張建良
(北京市地質(zhì)工程勘察院,北京100048)
·地質(zhì)與礦業(yè)工程·
CMT管監(jiān)測(cè)井在北京地區(qū)的應(yīng)用
張建良*
(北京市地質(zhì)工程勘察院,北京100048)
CMT管監(jiān)測(cè)井從國(guó)外引入,但國(guó)外的地層與國(guó)內(nèi)不同,因此沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒,通過認(rèn)真分析,制定了4套技術(shù)方案,最終將CMT管監(jiān)測(cè)井試驗(yàn)成功,解決了孔壁坍塌和洗井難的問題,為今后CMT管監(jiān)測(cè)井在國(guó)內(nèi)的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。
CMT管;孔壁坍塌;洗井
隨著地下水污染的日益嚴(yán)重,現(xiàn)在急需了解不同的含水層的水文地質(zhì)條件,包括水質(zhì)、水位、水量等。以往的慣例施工多眼監(jiān)測(cè)井,不同的深度,分別對(duì)應(yīng)不同的含水層,這樣就能監(jiān)測(cè)不同含水層的水文地質(zhì)情況,這種做法施工工藝簡(jiǎn)單、風(fēng)險(xiǎn)小、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,缺點(diǎn)是造價(jià)高、占用的地方大,如果在城市,許多地方?jīng)]有施工場(chǎng)地,并且寸土寸金,占地補(bǔ)償也相當(dāng)高,為此現(xiàn)在開始推廣“一孔多管”的施工工藝,即將施工口徑加大,同一個(gè)孔可以下入3個(gè)不同深度的井管,分別對(duì)應(yīng)不同的含水層,這樣在同一井內(nèi),可以達(dá)到監(jiān)測(cè)3個(gè)含水層的目的,減少了占地面積,減低了成本。國(guó)外一些地方開始推廣使用CMT管監(jiān)測(cè)井,一個(gè)孔內(nèi)只下一根CMT管,就可以監(jiān)測(cè)7個(gè)含水層的情況,這樣占地面積更少,可同時(shí)檢測(cè)7個(gè)含水層的地下水情況,這將是今后監(jiān)測(cè)井的發(fā)展方向。
CMT是Continuous Multichannel Tubing的英文首字母縮寫,翻譯成中文是連續(xù)多通道管,它最早從加拿大引進(jìn),它的外形很像一個(gè)蓮藕,中間有一個(gè)通道,四周有環(huán)繞的6個(gè)通道,各通道直接互不相連,一根CMT管可以監(jiān)測(cè)7個(gè)不同含水層的水文地質(zhì)情況。
CMT管監(jiān)測(cè)井在北京還沒有施工的先例,因此沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,我們想通過實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步推廣和使用CMT管監(jiān)測(cè)井。
我們計(jì)劃施工7眼CMT管監(jiān)測(cè)井,施工的地點(diǎn)選擇北京通州區(qū)張家灣。具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
圖1 CMT監(jiān)測(cè)井設(shè)計(jì)方案
CMT管監(jiān)測(cè)井共施工7眼,分成3排,第一排1眼,第二、三排都是3眼,井位之間的橫向和豎向間距都為1m,每眼井的設(shè)計(jì)深度為35m,下入的CMT管外徑為2英寸,即50mm。在CMT管監(jiān)測(cè)井的左右1m處分別施工注水井和抽水井各1眼。其中注水井和抽水井采用PVC管,外徑4英寸,即100mm,全孔濾水管。
施工完成后,通過注水井向井內(nèi)注入試驗(yàn)用水,然后在抽水井中下入水泵進(jìn)行抽水,在這同時(shí)要檢測(cè)7眼CMT監(jiān)測(cè)井的不同含水層的水文地質(zhì)情況,進(jìn)行科學(xué)研究地層情況。
在討論技術(shù)方案時(shí),必須解決2個(gè)問題,一是孔壁坍塌問題,二是洗井問題,這2個(gè)都很關(guān)鍵,其中有一個(gè)出問題,就會(huì)前功盡棄。
3.1 孔壁坍塌問題
監(jiān)測(cè)井施工完成后,要立刻下入CMT管,由于CMT管分7層監(jiān)測(cè),每5m監(jiān)測(cè)一個(gè)地層,因此需要分段填入礫料,每層礫料之間用粘土球止水。填礫和粘土球止水的位置很重要,要求不能有任何差錯(cuò),因此在填礫和填粘土球過程中,需要邊填邊測(cè)量,即使一小段,也要測(cè)幾次,才能保證位置準(zhǔn)確無誤,因此時(shí)間就比較長(zhǎng),因此裸眼長(zhǎng)時(shí)間放置可能造成孔壁坍塌,從而造成該井報(bào)廢。因此在施工方案選擇上,必須考慮如何防止孔壁坍塌的問題。
3.2 洗井問題
如果采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn),泥漿可以保證井壁不坍塌,泥漿會(huì)堵塞含水層,CMT管的內(nèi)徑很小,不能采用常規(guī)的洗井工藝,因此洗井是個(gè)大問題。按照國(guó)外的施工要求,所說的洗井不是安裝CMT井管之后的洗井,因?yàn)镃MT井管的篩孔很小,根本不足以執(zhí)行“洗井”操作。所謂的洗井指的是CMT安裝之前對(duì)裸孔或有篩管護(hù)壁的鉆孔進(jìn)行抽水的過程。這個(gè)過程非常重要,因?yàn)槿绻辉诖穗A段將反循環(huán)鉆進(jìn)中形成的泥皮洗凈或基本洗凈的話,CMT系統(tǒng)將會(huì)很快堵塞,很難成功。
如果監(jiān)測(cè)井施工完成后,先洗井后下入CMT管,會(huì)造成井壁坍塌問題;如果不洗井,直接下CMT管,又會(huì)造成洗井不徹底,這是很矛盾的,因此洗井步驟是關(guān)系到CMT安裝成敗的關(guān)鍵步驟。
3.3 鉆機(jī)選擇
在國(guó)外施工CMT監(jiān)測(cè)井時(shí),一般采用聲波地質(zhì)鉆機(jī),價(jià)格比較昂貴,國(guó)內(nèi)一般單位沒有這種鉆機(jī),因此我們這次施工時(shí),盡可能采用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鉆探設(shè)備。
3.4 施工技術(shù)方案
我們共制定了4套技術(shù)方案,邀請(qǐng)了一些專家進(jìn)行了反復(fù)技術(shù)論證,最后確定切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案。
方案一:使用?250mm的鉆頭,下入?150mm的篩管,在管外按照設(shè)計(jì)要求,分層填礫止水,洗井至水清砂凈,然后在PVC管內(nèi)下入?50mm的CMT管,再分層填礫止水。按照這個(gè)方案,篩管外和CMT管外將分別有50mm左右的空間進(jìn)行止水操作。
方案二:在打井時(shí)下一根直徑接近孔徑的篩管,這樣周圍的地質(zhì)體塌孔后可自然附著在篩管外壁,這樣的情況下篩管外壁不需要填料,垂向上基本可以保持原有的水力特性,同時(shí)也可以順利洗井。
方案三:采用勘察鉆機(jī),施工口徑?108mm,用?127mm跟管鉆進(jìn),下入保護(hù)套管,在保護(hù)管內(nèi)下入50mm的CMT管,填入一定深度的礫料和粘土球后,拔出保護(hù)套管,邊填邊拔管,全部套管拔出后即可完井。
方案四:采用泵吸反循環(huán)施工工藝,成井后立刻下入CMT管,分層填礫止水,由于是反循環(huán)施工,不存在泥漿堵塞含水層的情況,洗井比較容易。
經(jīng)過綜合考慮,得出以下結(jié)論:方案一存在的問題:按照國(guó)家規(guī)范要求,鉆孔直徑比濾水管直徑至少要大150~200mm,主要是考慮礫料厚度,如果礫料厚度太薄,起不到隔砂效果,孔內(nèi)會(huì)進(jìn)沙子,用不了多久,進(jìn)入井內(nèi)的沉沙會(huì)堵塞濾水管,造成不出水現(xiàn)象,另外一個(gè)原因先洗井會(huì)擾動(dòng)地層。方案二存在的問題:垂向上沒有止水,可能造成上下含水層之間的流通,影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。決定首先采用方案三,如果方案三在施工過程中出現(xiàn)問題,那就采用方案四。
4.1 方案三的施工工藝
2011年5月12日,設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工,采用的是SH-30型鉆機(jī),張家灣的地層以砂層、粉細(xì)砂為主,采用?108mm鉆頭,跟管采用?127mm的套管,施工井深為36m,下入?50mm的CMT管,然后填入礫料和粘土球。由于?127mm的壁厚為5.5mm,內(nèi)徑為116mm,和50mm的CMT管之間的環(huán)狀間隙只有33mm,已經(jīng)很小了,因此礫料采用2~4mm的小礫料,粘土球采用特制的直徑為?10mm、長(zhǎng)度為20mm的顆粒粘土球。
考慮到洗井問題,將入井的礫料全部經(jīng)過水洗干凈后才投入井內(nèi),這樣就去除礫料內(nèi)的細(xì)砂,保證進(jìn)入監(jiān)測(cè)井內(nèi)的水中含砂量更低,縮短洗井時(shí)間。
當(dāng)粘土球填至23m處,由于環(huán)狀間隙太小,造成粘土球蓬住,經(jīng)反復(fù)敲打、沖水,處理無效,只好停止處理。準(zhǔn)備上提CMT管時(shí),發(fā)現(xiàn)已經(jīng)提不動(dòng),用鋼絲繩用力拉,將CMT管拉斷,造成該井報(bào)廢,損失了35米CMT管。通過這次試驗(yàn),證明采用勘察鉆機(jī)施工的方案三有缺陷,行不通,只能采用方案四,即采用泵吸反循環(huán)施工工藝。
4.2 方案四的泵吸反循環(huán)施工工藝
由于該孔比較淺,采用泵吸反循環(huán)工藝沒有問題,但是泵吸反循環(huán)存在超徑系數(shù)大問題,需要解決的問題:一是將反循環(huán)鉆頭改小,由于受反循環(huán)鉆桿限制,最小只能到?300mm。二是在施工過程采用跳躍式、間隔式施工,即施工完2#施工4#。三是為了更加穩(wěn)妥,將原設(shè)計(jì)方案中的每眼監(jiān)測(cè)井間隔由1m改成2m,這樣保險(xiǎn)系數(shù)更大,經(jīng)和設(shè)計(jì)人員商量,最終更改了每眼井的橫向和豎向間距,全部由1m改成了2m。四是如何防止孔坍塌問題,由于泵吸反循環(huán)采用清水施工,地層又是砂層和粉細(xì)砂,極易塌孔。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備了足夠的水源,保證施工過程中,孔內(nèi)的液面始終是滿的,平衡了地層壓力,保證了孔壁不坍塌。施工鉆機(jī)采用反循環(huán)-100型鉆機(jī)。
施工過程中很順利,由于各細(xì)節(jié)考慮周到,沒有發(fā)生孔坍塌問題,在填礫料和粘土球過程中,緩慢從四周均勻填入,也沒有發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
洗井分2步,一是采用空壓機(jī)洗井,將孔內(nèi)的粉細(xì)砂吹凈;二是采用水泵進(jìn)行抽水,達(dá)到水清砂凈的效果。
由于CMT管外徑為50mm,分7個(gè)孔,每個(gè)孔的直徑不超過15mm,不能使用大型空壓機(jī),只能采用小型設(shè)備,我們采用DB-1/30型空氣壓縮機(jī)來洗井,風(fēng)量1.0m3/min,風(fēng)壓為3.0MPa,用?10mm的塑料軟管分別插入7個(gè)孔內(nèi)進(jìn)行單獨(dú)洗井,將孔內(nèi)的細(xì)砂吹出。塑料軟管必須是整根的,中間不能有接口,防止在起拔過程中,塑料軟管從接頭處打開,影響該孔的今后使用,例如下測(cè)線、取水樣等。由于塑料軟管比較輕,因此在剛開始送風(fēng)時(shí),用手柄控制壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量,不能太大,以免將洗井軟管吹出,在洗井過程中逐漸增加風(fēng)量,根據(jù)實(shí)際具體情況,隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。
考慮到CMT管有7個(gè)孔,一個(gè)個(gè)的洗,比較耽誤時(shí)間,因此將空壓機(jī)的出風(fēng)口接了個(gè)三通,連接了3根塑料軟管,這樣一次就可以洗3個(gè)孔了,節(jié)約了時(shí)間。另外在洗井過程中,將不洗的孔蓋好,防止上來的臟水進(jìn)入其他孔內(nèi),造成二次污染,增加不必要的工作量。
在洗井過程中,出現(xiàn)了新問題,發(fā)現(xiàn)有的孔含泥沙比較多,壓風(fēng)機(jī)洗井吹不上來,后來采用水沖反洗法,也就是在地面用高壓水通過塑料軟管,往井內(nèi)注水,使孔內(nèi)的泥沙隨高壓水注入地層,然后再改用空壓機(jī)洗井,效果相當(dāng)不錯(cuò)。
每個(gè)孔洗完后,在地面安裝小型自吸泵,將?50mm的CMT管的7個(gè)通道,每個(gè)都分別和自吸泵的吸水口進(jìn)行連接,這樣就保證7個(gè)孔都進(jìn)行了水泵洗井,最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求,水清砂凈。
通過對(duì)北京通州張家灣CMT監(jiān)測(cè)井的成功施工,為CMT管的推廣積累了經(jīng)驗(yàn),奠定了基礎(chǔ),但是張家灣地區(qū)水位一般在5m左右,比較淺,地層以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主,施工比較容易,如果在其他地區(qū),水位較深,地層復(fù)雜,施工難度大,那么施工CMT監(jiān)測(cè)井還需要進(jìn)一步研究。
[1] 張建良.通州張家灣監(jiān)測(cè)井成井報(bào)告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院,2011.
圖1 青杠坪段zk22-4破碎帶巖芯照片
(1)對(duì)于孔壁穩(wěn)定性問題,應(yīng)根據(jù)鉆遇地層孔壁失穩(wěn)的機(jī)理制定相應(yīng)的技術(shù)措施才能達(dá)到穩(wěn)定孔壁的目的。針對(duì)硬脆碎地層孔壁不穩(wěn)定,應(yīng)降低失水量減小孔隙壓力,增加泥漿的封堵性能和孔壁巖體的膠結(jié)能力。
(2)從攀西火山巖的特點(diǎn)出發(fā),分析了其在斷層破碎帶地層的不穩(wěn)定因素,從降低泥漿濾失量、增加泥漿封堵能力和增加泥漿的膠結(jié)能力三方面出發(fā),解決了硬脆碎地層由于液體的進(jìn)入造成孔隙壓力上升效應(yīng)力下降、減小了液體進(jìn)入不穩(wěn)定孔段,增大了破碎孔壁巖體之間的膠結(jié)力,從而達(dá)到了穩(wěn)定孔壁的目的,對(duì)類似的地層孔壁穩(wěn)定提供了借鑒意義。
參考文獻(xiàn):
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TE271
B
1004-5716(2015)02-0081-03
2014-03-14
2014-03-17
張建良(1971-),男(漢族),河北高邑人,高級(jí)工程師,現(xiàn)從事水文水井、地?zé)峋@探新工藝、新技術(shù)研發(fā)工作。