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牡丹江大型打井施工方案
一、工程概况
1.1 项目背景
牡丹江位于黑龙江省东南部，属中温带大陆性季风气候，年均降水量550-600mm，地下水主要赋存于第四系松散层孔隙及基岩裂隙中。本工程为大型供水井施工项目，设计井深300米，井径216mm，目标含水层为白垩纪砂砾岩层及中新元古代侵入岩构造裂隙带，预计单井涌水量≥500立方米/天，水质需达到《地下水质量标准》Ⅲ类标准。
1.2 地质条件分析
施工区域位于牡丹江河谷盆地边缘，地形起伏较小，地面高程230-250米。根据区域地质资料，场地地层自上而下依次为：
· 第四系覆盖层（0-25m）：松散砂质黏土与砾石层，厚度变化大，局部含淤泥质夹层
· 白垩系砂岩（25-120m）：中粒砂岩夹泥岩，节理发育中等，渗透性较弱
· 花岗岩（120-300m）：燕山期黑云母花岗岩，风化程度差异大，构造裂隙带发育段为主要富水层
区域内断裂构造主要为NW向压扭性断裂，历史无活动性记录，地下水主要接受大气降水补给，径流方向由西南向东北，水力坡度1.2‰。
1.3 工程目标
· 成井深度：300m（±5m）
· 井身结构：Φ325mm表层套管（0-30m），Φ219mm技术套管（30-150m），Φ146mm滤水管（150-300m）
· 出水量：连续抽水72小时稳定出水量≥500m³/d
· 水质标准：符合生活饮用水卫生标准，总硬度≤450mg/L，铁≤0.3mg/L
· 工程周期：45个有效工作日
二、施工准备
2.1 技术准备
组织地质、水文、钻探专业技术人员进行现场踏勘，编制详细施工组织设计。依据区域水文地质资料，绘制预计地质柱状图，明确各含水层位置及岩性特征。对拟采用的空气潜孔锤技术进行专项论证，制定针对花岗岩硬岩地层的钻进参数优化方案。
2.2 设备配置
设备名称
型号规格
数量
主要参数
钻机
XY-44型液压岩芯钻机
1台
最大扭矩4500N·m，提升能力200kN
空压机
VY-12/7型电动空压机
2台
排气量12m³/min，工作压力0.7MPa
潜孔锤
Φ216mm高风压冲击器
3套
冲击频率800次/min，耗风量10-15m³/min
钻头
硬质合金球齿钻头
10个
直径216mm，齿高12mm
钻杆
Φ89mm双壁钻杆
500m
屈服强度≥800MPa
套管
Φ325/219/146mm
各350m
壁厚8-10mm，材质Q235B
水泵
250QJ80-160/8型深井泵
1台
流量80m³/h，扬程160m
2.3 材料准备
储备优质钻井液材料（膨润土、纯碱、聚丙烯酰胺），滤水管采用桥式过滤器，缠丝间隙1.5mm，填砾规格2-4mm石英砂。按设计要求加工不同规格套管，丝扣连接部位涂抹丝扣油并进行压力试验，确保密封性能。
2.4 场地布置
选择地势平坦、交通便利区域布设施工场地，面积不小于30m×40m。设置钻机作业区、材料堆放区、循环系统区及办公生活区，各区之间用警示带隔离。场地硬化采用200mm厚C20混凝土，设置排水沟及集水坑，配备2台5.5kW污水泵。
三、施工工艺
3.1 钻进工艺选择
针对牡丹江地区复杂地质条件，采用空气潜孔锤跟管钻进工艺，具体分为三个阶段：
3.1.1 表层钻进（0-30m）
采用Φ325mm偏心扩孔钻头，配合低风压潜孔锤（工作压力0.5-0.7MPa），跟入Φ325mm表层套管。钻进参数控制：钻压10-15kN，转速15-20r/min，风量8-10m³/min。套管底部安装止水环，采用水泥浆固井，水泥标号P.O 42.5，水灰比1:1.2。
3.1.2 基岩钻进（30-150m）
更换Φ219mm潜孔锤钻进，跟入技术套管。针对白垩系砂岩地层，采用高风压（1.2-1.5MPa）冲击钻进，冲击频率800-1000次/min，钻压15-20kN，转速18-22r/min。每钻进50m进行孔斜测量，允许偏差≤1°/100m。当钻进至120m花岗岩层时，降低转速至12-15r/min，适当提高钻压至20-25kN。
3.1.3 含水层钻进（150-300m）
下入Φ146mm滤水管，采用Φ216mm球齿钻头裸眼钻进。重点关注180-220m及260-280m两个预测裂隙发育段，通过岩屑录井及孔内声波测试确定富水层位置。钻进过程中保持连续送风，风量≥15m³/min，确保岩屑及时排出。当出现涌水现象（水位上升速度＞5m/h）时，立即停止钻进，进行止水试验。
3.2 成井工艺
3.2.1 井身结构
· 0-30m：Φ325mm表层套管（壁厚10mm）
· 30-150m：Φ219mm技术套管（壁厚8mm）
· 150-300m：Φ146mm滤水管（桥式过滤器，孔隙率≥25%）
3.2.2 洗井工艺
采用“联合洗井法”，分三个阶段进行：
1. 空压机洗井：排量12m³/min，持续24小时，直至返水清澈
2. 活塞洗井：Φ130mm橡胶活塞，上下往复提拉30次/m，冲击疏松含水层
3. 化学洗井：注入10%盐酸溶液（用量5m³），浸泡12小时后用清水置换
洗井完成后进行抽水试验，采用阶梯降深法，降深分别为10m、20m、30m，各稳定8小时，绘制Q-S曲线，计算渗透系数及影响半径。
3.2.3 固井作业
技术套管与井壁间隙采用水泥浆灌注，水泥用量按环形体积1.2倍计算。采用导管法从套管底部反向灌注，灌注压力0.5-0.8MPa，确保水泥浆返至地面。养护72小时后进行声波测井，检查固井质量，不合格段需进行补灌。
四、技术参数控制
4.1 潜孔锤钻进参数优化
地层类型
钻头直径(mm)
工作风压(MPa)
冲击频率(次/min)
钻压(kN)
转速(r/min)
风量(m³/min)
松散覆盖层
325
0.5-0.7
600-700
10-15
15-20
8-10
砂岩地层
219
1.0-1.2
800-900
15-20
18-22
10-12
花岗岩(完整)
216
1.2-1.5
700-800
20-25
12-15
12-15
花岗岩(裂隙发育)
216
1.0-1.2
600-700
15-20
10-12
15-18
4.2 孔内事故预防参数
· 钻杆丝扣扭矩：≥3000N·m
· 提下钻速度：≤0.5m/s
· 孔底沉渣厚度：≤0.3m
· 套管丝扣连接：涂抹专用丝扣油，扭矩≥2500N·m
· 空压机压力波动范围：≤±0.1MPa
4.3 水质控制指标
施工过程中严格控制以下水质指标：
· 浑浊度：洗井后≤10NTU
· 含砂量：≤1/200000
· pH值：6.5-8.5
· 铁、锰含量：分别≤0.3mg/L、0.1mg/L
· 细菌总数：≤100个/mL
五、质量控制措施
5.1 钻进过程质量控制
1. 孔斜控制：每钻进50m采用JDT-6型测斜仪进行孔斜测量，发现偏差及时采用吊打或扶正器调整
2. 岩屑录井：每2m采集岩屑样品，按深度顺序排列，绘制实际地质柱状图
3. 压力监测：实时监测空压机压力、风量变化，当出现异常波动时立即停钻检查
4. 套管质量：套管下入前进行通径、试压试验，试压压力1.0MPa，稳压30分钟无压降
5.2 成井质量验收标准
项目
允许偏差
检验方法
井深
±0.5%
测绳测量
井径
≥设计值95%
井径仪测量
垂直度
≤1°/100m
测斜仪
滤水管位置
±2m
声波测井
出水量
≥设计值90%
抽水试验
水质
符合设计要求
水质分析
5.3 抽水试验要求
1. 稳定流抽水试验：降深3次，每次稳定8小时，水位波动范围≤0.1m
2. 恢复水位观测：抽水结束后，每5、10、15、30、60分钟观测水位，直至恢复至静水位90%
3. 水样采集：抽水稳定后采集水样3组，分别送水质检测站分析
六、安全施工措施
6.1 现场安全管理
1. 设备安全：钻机安装牢固，设置防风缆绳，钻塔高度≥18m，配备防坠器及避雷装置
2. 用电安全：采用TN-S接零保护系统，配电箱安装漏电保护器（动作电流≤30mA），电缆架空高度≥2.5m
3. 防火措施：配备8kg干粉灭火器6个，消防沙2m³，设置禁火标志，氧气瓶与乙炔瓶间距≥5m
4. 高空作业：2m以上作业系安全带，设置临边防护栏杆（高度1.2m），作业平台铺满防滑木板
6.2 专项安全措施
6.2.1 空压机安全操作
· 开机前检查油气分离器压力，保持在0.4-0.6MPa
· 定期排放储气罐积水，每班不少于2次
· 严禁超压运行，安全阀定期校验（每年1次）
6.2.2 孔内事故处理
· 发生卡钻时，先尝试上下活动钻具，严禁强行扭转
· 埋钻处理采用“震击器+反循环”方法，严禁盲目加大拉力
· 配备孔内事故处理工具：公锥、母锥、打捞矛各1套
6.2.3 冬季施工措施
牡丹江地区冬季寒冷，当气温低于-5℃时采取以下措施：
· 空压机加装保温套，润滑油采用-30℃专用机油
· 钻杆采用电伴热保温，防止结冰堵塞
· 施工用水采用防冻液（乙二醇含量≥30%）
· 作业人员配备防寒服、防滑鞋，每2小时轮换休息
6.3 环境保护措施
1. 施工废水经三级沉淀池处理后回用，不外排
2. 岩屑集中堆放，固化后运至指定弃渣场
3. 噪声控制：选用低噪声设备，夜间（22:00-6:00）噪声≤55dB
4. 扬尘防治：材料堆场设置围挡，运输车辆加盖篷布，出场前冲洗轮胎
七、施工进度计划
7.1 进度安排（总工期45天）
1. 施工准备：5天（场地平整、设备安装、材料进场）
2. 表层钻进及固井：7天（含套管下入及水泥养护）
3. 基岩钻进：15天（含技术套管安装）
4. 含水层钻进：10天（含滤水管安装）
5. 洗井及抽水试验：5天
6. 验收及退场：3天
7.2 进度保证措施
1. 采用两班制连续作业，每班8小时，配备2套作业人员
2. 储备易损件（钻头、冲击器、钻杆）各3套，避免停工待料
3. 编制应急预案，遇特殊地层时及时调整钻进参数
4. 每周召开进度协调会，分析影响因素，制定改进措施
八、应急预案
8.1 孔内涌水处理
当钻进过程中出现突然涌水（涌水量＞50m³/h）时：
1. 立即停止钻进，保持钻具在孔内，关闭空压机
2. 计算涌水量，根据水压大小选择止水方法：
o 低压涌水（＜0.5MPa）：下入止水套管，注入水泥浆封堵
o 高压涌水（≥0.5MPa）：采用膨胀止水器+化学注浆（聚氨酯）
8.2 井喷预防措施
1. 安装防喷器（额定工作压力2.5MPa），定期进行密封试验
2. 钻进过程中密切关注孔内水位变化，当出现溢流时立即关井
3. 储备压井液（密度1.2-1.5g/cm³）50m³，必要时进行压井处理
8.3 恶劣天气应对
遇暴雨、大风（风力≥6级）等恶劣天气：
1. 立即停止作业，人员撤离至安全区域
2. 钻杆提至孔口，安装孔口保护盖
3. 设备断电，遮盖防雨布，检查排水系统
4. 待天气好转后，检查设备及孔内情况，确认安全后方可复工
九、工程验收
9.1 验收内容
1. 成井质量：井深、井径、垂直度、滤水管位置
2. 抽水试验：出水量、水位降深、水质指标
3. 资料完整性：施工日志、地质柱状图、测斜记录、水质报告
4. 安全文明施工：无安全事故，场地恢复符合要求
9.2 验收标准
1. 出水量：连续抽水72小时稳定出水量≥500m³/d
2. 水质：符合《地下水质量标准》Ⅲ类标准
3. 井身质量：井斜≤1°/100m，井径偏差≤5%
4. 固井质量：水泥返高至地面，声波测井合格率≥95%
9.3 验收程序
1. 施工单位自检合格后提交验收申请
2. 建设单位组织设计、监理、地质等单位进行联合验收
3. 现场实测各项指标，查阅施工资料
4. 形成验收报告，签署验收意见
5. 验收合格后办理工程移交手续
十、结论与建议
牡丹江大型打井工程采用空气潜孔锤跟管钻进工艺，能够有效应对当地复杂地质条件，提高硬岩钻进效率。施工过程中应重点控制孔斜及含水层钻进参数，加强质量监测与安全管理。建议成井后建立长期水位、水质监测系统，每季度采样分析，确保供水安全。同时，应注意保护地下水资源，合理确定开采量，防止出现区域性水位下降。
针对牡丹江地区冬季寒冷特点，建议在11月至次年3月期间暂停施工，避免低温对设备及施工质量造成影响。若需冬季施工，应采取特殊保温措施，确保井内不结冰，水泥养护温度不低于5℃。
本施工方案通过优化钻进参数、强化安全措施、严格质量控制，可确保工程顺利实施，为牡丹江地区提供稳定可靠的地下水源。