李 亮, 解 偉, 趙胤凱, 常曉軍, 賈軍元, 朱意萍

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2.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，保定 071051)

在水文地質(zhì)調(diào)查中，遙感、物探、水文鉆探、簡易水文試驗等手段是獲取水文地質(zhì)特征的主要方法[1-2]，其中水文鉆探是直接探明地下水的一種最重要、最可靠的勘探手段，利用水文井進行水文地質(zhì)試驗可以獲取含水層水文地質(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)。在水文地質(zhì)試驗前，洗井工藝是減少鉆探成井施工過程對含水層產(chǎn)生影響的重要手段，洗井質(zhì)量直接影響到含水層水文地質(zhì)參數(shù)的準確性[3-5]；分層抽水試驗可以在目的層抽水的同時，獲取相鄰含水層的水位變化，從而實現(xiàn)相鄰含水層的垂向水力聯(lián)系，是研究復(fù)雜含水層的有效手段。

封隔器技術(shù)在石油等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[6]，但在水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域使用較少。雙封隔器新技術(shù)是技術(shù)人員圍繞分段洗井、分層抽水試驗以及管內(nèi)分層止水3個方面進行研究與試驗，并經(jīng)過不斷地改進形成。

雙封隔器新技術(shù)能對水文井進行單獨洗井，也可以與活塞洗井、空壓機洗井、液態(tài)二氧化碳洗井等工藝聯(lián)合洗井[7-8]，能有效消除施工過程中泥漿護壁等物理因素和清洗液殘留等化學因素影響[9]，從而提高洗井質(zhì)量；同時，雙封隔器新技術(shù)通過井內(nèi)分層止水、抽水，實現(xiàn)了一層抽水多層監(jiān)測，可以直觀展現(xiàn)抽水過程主抽水層與上下含水層之間的水力聯(lián)系。

本文以無錫市WTS01水文鉆井為例，應(yīng)用中國地質(zhì)調(diào)查水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心研發(fā)的195型雙封隔器新技術(shù)進行分層振蕩洗井、孔內(nèi)分層止水、分層抽水試驗，工作過程中獲得了較好的洗井效果，實現(xiàn)了一層抽水多層監(jiān)測的水文地質(zhì)試驗，總結(jié)了雙封隔器新技術(shù)的優(yōu)勢及適用條件。

1 工作原理及設(shè)備組成

1.1 工作原理

雙封隔器技術(shù)的主要工作原理是封閉止水[10]。通過封隔器將抽水目的層段兩端的非目的層段隔離，利用潛水泵對目的層段進行抽水；同時在上封隔器下端設(shè)置監(jiān)測儀器實時記錄地下水水位、水溫的變化，以獲得目的層段抽水的有關(guān)參數(shù)。為獲取目的含水層與相鄰含水層之間的水力聯(lián)系，在上封隔器上端、下封隔器下端分別安裝監(jiān)測儀器實時記錄相鄰含水層水位和水溫變化。

1.2 設(shè)備組成

雙封隔器系統(tǒng)主要由分層隔離單元、抽水單元、抽水試驗數(shù)據(jù)記錄與顯示單元和封隔器充氣單元組成，其連接方式如圖1所示。

圖1 雙封隔器分層抽水原理圖Fig.1 Diagram demonstrating the principle of stratified pumping with double packer

分層隔離單元包括過電纜充氣封隔器(上封隔器)和常規(guī)充氣封隔器(下封隔器)。

抽水單元包括潛水泵、出水管、潛水泵供電電纜、變頻控制柜等。

抽水試驗數(shù)據(jù)記錄與顯示單元包括自動水位、水溫監(jiān)測探頭、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸電纜、數(shù)據(jù)顯示與存儲器、流量計等。

封隔器充氣單元包括瓶裝高壓氮氣、減壓器、高壓三通閥和高壓充氣管等。

2 洗井及分層抽水

洗井及分層抽水前，應(yīng)詳細了解水文孔的相關(guān)資料，并針對不同情況制定洗井及抽水試驗設(shè)計[11]，尤其是雙封隔設(shè)備的排設(shè)、潛水泵位置的擺放、地下水實時監(jiān)測探頭的位置等，盡量減少重新提泵、下泵次數(shù)。

2.1 WTS01井水文地質(zhì)背景

圖2 鉆孔位置示意圖Fig.2 Distribution of drillings in the study area

WTS01井位于無錫市新吳區(qū)碩放鎮(zhèn)南塘村(圖2)，孔深152 m，管徑273 mm。成井含水層段為：①晚更新統(tǒng)上部微承壓含水層，埋深9.5～18.5 m，巖性以細砂、粉砂為主；②晚更新統(tǒng)中下部Ⅰ承壓含水層，埋深39～45 m，巖性以細砂為主；③中更新統(tǒng)Ⅱ承壓含水層，埋深112～142 m，巖性以中細砂為主(圖3)。為達到一孔多層抽水試驗效果，在井管外部、微承壓上部隔水層、微承壓與Ⅰ承壓含水層之間的隔水層、Ⅰ承壓與Ⅱ承壓含水層之間的隔水層、Ⅱ承壓含水層以下的隔水層部位采用黏土球止水，微承壓、Ⅰ承壓和Ⅱ承壓含水層段均填充石英砂。

2.2 洗井

雙封隔器振蕩洗井原理包括2個方面：一是封閉作用，利用雙封隔器將洗井目的層段兩端的非目的層段隔離，在泵量不變情況下，通過減小進水截面，增大管內(nèi)單位面積上對含水層的吸力，從而增強對含水層中堵塞物的沖刷作用；同樣，對井壁泥皮的破壞作用也相應(yīng)增大。二是振蕩作用，主要是水錘效應(yīng)[12-13]，用潛水泵將目的層段地下水抽出，通過反復(fù)開、停潛水泵，在開泵、停泵瞬間產(chǎn)生水錘壓強，反復(fù)沖擊，徹底清除井內(nèi)泥漿，抽出滲入含水層中的泥漿和細小顆粒，使過濾器周圍形成一個良好的人工濾層，達到良好的洗井效果[14-15]。

為檢驗雙封隔器新技術(shù)洗井效果，WTS01井按含水層進行分層洗井，且在洗井前利用活塞清除井管內(nèi)壁泥皮。第一洗井段：微承壓含水層，埋深9.5～18.5 m段；第二洗井段：Ⅰ承壓含水層，埋深39.0～45.0 m段；第三洗井段：Ⅱ承壓含水層，埋深112.0～142.0 m段。

圖3 WTS01鉆井地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram showing drilling structure of WST01擴孔直徑500 mm; 井管直徑273 mm

以Ⅱ承壓含水層為例，首先對整個鉆孔進行活塞洗井。活塞洗井結(jié)束后，在112.0 m以上和142.0 m以下啟封雙封隔器，起封后用大流量水泵進行反復(fù)開泵、停泵振蕩洗井，每次洗井水泵流量170.0 m3/h左右，洗井效果如圖4所示。

由圖4可知，第一次抽水洗井時，水位下降了79.0 m；第二次抽水洗井時，水位下降約58.0 m。表明與第一次抽水洗井相比，第二次抽水洗井時單位涌水量大大增加，即井壁和深入地層的泥漿大部分已被帶出。第六次洗井抽水，水位下降約24.0 m，且第六次抽水洗井時水位基本穩(wěn)定，表明雙封隔器分層洗井在第六次已基本洗凈。

對每一次洗井計算其滲透系數(shù)(表1)，與第一次洗井相比，第六次洗井時滲透系數(shù)為第一次的了3.5倍。

表1 WTS01井 Ⅱ承壓含水層洗井過程滲透系數(shù)變化Table 1 Variation of permeability coefficient during well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

圖4 WTS01井 Ⅱ承壓含水層洗井效果圖Fig.4 Diagram showing effect of well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

以同樣的方法對微承壓、Ⅰ承壓含水層進行雙封隔器分層振蕩洗井，洗井結(jié)束后進行分層抽水試驗。

2.3 止水

分層止水采用管內(nèi)雙封隔器膨脹止水，在Ⅰ承壓含水層上下分別放置封隔器，打開高壓氮氣筒，對封隔器進行充氣膨脹。本次分層止水封隔器壓力達到2.5 MPa。通過上封隔器下部、上下封隔器之間和下封隔器下部的監(jiān)測探頭觀測啟封過程中的水位變化(圖5)。

由圖5可知，雙封隔器通過高壓氮氣瓶加壓啟封，啟封速度快，啟封2 min后水位變化明顯。不同含水層水位差顯著，表明雙封隔器啟封后達到了良好的隔水效果。

2.4 分層抽水

雙封隔器啟封進行封隔，含水層水位達到穩(wěn)定后，開啟水泵對目的層進行分層抽水。以第三含水層段(埋深112.0～142.0 m)為例，其抽水試驗的時間-降深曲線如圖6所示。

圖5 WTS01井雙封隔器管內(nèi)封隔效果檢驗結(jié)果分析圖Fig.5 Analysis of testing results of double packer stratified water stop of WTS01

WTS01井采用單孔穩(wěn)定流抽水，當水泵涌水量達到170.0 m3/h后，水位下降24.6 m，滲透系數(shù)為6.2 m/d，與第六次洗井所得滲透系數(shù)相近。

Ⅱ承壓含水層進行穩(wěn)定流抽水試驗的同時，微承壓含水層與Ⅰ承壓含水層水位穩(wěn)定，無明顯變化，直觀反映出微承壓、Ⅰ承壓含水層與Ⅱ承壓含水層之間無明顯水力聯(lián)系。

圖6 WTS01井Ⅱ承壓含水層穩(wěn)定流抽水試驗時間-降深曲線圖Fig.6 Time-depth reduction curve of steady flow pumping test in Ⅱ confined aquifer of WTS01

3 結(jié) 論

a.雙封隔器新技術(shù)分層振蕩洗井技術(shù)的使用，有效地解決了施工區(qū)水文鉆井難以徹底清洗的難題，提高了水文地質(zhì)參數(shù)求取的真實性。

b.雙封隔器新技術(shù)井內(nèi)止水啟封速度快，止水效果好，操作簡單，極大地節(jié)約了洗井、抽水試驗的準備時間，提高了野外作業(yè)效率。

c.雙封隔器新技術(shù)采用“一孔同徑，分層抽水”，實現(xiàn)了抽水試驗過程中對上下含水層垂向水力聯(lián)系的研究，同時減少了對地面資源的占用。新技術(shù)可以在井內(nèi)任意深度、任意含水段進行封隔、洗井和抽水試驗，尤其適用大厚度、多含水層的水文鉆井抽水試驗。