趙宗昌，鄒海江，李鵬飛

(陜西省煤層氣公司天宇地質(zhì)研究院，陜西 西安 710065)

一孔多層抽水試驗分層止水技術(shù)及應用

趙宗昌，鄒海江，李鵬飛

(陜西省煤層氣公司天宇地質(zhì)研究院，陜西 西安 710065)

[摘要]在煤炭資源的勘探和采掘過程中，必須查明對煤層開采有充水意義的含水層(體)的分布特征及富水性，因此，對各充水含水層進行分層抽水試驗具有十分重要的意義。以白水煤礦檢4井筒檢查孔抽水實驗為例，采用改進的分層抽水試驗技術(shù)，獲取不同含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)情況，旨在一個水文地質(zhì)鉆孔中了解不同深度含水層組的水文地質(zhì)特征，以達到減少施工鉆孔、縮短施工工期、節(jié)約施工費用的目的。

[關(guān)鍵詞]分層抽水；水文地質(zhì)；白水煤礦；分層止水

分層抽水是水文地質(zhì)工作中經(jīng)常使用的技術(shù)手段，特別是不同的含水層其水位、水質(zhì)以及各種水文地質(zhì)參數(shù)均不相同，而目前沒有很好的方法或裝置能夠簡易快速地對同一井孔內(nèi)上下層位的含水層進行水文地質(zhì)試驗。白水煤礦位于陜西省白水縣(蒲白礦區(qū)中東部)，經(jīng)幾十年的生產(chǎn)，加之小煤窯開采破壞，目前已面臨煤炭資源枯竭。為了增強礦區(qū)生產(chǎn)保障能力，通過對白水煤礦檢查孔施工，為礦井建設(shè)提供可靠的地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料。分層抽水施工是檢查孔施工中一個重要的內(nèi)容。本次采用一孔多層抽水試驗分層止水技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)包括變更抽水順序，改變止水工藝，使用新型止水材料等，經(jīng)過多次驗證及此次井筒檢查孔的抽水試驗的成功經(jīng)驗，證明了這種方法的可行性、先進性。

1抽水試驗中存在的問題

按常規(guī)方法，分層抽水只能由上到下順序進行，施工工序如下：(1)首先小徑揭露到最上一層含水層底板停止；(2)進行常規(guī)測井；(3)擴孔；(4)下套管護壁(保護黃土層及基巖強風化帶段孔壁)；(5)洗孔并對試驗段進行抽水；(6)水文測井。第一含水層組抽水試驗結(jié)束后小徑繼續(xù)鉆進至第二含水層組底板停止，進行如下施工工序，完成對第二含水層組的抽水試驗：(1)小徑揭露到含水層底板停止；(2)進行常規(guī)測井；(3)擴孔；(4)下止水管對試驗段以上含水層隔離止水；(5)檢查止水效果；(6)止水合格后洗孔并對試驗段進行抽水；(7)水文測井；(8)起拔止水套管。第二含水層組抽水試驗結(jié)束后小徑繼續(xù)鉆進至終孔，重復上述8項工作，完成對第三含水層組的抽水試驗。

目前抽水試驗存在的問題：

(1)止水難度大、效果較差；(2)施工工序復雜，測井次數(shù)多，工期長；(3)當止水位置較深時，由于止水管和孔壁間隙小，如有掉塊或縮徑現(xiàn)象發(fā)生，止水管將難以拔出，造成孔內(nèi)事故，延長工期，嚴重時可使鉆孔報廢。

2一孔多層抽水試驗分層止水的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

2.1關(guān)鍵技術(shù)

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，在設(shè)備能力有限的情況下，對白水煤礦檢4號井筒檢查孔進行的三次抽水試驗作了以下改進和嘗試：

2.1.1抽水順序變更

第一含水層組為孫家溝組，底深207.93 m，其上、中部呈疏干狀態(tài)，僅下部含水；上覆黃土層和基巖強風化帶下有Φ245 mm套管護壁，因此，抽水試驗時不需要再下止水管；抽水試驗較簡單，不會對其下工序產(chǎn)生不利影響，所以在鉆到第一含水層組底界時停鉆，進行第一次抽水試驗。

第二含水層組為上石盒子組地層，由207.93 m起，至460.19 m止，含裂隙承壓水。抽水試驗前應下止水套管對孫家溝組(第一含水層組)進行隔離止水，一旦止水套管與孔壁間發(fā)生掉塊或縮徑現(xiàn)象，止水套管將難以拔出，輕則造成孔內(nèi)事故，延長施工期，增加施工費用；重則致使后續(xù)施工無法進行，形成廢孔，需移位另打。

針對此種情況，我們采取了變更抽水順序的措施來應對，取得了令人滿意的效果。具體措施如下：

用小徑(Φ133 mm)直接鉆至終孔，常規(guī)測井后擴孔至上石盒子組(第二含水層組)底界，下Φ180 mm套管(外焊止水托盤)對孫家溝組含水層進行隔離止水；由于上石盒子組地層較破碎且泥巖較多，故對第二含水層組下Φ180 mm花管，這樣做既保護了井壁，又能保證在對上石盒子組進行抽水試驗時含水層水能夠順利進入孔內(nèi)，還為下一步工作的順利開展創(chuàng)造了條件。

對下部兩含水層組的抽水試驗采用先下后上的原則。首先對二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組(第三含水層組)進行抽水試驗，利用Φ60 mm鉆桿既做出水管，又兼做止水管(Φ60 mm鉆桿和測管外部焊接一個環(huán)狀可壓縮止水器)對上石盒子組隔離止水，這樣做既節(jié)省了套管、節(jié)約了時間，又克服了孔徑與止水套管間隙小的缺點；由于止水位置以上有Φ180 mm花管護壁，從而確保了止水器、鉆桿及抽水設(shè)備能夠順利從孔中拔出。鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

抽水試驗結(jié)束后，用水泥漿對第三含水層組進行封閉，然后對第二含水層組進行抽水試驗。

2.1.2止水環(huán)狀可壓縮止水器的設(shè)計及應用

在進行第三層組抽水試驗時，利用Φ60 mm鉆桿(出水管)外焊接環(huán)狀可壓縮止水器對其上覆含水層進行隔離止水。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)

圖2　環(huán)狀可壓縮止水器

環(huán)狀可壓縮止水器詳見圖2。環(huán)狀可壓縮止水器長1 000 mm，中間為Φ108 mm巖芯管，上面焊接一個托盤(外徑158 mm)，巖芯管下面有一個可以活動的環(huán)狀鋼管，巖芯管下端做成喇叭狀，確保環(huán)狀鋼管不能脫出；托盤和環(huán)狀鋼管之間，每隔約160 mm用鋼筋彎一個環(huán)行接箍，托盤和接箍及環(huán)狀鋼管之間用彈簧連接，用吸水膨脹橡膠四周纏繞成錐形體，然后用鐵絲加固，周圍涂上黃油。當止水器下入指定位置時，由于變徑處下小上大，致使環(huán)狀鋼管向上擠壓，可以達到壓縮和膨脹的雙重止水效果。

抽水試驗結(jié)束，起拔鉆桿，在止水器與孔壁間摩擦力的作用下，止水器被拉長，直徑縮小，加之周圍涂有黃油，其上部地層又有Φ180 mm花管護壁，所以止水器及抽水設(shè)備能夠安全提出。

抽水試驗結(jié)束，起拔鉆桿，在止水器與孔壁間摩擦力的作用下，止水器被拉長，直徑縮小，加之周圍涂有黃油，其上部地層又有Φ180 mm花管護壁，所以止水器及抽水設(shè)備能夠安全提出。

由于此次施工的為水文孔，在操作過程中，為了確保環(huán)狀可壓縮止水器在孔內(nèi)的順利下入及起拔，對孔斜要求較高，鉆孔偏斜率應小于或等于1.0%。

2.1.3新型遇水膨脹橡膠止水材料的使用

遇水膨脹橡膠作為一種新型的止水橡膠材料,最大優(yōu)點就是具有優(yōu)異的止水堵漏功能，目前已在水利工程、地鐵隧道、地下基礎(chǔ)工程、水壩等建設(shè)領(lǐng)域獲得廣泛的應用。遇水膨脹橡膠既能適應結(jié)構(gòu)變形，起彈性密封作用，又具有吸水膨脹，以水止水的特殊功效。它的工作原理是，當結(jié)構(gòu)變形超過材料的彈性恢復能力時，遇水膨脹橡膠遇水后體積可膨脹1至8倍，從而堵住滲漏的水，達到防水的目的。尤其在堵漏工程方面，它已取代了水泥灌漿、碎玻璃灌漿以及環(huán)氧樹脂堵漏等傳統(tǒng)施工方法。

從總體上講，橡膠是一種疏水性材料，在其分子鏈中除了碳、氫鏈段以外，還含有少量的親水基團。當與水接觸時，水分子通過擴散、毛細管及表面吸附等物理作用進入橡膠體內(nèi)，使橡膠體積迅速膨脹。與此同時，水分子與橡膠體內(nèi)的親水性基團結(jié)合，形成一種親合力。這樣，進入橡膠體內(nèi)的水使親水性基團溶解或膨脹，在橡膠體的內(nèi)外形成滲透壓差。這種壓差對水向橡膠體內(nèi)的滲透還具有促進作用。親水基團持續(xù)不斷地吸收水分，使橡膠發(fā)生膨脹形變。當抗形變力與滲透壓差相當時，便達到了平衡，吸水膨脹作用可保持相對穩(wěn)定。

本次使用的止水材料為衡水興達工程有限公司生產(chǎn)的遇水膨脹橡膠止水帶，是采用高分子無機吸水膨脹材料和橡膠混練而成的一種止水帶產(chǎn)品，也是近年來新開發(fā)的一種新型建筑防水材料，在遇水后能吸水膨脹，最大膨脹率250%～550%倍，確保止水效果可靠。

遇水膨脹橡膠以其緩脹的特點，以水止水的特殊功效，具有優(yōu)異的止水堵漏功能，特別適合在抽水試驗鉆孔中使用，如和可壓縮止水器配合，可起到壓縮與膨脹的雙重止水效果，止水效果可靠，有效的解決了鉆孔中上下含水層之間隔離止水的難題。

2.1.4水位觀測及止水效果檢驗

環(huán)狀可壓縮止水器的使用，造成管內(nèi)外水位難以觀測的問題。為了解決這一難題，我們在抽取第三層水時，將6分測管、水泵電纜與Φ60 mm鉆桿(兼做出水管)一起捆綁，環(huán)狀可壓縮止水器焊接于水泵上方15 m處的鉆桿和測管外部，止水器與鉆桿、測管及水泵電纜接觸處的空隙用止水橡膠填充，并用止水膠粘結(jié)密實，確保不漏水；止水器與鉆桿和測管接觸處焊接結(jié)實。

在井內(nèi)下人止水器后，采用水位壓差法檢驗止水效果：測定止水后井管內(nèi)外的水位，采用抽水的方法造成井管內(nèi)外的水位差，并使其差值達到10 m或抽水試驗時的最大降深值時，穩(wěn)定半小時，若水位波動幅度不超過0.1 m，則止水有效，否則止水失敗，需要檢查止水器，重新止水。

2.2創(chuàng)新點

該方法的創(chuàng)新點是在對上、下兩含水層進行抽水試驗時，首先對上部含水層上覆地層采用止水套管進行隔離止水，然后利用抽水試驗時的出水管外部焊接一個環(huán)狀可壓縮止水器完成對下部含水層以上地層的止水工作，同時又能對下部含水層進行抽水試驗；下部含水層抽水試驗工作結(jié)束后，用水泥漿對下層水進行封堵，最后對上部含水層進行抽水試驗。

3應用效果分析

3.1實施效果

根據(jù)鉆孔實際情況及設(shè)計要求，本孔對二疊系上統(tǒng)孫家溝組(P2s)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2sh)、二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組(P1sh+ P1s)共三個含水巖組進行了抽水試驗，現(xiàn)分述于下：

孫家溝組：作了三個降深的穩(wěn)定流抽水試驗，最大降深19.17 m(大于水柱高度的二分之一)，最小降深6.80 m，降距均大于6 m，抽水總延續(xù)時間49 h，穩(wěn)定時間均大于8 h，水位跳動誤差0.9%，流量誤差最大為2.1%，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達到“合格”標準。

上石盒子組：作了三個降深的穩(wěn)定流抽水試驗，最大降深56.59m，最小降深19.52 m，降距均大于10 m，抽水總延續(xù)時間49 h，穩(wěn)定時間均大于或等于8 h，水位跳動誤差最大為0.7%，流量誤差為0，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達到“優(yōu)質(zhì)”標準。

下石盒子組和山西組：進行了混合抽水試驗，由于單位涌水量小于0.01 L/s·m(0.005 2 L/s·m),故只作了一次降深(93.28 m)，抽水延續(xù)時間37 h，穩(wěn)定時間10 h，水位跳動誤差0.4%，流量誤差為0，符合規(guī)范要求，抽水質(zhì)量達到“合格”標準。

綜上所述，本次共完成抽水試驗3層次，抽水試驗嚴格按照設(shè)計及《煤礦床水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)勘查評價標準》(MT/T1091-2008)的要求執(zhí)行，質(zhì)量均達到合格以上(含合格)標準。

3.2經(jīng)濟效益

(1)按常規(guī)施工方法，每一含水層組抽水試驗時需各進行一次常規(guī)測井和水文測井；采用本次施工方法，除第一含水層組抽水試驗外，第二含水層組、第三含水層組通盤考慮、綜合施工、分層進行，首先用小徑一次成井，第二、第三含水層組的常規(guī)測井和水文測井工作合二為一，節(jié)省常規(guī)測井和水文測井工作各一次。

(2)環(huán)狀可壓縮止水器的研制和使用，使利用出水管(Φ60 mm鉆桿)兼做止水管對試驗段上覆含水層進行隔離止水得以順利實施，節(jié)省Φ180 mm止水套管462.50 m，節(jié)約了費用，縮短了工期。

綜上所述，“新方法”共節(jié)省常規(guī)測井和水文測井各一次，節(jié)約費用約2.3萬元；節(jié)省Φ180 mm止水套管462.50 m，節(jié)約費用7.4萬元，共計9.7萬元，材料費用平均節(jié)約168元/m。該方法簡化了施工程序，縮短了施工時間，節(jié)約了施工費用，同時又完成了抽水試驗任務，是一種既經(jīng)濟又實用的好方法。

4結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

(1)設(shè)計了環(huán)狀可壓縮止水器，改進了以往一孔多次分層抽水試驗的工藝，實現(xiàn)了止水器的重復利用，降低了施工成本；

(2)環(huán)狀可壓縮止水器配合膨脹橡膠止水材料，可有效解決井內(nèi)上下含水層的隔離問題，止水效果良好；

(3)設(shè)計了抽水和水位觀測一體化裝置，將測管、水泵電纜及鉆桿(兼做出水管)有效地捆綁在一起，解決了環(huán)狀可壓縮止水器應用后無法觀測水位的難題；

(4)開展了一孔多層抽水試驗工作，改變了抽水工藝，采用了研制的環(huán)狀可壓縮止水器并配合膨脹橡膠止水材料，提高了一孔多層抽水的效率，降低了能耗節(jié)約了成本。

4.2建議

在實際應用過程中，下部含水層抽水試驗工作結(jié)束后，用水泥漿對下層水進行封堵，水泥漿用鉆具送入指定深度。當水泥漿注入較多時，會進入上部含水層底部，影響上部含水層水在抽水時的順利涌出；當水泥漿注入較少時，對下部含水層不能完全封閉，同樣影響抽水試驗所獲資料的準確性。如何準確而快速地對下部含水層進行封堵，我們目前的做法是利用井徑曲線分段確定孔徑，根據(jù)模擬試驗數(shù)據(jù)確定水泥漿用量，然后用鉆具準確送入預定位置，初凝后再用鉆具探測。由于孔徑變化受多種因素影響，具有各向異性，井徑曲線有一定的局限性，不能詳細反映孔徑在所有方向上的變化情況；鉆孔水溶解有一定的泥漿成分，不能完全清除，水中又有懸浮狀態(tài)的巖粉，因此用模擬試驗數(shù)據(jù)確定的水泥漿用量和實際情況有一定的出入，值得進一步研究。

5結(jié)語

綜合對比分析可知，采用單井進行多含水層分層抽水試驗的方法，較之前的單層抽水試驗技術(shù)和常規(guī)施工方法，有了很大的改進和提高，是非常經(jīng)濟有效可行的方法。既節(jié)約了管材，又節(jié)省了時間，并且減少了資金，達到了抽水試驗的目的。而且這種抽水試驗的方法，也是澄合天宇勘探建井工程有限責任公司歷年來野外抽水試驗過程中，經(jīng)過多次驗證及此次井筒檢查孔的抽水試驗的成功經(jīng)驗，實踐證明了這種方法的可行性、先進性。該一孔多層抽水試驗的方法操作簡單，環(huán)狀可壓縮止水器加工方便，不僅適用于蒲白礦區(qū)，其他地區(qū)亦可進行推廣應用。該方法具有簡單靈活、可操作性強、止水效果可靠、止水管材可以回收利用、低耗高效的特點，適宜推廣。

參考文獻

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[收稿日期]2016-03-14

[作者簡介]趙宗昌(1984-)，男，山西運城人，工程師，主要從事地質(zhì)工程工作。

[中圖分類號]TU991.1

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)03-0128-03