萬 億，韓 柳

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

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基于膠塞法的一孔多層抽水試驗分層止水技術(shù)及應(yīng)用

萬 億，韓 柳

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊 830091)

在開展水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作時，需要查明對地下水開發(fā)和利用有意義的含水層的分布特征及及富水性，因此，對各充水含水層進(jìn)行分層抽水試驗具有十分重要的意義。以新疆伊犁谷地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價項目KT13號勘探孔為研究對象，采用改進(jìn)的膠塞進(jìn)行分層抽水試驗技術(shù)，進(jìn)而獲取不同含水層的水文地質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)情況。通過對膠塞法分層抽水工藝的細(xì)節(jié)改進(jìn)和管外水泥止水的順利實施，該種方法可以在以后分層抽水勘探孔施工中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。

膠塞法；抽水試驗；分層止水；伊犁

伊犁地處新疆維吾爾自治區(qū)西部天山北部的伊犁河谷內(nèi)，2014年6月新疆維吾爾自治區(qū)國土資源廳開展了該地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價工作，主要初步查明該區(qū)域水文地質(zhì)條件，查明區(qū)內(nèi)劣質(zhì)水分布區(qū)段，為解決當(dāng)?shù)厝罕婏嬎踩珕栴}。此外，并結(jié)合供水需求圈定1～3處可供進(jìn)一步勘查的水源地靶區(qū)，評價地下水資源潛力，提出地下水資源優(yōu)化配置建議及可持續(xù)開發(fā)利用方案，為地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、礦產(chǎn)資源開發(fā)和能源化工基地建設(shè)、地下水開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)及政府決策提供科學(xué)依據(jù)。

膠塞法分層抽水具有成本低、耗時短及操作簡單的優(yōu)點，該種方法方法可廣泛應(yīng)用于分層抽水勘探孔的施工。本文以新疆伊犁谷地水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價項目KT13號勘探孔為研究對象，結(jié)合相關(guān)研究成果[1-5]，通過對膠塞法分層抽水工藝的細(xì)節(jié)改進(jìn)和管外水泥止水的順利實施，該種方法可以在以后分層抽水勘探孔施工中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，通過總結(jié)KT13號勘探孔施工過程，并對出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的措施在后續(xù)施工勘探孔KT9、KT12、KT12-1進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果，水泥止水對于管外止水提高了管外止水的質(zhì)量，膠塞法止水工藝在井內(nèi)止水應(yīng)用中提高了管內(nèi)止水的質(zhì)量，通過這兩點從根本上保證了分層抽水勘探孔的順利實施。

1 工程背景

1.1 勘探孔設(shè)計

KT13號勘探孔位于霍城縣惠遠(yuǎn)鎮(zhèn)，設(shè)計孔深300 m，設(shè)計孔徑為上部Φ600 mm，下部Ф450 mm，變徑成孔；井管規(guī)格為上部Φ325 mm，下部Φ273 mm。巖芯勘探在原有設(shè)計井深之上進(jìn)行加深，加深至深度400 m，依據(jù)巖芯編錄及測井曲線確定隔水層(粉質(zhì)粘土)位置為303.51～311.10 m，隔水層上部地層為砂卵礫石地層，下部地層為中細(xì)砂、細(xì)砂層，設(shè)計分層止水位置為295～315 m，厚度20 m。

1.2 設(shè)計參數(shù)的修正

(1)管外止水工藝：止水位置(大于300 m)很深，粘土球從地表無法投入至設(shè)計位置，只能考慮其他材料止水。經(jīng)過項目多人研究決定，加大原有鉆孔直徑，采取管外注水泥漿的方式進(jìn)行永久止水。將原有孔徑600 mm更改至660 mm且一徑到底。注漿采用Ф50 mm鉆桿在井管與鉆孔環(huán)空下入，注漿管底部位置距離設(shè)計止水深度0.5 m位置。

(2)管外測水管的安裝：分層止水后需對勘探孔上下層水位進(jìn)行分層觀測，在成井結(jié)束后需滿足水文長觀的要求，在井管外安裝測水管，測水以彎頭連接的形式與井管相連接，這樣在膠塞法分層抽水試驗結(jié)束后，從抽水設(shè)備及測量方式上來看，密封井管內(nèi)膠塞位置，以利于水位長觀。

2 膠塞的制作

在該項目實施過程中，分層抽水所采用的膠塞共有兩種，具體加工尺寸及加工方法如下：

2.1 1#膠塞加工制作方法

采用已有的成品DN250-200變徑接頭，上部、下部分別焊接厚度不小于5 mm鋼板，鋼板上部預(yù)留電纜孔、焊接接頭孔(將鋼板中部圓心位置開大于121 mm直徑圓孔)、測水管預(yù)留孔，焊接完畢后，在鋼板與變徑接頭旁邊設(shè)置流水孔。將Φ89 mm鉆桿接頭放置在上下鋼板圓心位置后，焊接牢固。同時，將預(yù)留的電纜管穿過預(yù)留電纜孔進(jìn)行焊接，將測水管穿過測水管預(yù)留孔后焊接。如圖1所示。

2.2 2#膠塞加工制作方法

采用已有的成品DN250-200變徑接頭，上部、下部分別焊接厚度不小于5 mm鋼板，鋼板上部預(yù)留焊接接頭孔,將加工好的Φ89 mm鉆桿接手(上部為反絲扣型NC38-LH)穿過接頭孔后，與上下部鋼板焊接牢固，在鋼板與變徑接頭旁邊設(shè)置流水孔。如圖2所示。

圖1 1#膠塞實物圖 圖2 2#膠塞實物圖

3 分層抽水試驗止水效果

3.1 抽取下層水

將預(yù)制好的1#膠塞下部連接至潛水泵，潛水泵電纜緊貼鉆桿固定，膠塞上部連接至Ф89 mm鉆桿，在井內(nèi)緩慢下入鉆桿，將膠塞慢慢送入井內(nèi)。當(dāng)膠塞到達(dá)變徑位置后，放松鉆具依靠鉆具及潛水泵重量將膠塞密封層壓緊以確保管內(nèi)止水效果。啟動潛水泵進(jìn)行試抽水，觀測井管內(nèi)部水位是變化情況。若發(fā)現(xiàn)管內(nèi)水位下降，則膠塞密封性不足，應(yīng)將潛水泵、膠塞隨鉆桿一并提出井外檢查膠塞密封層情況，處理完畢后重新下入，啟動潛水泵試抽水后若井管內(nèi)水位不變，說明井內(nèi)止水合格。可按照地質(zhì)要求進(jìn)行抽水試驗工作，通過管外測水管對勘探孔下層水水位進(jìn)行水位觀測。

3.2 抽取上層水

將預(yù)制好的2#膠塞(上部接手為的89 mm鉆桿反絲公接頭)上部連接至鉆桿正反接頭后與Φ89 mm鉆桿相連接，膠塞下部連接3根Ф89 mm報廢鉆桿(可用其他加重物代替)，將鉆桿連同膠塞在井內(nèi)下放，主要依靠3跟報廢鉆桿自重將密封膠塞的密封層壓緊以確保止水合格。鉆桿將膠塞送入至變徑位置后，將鉆桿正轉(zhuǎn)，鉆桿與底部膠塞在反絲接手位置退開，提出井內(nèi)鉆桿。將2#膠塞留在井管變徑位置，在膠塞上部使用鉆桿連接潛水泵進(jìn)行試驗抽水，抽水后，若管外測水管水位水位發(fā)生，將預(yù)制好的粘土球(填入粘土球數(shù)量可達(dá)到井內(nèi)堆積高度大于1 m)投入井中，上部填入礫料壓實，然后再進(jìn)行試驗抽水觀測外部測水管內(nèi)水位是否變化。若該種辦法仍舊無效果，采用鉆桿下入至膠塞上部距離膠塞0.5 m處，在地表預(yù)制水泥漿后，進(jìn)行注漿，注漿厚度大于5 m，注漿結(jié)束后，候凝時間結(jié)束后，進(jìn)行上層水抽水試驗工作，最終將下層水密封成功。按照地質(zhì)要求進(jìn)行抽水試驗工作，下層水水位通過管外測水管進(jìn)行觀測。

3.3 止水效果檢驗

用“水位壓差法”檢驗止水效果，采用抽水測定上下層測水管內(nèi)的水位差，使其差值達(dá)到10 m或抽水試驗時的最大降深，穩(wěn)定半小時，若水位波動幅度小于0.2 m，則止水有效。

4 分層抽水試驗止水存在問題及注意事項

4.1 存在問題

分層止水存在主要問題為細(xì)顆粒地層按照設(shè)計排管順序下入井管后，變徑位置上部井管無法安裝扶正器。若按照設(shè)計要求進(jìn)行扶正器安裝，止水材料(粘土球)及注漿管從井管與鉆孔環(huán)空均無法順利下入，最終導(dǎo)致該勘探孔無法進(jìn)行分層止水。

扶正器無法安裝是切實存在的無法徹底解決的問題，在勘探孔施工過程總結(jié)相對有效的解決辦法有以下兩點：一是切實保證下入井管的垂直度，在下入時確保井管垂直；二是增大鉆孔孔徑，當(dāng)井管在鉆孔內(nèi)不居中時，采用增加礫料層相對厚度的辦法最終確保成井質(zhì)量。

4.2 施工過程注意事項

4.2.1 設(shè)計孔徑的確定

由于進(jìn)行管外注漿工藝，同時考慮上部地層下入的井管無法安裝扶正器，設(shè)計孔徑與成井管徑差值需大于300 mm，也就是說，礫料單邊填入厚度需大于150 mm。

4.2.2 下管排列順序的確定

由于水泥漿在止水過程中，計算量與實際量相對誤差較大，在井管排列時，若非必須在變徑附近含水層取水，盡量在水泥止水位置上下20 m范圍內(nèi)不設(shè)濾水管。

4.2.3 管外測水管的安裝

將Ф25 mm測水管在井管外部安裝，測水管下部安裝彎頭，彎頭底部與下部井管濾水管上部井壁管進(jìn)行連接，測水管絲扣連接完畢后，將絲扣進(jìn)行焊接密封，井管全部下完后，將測水管管口采用管箍封堵，并進(jìn)行密封，以確保在后續(xù)洗井、沖孔、注漿過程中造成管外測水管堵塞。

4.2.4 止水位置的控制

在填礫過程中，嚴(yán)格控制填礫數(shù)量及填礫深度，若止水位置很深(大于300 m)，使用測繩無法進(jìn)行測量，可采用管外下入鉆具的方法進(jìn)行測量，礫料填入后，拉提桶或拉活塞使礫料密實，同時準(zhǔn)確測量填礫深度。按照理論計算量填入粘土球，要求粘土球厚度大于1 m，填入完畢后準(zhǔn)確測量粘土球深度，禁止超填或填入量不夠就進(jìn)行水泥止水工序工作。

4.2.5 管外水泥止水注漿注意事項

粘土球填入到預(yù)計深度后，在井管與鉆孔環(huán)空下入注漿管，下入注漿管的長度需進(jìn)行準(zhǔn)確測量并記錄，確保注漿管下入位置控制在距離粘土球深度0.5 m位置，注漿前，先用清水嘗試注漿管是否暢通，確保暢通后方可進(jìn)行水泥漿的地面制漿工作，制漿工作結(jié)束后，將注漿管與泥漿泵高壓管相連接，同時打開泥漿泵回水閥門，注漿以低壓低量的方式進(jìn)行，大排量注漿容易造成底部粘土球被沖開，粘土球密封性下降進(jìn)而造成水泥漿順礫料縫隙下流。在注漿過程中，不上提注漿管，注漿結(jié)束后，上提注漿管至井口。

4.2.6 膠塞法井內(nèi)止水注意事項

膠塞加工制作按照尺寸進(jìn)行，膠塞與鉆桿接手連接應(yīng)垂直90度，將膠塞制作好后，在膠塞外部纏繞高壓絕緣膠帶，要求高壓絕緣膠帶纏結(jié)緊密，最小厚度大于50 mm，高壓絕緣膠帶纏結(jié)完畢后，在絕緣膠帶上部纏繞防磨膠帶，防止在下入過程中，井管內(nèi)壁對膠帶層造成破壞。膠塞下入后，下部連接報廢鉆桿或加重物，要求加重物直徑小于井管內(nèi)徑大于50 mm，以確保由于加重物直徑過大進(jìn)而影響膠塞安裝角度，進(jìn)而影響膠塞密封效果。

5 結(jié)語

膠塞法分層抽水具有成本低、耗時短及操作簡單的優(yōu)點，該種方法方法可廣泛應(yīng)用于分層抽水勘探孔的施工，通過總結(jié)KT13號勘探孔施工過程，并對出現(xiàn)的各種問題進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的措施在后續(xù)施工勘探孔KT9、KT12、KT12-1進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果，水泥止水對于管外止水提高了管外止水的質(zhì)量，膠塞法止水工藝在井內(nèi)止水應(yīng)用中提高了管內(nèi)止水的質(zhì)量，通過這兩點從根本上保證了分層抽水勘探孔的順利實施。

通過對膠塞法分層抽水工藝的細(xì)節(jié)改進(jìn)和管外水泥止水的順利實施，該種方法可以在以后分層抽水勘探孔施工中進(jìn)行廣泛應(yīng)用，但該種方法存在的問題也不容忽視，在以后的應(yīng)用過程中，應(yīng)繼續(xù)總結(jié)分層抽水勘探孔施工過程，在此基礎(chǔ)上對施工工藝進(jìn)行再提高，以更加完善的工藝去進(jìn)行分層勘探孔施工工作。

[1]趙宗昌, 鄒海江, 李鵬飛. 一孔多層抽水試驗分層止水技術(shù)及應(yīng)用[J]. 地下水.2016.(3):128-130.

[2]金立元. 多層含水層抽水試驗分層止水方法介紹[J]. 地下水.1984.(4):31-35.

[3]王明明. 多層監(jiān)測井成井工藝與止水材料研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)(北京).2015.

[4]張建良.關(guān)于分層抽水試驗的技術(shù)改進(jìn)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程).2009.36(4):16-19.

[5]張云峰, 孫增兵, 王斌斌,等. 單孔分層抽水法的改進(jìn)及在準(zhǔn)東煤田的應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探.2016.44(3):92-96.

2017-02-12

萬億(1983-)，男，遼寧鐵嶺人，工程師，主要從事水文地質(zhì)勘探及鉆探施工等方面工作。

P641.12

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1004-1184(2017)03-0248-02