6
顶部接头是顶部头部或旋转件与钻杆之间的适配器（螺纹可能会有变化）。钻杆将旋转扭矩和钻井液传送到钻头。钻铤增加了钻柱底部的重量，并保持钻孔径直。由于没有任何进给力，钻铤也可以在使用台式机进行钻孔时在孔顶部起到非常重要的作用。交叉子是当钻铤和稳定器的螺纹不相同时需要的适配器。通常安装在钻头附近并具有小于钻头直径的1/4直径的稳定器用于引导钻头，使得钻孔保持直线。钻头接头是稳定器和钻头之间的另一个适配器。
在DTH钻孔中，锤子位于底部的钻头旁边;通常不使用稳定器和钻铤。反循环钻孔是另一种类型的空气钻井，并在下一节进一步说明。
2.2.2（DTH）空气锤钻井
DTH钻孔实际上是一种打击方法，但是因其通常使用旋转式钻井平台而将其分类为旋转钻井方法。
附着在钻柱下端的气锤和钻头以高频撞击孔底部的岩石。在钻杆上向下的高压空气操作着DTH锤，并且清洁着钻头的表面，使其始终作用于干净的表面。钻柱，锤头和钻头通过顶部头缓慢旋转。钻机的给进系统牢牢地将钻头保持在岩石上。由于DTH钻井是一种打击方式，因此既不需要高扭矩也不需要钻头压。
今天，DTH锤的最佳工作压力是350 psi（24.6 bar），这就需要设置空压机。必要的风量不仅取决于孔的尺寸，还取决于DTH锤的尺寸。锤子越大，保持350 psi（24.6 bar）工作压力所需的空气越多（图2.7）。DTH锤的穿透速度与操作压力成正比。
图2.7
用于水井钻井的DTH锤最常见的尺寸为6”和8”，但在下端的尺寸如4”和5”并不罕见。 在水井钻井中也使用10”，12”，15”甚至18”锤，但操作人员必须妥协于350 psi（24.6 bar）的工作压力。 独立的钻井平台没有足够大的压缩机来维持大锤的最佳压力，并且在大多数情况下，因为高运行成本，额外的便携式压缩机与空气系统的连接是不可行的。
在钻井应用中，DTH锤在硬层中具有最快的穿透速度。即使锤子操作在低于最佳压力水平，穿透速度也比在空气或泥浆旋转钻井中快。
2.2.3直接泥浆循环钻井
在直接旋转泥浆方法中，钻井过程类似于空气钻井，除了冲洗液是水或水、膨润土粘土混合物（也称为钻井泥浆）。空气压缩机由泥浆泵代替，泥浆泵通过旋转钻杆将泥浆泵送到钻孔底部。液体带起岩屑，然后向上流过钻杆和孔壁之间的空间到达地面。表面上，泥浆流到沉降坑。在那里岩屑落到底部。从那里，清洁的表面泥浆通过沟渠流到泥浆泵的吸力所在的另一个坑（图2.8）。
图2.8
当选择合适的泥浆泵时，必须考虑两个因素：用于产生必要的渗透速度的泥浆体积和用于补偿钻柱和地面设备中的压力损失的压力。以下公式用于计算所需的泥浆泵体积容量：
其中，BV——渗透速度，英尺/每分钟；
D——钻孔直径，英尺；
d——钻杆直径，英尺；
GPM——泥浆泵排量，加仑/每分钟。
推荐的渗透速度为80-150fpm（0.41-0.76m / s）。较低的速度导致较慢的钻孔速度。 这个事实在水井钻井中经常被接受。在中等或大直径井中产生80fpm或更大的渗透速度所需的泥浆泵太大而重，以致于其不能安装在卡车上。
泥浆泵的压力需求取决于孔尺寸，钻杆尺寸，孔深度，泥浆泵位移和表面设备的类型（换句话说，第一钻杆和泥浆泵之间的一切）。详细的压力损失计算相当复杂，通常只能使用钻井手册中所示的表格和图表来估计损失。
钻井泥浆在钻井过程中具有以下主要功能：
① 钻头冷却润滑
② 从孔中取出岩屑
③ 孔壁支护与防塌
④ 密封孔壁减少流体损失
⑤ 井喷预防（石油和天然气勘探）
合适的泥浆性能对于成功的钻井过程至关重要，因此，每个井必须单独设计。 主要泥浆钻井性能包括密度（比重），粘度和过滤。泥浆密度影响静水压力，泵送压力，岩屑的上升能力以及孔壁的稳定性。过大的密度可能会因强迫固体材料进入地层而损坏含水层。同样地，密度不足也可能导致墙壁塌陷。
泥浆粘度影响泵送压力，岩屑的上升能力和泥坑中岩屑的沉降时间。泥浆粘度应足够低，以便在沉降钻头中快速切割，但也要足够高以确保适当的钻孔清洁。
过滤性能包括泥浆在孔壁上形成薄的低渗透滤饼的能力。 围墙防止含有固体含量的钻井液进入含水层并堵塞含水层。 厚的滤饼可以限制工具的通过。
直接循环泥浆钻井方法可用于几乎任何形式或钻孔深度。然而，由于环境原因，有些地方禁止使用膨润土。另外，如果地层有许多空洞和裂缝，由于循环损失的风险，不能使用泥钻。
2.2.4反向泥浆循环钻井
为以克服直接泥浆钻井中的孔尺寸限制，开发了反向循环法。 如名称所示，直接和反向泥浆循环之间的差异是钻杆内部流体流动的方向（图2.9）。液体和岩屑凭借泥浆泵穿过钻杆泵被吸至表面，然后排出到沉降槽。由于重力拉力，坑液流回到钻孔并向下流到钻杆与孔壁之间的钻头。钻井液通常由水或很轻的泥浆组成。
图2.9
反向循环系统主要用于未固结岩石的大直径井（图2.10）。而直接循环中的孔尺寸受到泥浆泵容量的限制，在反向循环中，即使是中型泥浆泵，由于钻杆的内径相对较小，所以可以产生足够的渗透速度，从而使岩屑上升。
图2.10
泥浆泵通常是离心式，可以处理切屑而不会过度磨损。反循环钻机总是旋转台式，因为它们具有更多的旋转扭矩并且可以操控较大的钻杆直径。
反循环钻井的另一种形式是气动钻井，适用于顶头驱动机（图2.11）。
图2.11
该系统由安装在顶部驱动器下方的侧排出旋转体和配有内置空气通道的特殊钻杆组成。使用压缩空气代替离心式泥浆泵来循环钻井液。通过管道空气通道注入的空气进入管道，并产生流体，使流体和岩屑流到表面，并通过排放转台进入沉淀池。
3.钻井过程
3.1钻井准备
一旦确定了井的位置，就准备开展钻井项目。 该地点是根据地质，水文或仅仅是功能原因选择的。
准备工作包括：
① 打开通往工地的通道；
② 钻井工具及配件运输
（钻杆、钻头、锤、套管、筛、膨润土、发泡剂等）；
③ 若无可用水，前往工地的水的运输；
④泥浆坑沟开挖（泥浆钻进）；
⑤钻机设置（找平，提高桅杆，建设起始钻柱等）。
3.2钻井
根据地层的形成和目的，
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