王曉燕，安永會，邵新民，解 偉，張夢南，龔 磊，吳 璽，王文祥

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

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封隔震蕩洗井新技術(shù)在水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用研究

王曉燕，安永會，邵新民，解 偉，張夢南，龔 磊，吳 璽，王文祥

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

封隔震蕩洗井新技術(shù)大大提高了洗井質(zhì)量和效率。針對傳統(tǒng)洗井方法耗時長、效果差，且對大厚度含水層不能徹底洗凈的問題，實踐探索出新的洗井技術(shù)。在闡述洗井原理及工藝基礎(chǔ)上，以HQ8勘探孔洗井及分層抽水試驗應(yīng)用實踐為例進(jìn)行分析。結(jié)果表明：封隔震蕩洗井可實現(xiàn)大厚度含水層洗井徹底，分層抽水試驗?zāi)塬@取無限逼近實際值的水文地質(zhì)參數(shù)。該技術(shù)提高了水文地質(zhì)勘探精度，尤其適用于大厚度含水層地區(qū)。

封隔震蕩洗井；分層抽水試驗；雙封隔器；水文地質(zhì)調(diào)查

在水文地質(zhì)調(diào)查及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作中，水文地質(zhì)試驗是必不可少的技術(shù)手段，抽水試驗數(shù)據(jù)用來評價含水層富水性、確定含水層水文地質(zhì)參數(shù)，為評價地下水資源和合理開發(fā)地下水提供可靠依據(jù)[1]，因此數(shù)據(jù)的真實性顯得尤為重要。除了成井工藝的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和抽水試驗的規(guī)范性流程，洗井質(zhì)量是影響水文地質(zhì)參數(shù)真實性的重要因素之一，因此合適的洗井技術(shù)方法對提高水文地質(zhì)參數(shù)精度具有重要意義。

據(jù)不完全統(tǒng)計現(xiàn)有的洗井方法有上百種，常用的有26種，如松散地層常用的洗井方法有活塞洗井、空壓機(jī)洗井、液態(tài)二氧化碳洗井等[2～3]，不同的洗井方法具有不同的洗井原理和工藝流程，在以往的工作中，傳統(tǒng)的洗井方法尤其是多種方式聯(lián)合洗井，可有效消除鉆進(jìn)、成井對含水層的影響，為后續(xù)抽水試驗獲取可靠水文地質(zhì)參數(shù)提供有力保障[4～7]。隨著水文地質(zhì)調(diào)查精度的提高，對含水層認(rèn)識要求逐步深化，傳統(tǒng)洗井方法難以對每個目標(biāo)含水層(段)均達(dá)到徹底、有效的清洗，特別是對大厚度含水層更不易達(dá)到，從而影響水井出水量、影響獲取水文地質(zhì)參數(shù)的真實性。

本文以黑河流域重點地區(qū)HQ8孔應(yīng)用封隔分段震蕩技術(shù)洗井及分層抽水試驗為例，對比分析水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果，提出封隔震蕩洗井技術(shù)的優(yōu)勢及適用條件。

1 技術(shù)原理

1.1 洗井原理

封隔震蕩洗井的主要作用包括兩方面：一是封閉作用，洗井時將雙封隔器同時打開封堵相應(yīng)長度井段，在泵量不變情況下，通過減小進(jìn)水截面，減少地層中單位時間內(nèi)進(jìn)入井管中的水，從而對含水層中堵塞物的沖刷作用也相應(yīng)增大，同樣，對井壁泥皮的破壞作用也相應(yīng)增大。二是震蕩作用，主要是水錘效應(yīng)。水錘是管道瞬變流動中的一種壓強(qiáng)波，是由于管道中某一截面的流速發(fā)生了改變，從而使該處壓強(qiáng)產(chǎn)生一個突然的躍升或下降[8～9]。震蕩洗井就是利用開泵停泵瞬間在井內(nèi)產(chǎn)生巨大的水錘壓強(qiáng)，反復(fù)沖擊破壞泥皮，以溝通含水層和井壁的連通性，達(dá)到良好的洗井效果[10～11]。

1.2 工藝設(shè)備

設(shè)備組合采用兩個K344型封隔器，以并聯(lián)方式連接，分別由兩條高壓氣管通過地表設(shè)備控制；潛水泵通過泵管連接在兩個封隔器中間，其電纜從上封隔器芯管穿過，組合長度及潛水泵功率根據(jù)含水層富水性及地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度決定；每個被隔開的井段放置相應(yīng)的傳感器。設(shè)備組合示意圖見圖1(a)。

圖1 封隔器組合示意圖和技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Concept sketch of packers and diagram of the technology process

封隔震蕩洗井從上至下逐段進(jìn)行，雙封隔器同時起封，反復(fù)開泵停泵對封隔井段進(jìn)行震蕩洗井，直至水清砂凈后下移封隔器組合開始下一井段的洗井。分層抽水階段封隔器分別起封和解封。分段洗井到分層抽水試驗流程見圖1(b)(以兩層抽水試驗為例)。

K344型封隔器：主要由上接頭、中心管、膠筒座、膠筒、濾網(wǎng)套及下接頭等組成[12]。地面高壓氮氣通過不銹鋼軟管進(jìn)入到擴(kuò)張式膠筒和中心管環(huán)空腔內(nèi)使膠筒擴(kuò)張，實現(xiàn)起封；打開地表的三通控制閥，泄壓即可解封。

傳感器設(shè)備：分層段可視化設(shè)備——地表顯示器可實時顯示地下水壓力、溫度數(shù)據(jù)及歷史曲線，數(shù)據(jù)誤差為滿量程的0.2/1000[13]；無線傳感器——可精確測量與記錄水位/壓力及溫度數(shù)據(jù)；氣壓傳感器——采集試驗過程的大氣壓及溫度[8]。井下傳感器固定在井管上，根據(jù)動水位及設(shè)備量程確定安放位置，固定時需進(jìn)行防震蕩和防磕碰保護(hù)，在試驗段放置備份探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。

超聲波流量計：可實時顯示和記錄流量。

洗井前需詳細(xì)了解勘探孔相關(guān)資料，針對不同情況制定洗井及抽水試驗設(shè)計[14]。在應(yīng)用中注意工藝設(shè)備使用細(xì)節(jié)，避免試驗失敗，重新提下泵，耗時且增加勞動強(qiáng)度。

2 實例應(yīng)用

洗井新技術(shù)是項目實施過程中探索并應(yīng)用的。初期，水文地質(zhì)鉆孔洗井方法仍采用傳統(tǒng)的活塞、空壓機(jī)和水泵聯(lián)合洗井，并開展了分層抽水試驗，通過與附近機(jī)民井單位涌水量對比發(fā)現(xiàn)洗井效果不理想，嚴(yán)重影響了含水層富水性評估。自此洗井方法逐漸由單封隔器分層洗井發(fā)展到雙封隔器分段震蕩洗井[9]。其中，HQ8勘探孔在傳統(tǒng)方法洗井后又進(jìn)行了封隔分段震蕩洗井，具有典型對比意義。

2.1 HQ8孔概況

HQ8孔位于甘肅省張掖市甘州區(qū)平原堡，孔深462 m，管徑219 mm。成井試驗段為261～462 m，該段為第四系下更新統(tǒng)承壓含水層。261 m以上10 m處管外采用黏土球止水，為達(dá)到一孔多層抽水試驗效果，在深度355.47～356.47 m采用管外膨脹橡膠托盤止水，分為上下兩層，管內(nèi)采用封隔器封隔進(jìn)行分層抽水試驗。HQ8孔成井結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖2 HQ8成井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram showing the well structure of HQ8

2.2 洗井及分層抽水試驗

HQ8孔重新洗井設(shè)計：上層含水層深度為261～355.47 m，從上至下分為四段進(jìn)行封隔震蕩洗井，封隔器組合長度設(shè)為23.5 m，第一段(261～284.5 m)，第二段(284～307.5 m)，第三段(311～334.5 m)，第四段(334～357.5 m)。

以第一段(261～284.5 m)為例，雙封隔器同時起封后開泵抽水，每隔5 min取一次水樣，觀測含砂量及渾濁度，反復(fù)開泵停泵震蕩三次，每次震蕩水樣含砂量和渾濁度數(shù)據(jù)見表1、圖3。

表1 第一段三次震蕩含砂量和渾濁度

注：平均流量16.11 L/s。

圖3 HQ8孔第一段三次震蕩含砂量、渾濁度變化曲線圖Fig.3 Changes of sand content and turbidity of the upper layer of HQ8 in three times of shocking

由圖4可知第一次開泵初始時刻含砂量和渾濁度極高，但幾分鐘時間內(nèi)迅速下降，20 min水基本變清，第二次開泵初始時刻含砂量和渾濁度明顯減小，分別降低了88.87%和84.56%，10 min水基本變清。第三次開泵5 min水即變清?？梢娫诘谝淮握鹗幭淳畷r即可將絕大部分殘留在井壁及滲入地層中的泥漿帶出地表，達(dá)到了傳統(tǒng)洗井方法不能達(dá)到的效果。

以同樣的方法對HQ8孔上層二三四段進(jìn)行重新洗井。洗井結(jié)束后管內(nèi)采用封隔器止水進(jìn)行上層(261～357 m)抽水試驗，在傳統(tǒng)方式聯(lián)合洗井后下層效果較好，已開展抽水試驗。

2.3 數(shù)據(jù)對比分析

HQ8孔上層在相同流量情況下，重新洗井后降深減小了3.3 m，單位涌水量大大增加，通過抽水試驗數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)k，同傳統(tǒng)洗井方式得到的參數(shù)比較，增大了8.15倍(表2)。

表2 HQ8兩次試驗計算滲透系數(shù)對比

HQ8孔在徹底洗凈基礎(chǔ)上開展了一孔同徑上、下層分層抽水試驗，分別獲取了無限接近含水層真實的富水性、滲透性及水化學(xué)參數(shù)(表3)，同傳統(tǒng)的一孔單層抽水試驗和多孔分層抽水試驗比較，提高了水文地質(zhì)勘探精度，節(jié)約了成本且提高了效率。

表3 HQ8孔上下層水文地質(zhì)參數(shù)表

3 結(jié)論

(1)封隔震蕩洗井新技術(shù)的應(yīng)用，著力解決了黑河流域強(qiáng)富水大厚度含水層地區(qū)水文勘探孔難以徹底洗凈的問題，極大地提高了洗井效率和質(zhì)量。封隔分層抽水試驗分別獲取了一孔同徑多層含水層水文地質(zhì)參數(shù)的真實值，提高了水文地質(zhì)勘探精度。

(2)針對第四系強(qiáng)富水大厚度含水層地區(qū)，相比與傳統(tǒng)技術(shù)，封隔震蕩洗井技術(shù)具有洗井質(zhì)量優(yōu)、封隔器起封解封可操作性強(qiáng)，可視化傳感器獲取數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢，且分段洗井，分層抽水試驗，一氣呵成。隨著水文地質(zhì)調(diào)查精度要求的提高，該技術(shù)在水文地質(zhì)調(diào)查中將發(fā)揮重要作用。

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責(zé)任編輯：張若琳

Application of the new technology of well- flushing with parker to hydrogeological exploration

WANG Xiaoyan, AN Yonghui, SHAO Xinmin, XIE Wei, ZHANG Mengnan, GONG Lei, WU Xi, WANG Wenxiang

(TheCenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey,ChinaGeologicalSurvey,Baoding,Hebei071051,China)

The new technology of well- flushing with parker can greatly increase the quality and efficiency of washing a well. Since the traditional washing ways are time- consuming, the results are not ideal, and the wells cannot be washed thoroughly, especially in aquifers of large thickness, the CHEGS explores a new well- flushing technology. This paper depicts the flushing principle and process, and flushing and layered pumping test of the HQ8 exploration hole are taken as a case study. The result show that the new technology can also wash a well completely in aquifers of large thickness. Through the layered pumping test the hydrogeological parameters of the actual values can be obtained. The technology may improve the precision of hydrogeological exploration, and is especially suitable for aquifers of large thickness.

well- flushing with parker; layered pumping test; dual packer; hydrogeological survey

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.05

2016- 08- 04;

2016- 11- 05

地質(zhì)調(diào)查項目“河西走廊黑河流域1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查”(121201012000150004)

王曉燕(1986- ),女,助理工程師,主要從事水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)參數(shù)方面的研究。E- mail:wxyhappygirl@163.com

P634.6

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1000- 3665(2017)04- 0030- 04