劉海濤，郭旭飛，艾小平

(1.陜西省煤層氣開發(fā)利用有限公司地質(zhì)研究院分公司，陜西 西安 710065；2.商洛西北有色七一三總隊有限公司，陜西 商洛 726000；3.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

分層抽水方法廣泛應用于煤田水文孔抽水試驗[1-3]。小莊煤礦位于陜西省彬州市義門鎮(zhèn)管轄，礦區(qū)東西長6.5 km，南北寬7.0 km，面積45.824 7 km2，采礦權人為陜西省彬長礦業(yè)集團有限公司，生產(chǎn)規(guī)模為6.00 Mt/a，主采4號煤層，煤層頂板上覆洛河組砂巖孔隙-裂隙含水層、宜君礫巖、直羅組砂巖、延安組煤層及其頂板砂巖裂隙含水層。礦井主要充水含水層為白堊系洛河組砂巖含水層，全區(qū)均有分布。為了礦井盤區(qū)順利接續(xù)和防治水安全生產(chǎn)工作，為礦井建設提供可靠的水文地質(zhì)資料，采用多層抽水試驗綜合止水技術，調(diào)整水文孔施工工藝以及抽水順序，運用先進的止水工藝，使用膨脹橡膠止水材料進行勘探。針對混合抽水等難點，通過邀請西安煤科院水文所專家現(xiàn)場指導抽水試驗，以期證明此種方法具有施工可行性。

1 現(xiàn)有單孔技術及存在的問題

1.1 現(xiàn)有技術

按設計鉆探進尺811.0 m，抽水試驗3個層段(洛河組、直羅組、直羅延安組)，要求本次抽水共3層，自上到下，分層鉆進進行抽水試驗。施工時，首先為一開φ113 mm鉆至設計洛河組底部546.5 m，進行煤田常規(guī)測井，劃分地層，擴孔φ252 mm，下表層套管φ219 mm護壁(保護黃土層及風化基巖孔壁)，用水泥封堵環(huán)狀間隙進行固管作業(yè)。接著，洗孔并對洛河組含水層試驗段進行抽水，近視穩(wěn)態(tài)測溫。然后，二開φ205 mm進直羅組下段766.90 m，下入φ180 mm套管，采用水泥架橋法封閉安定組底部，進行隔離止水檢查合格后，第2層直羅組抽水試驗開始，最后進行水文測井。隨后，三開φ165 mm進入延安組底部下段停鉆，對鉆孔底部沉沙進行沖洗并確認止水效果后洗井，進行直羅延安組抽水試驗；并進行水文測井。接著，四開φ113 mm鉆進至4號底部下30 m，終孔。隨后，起拔套管以及抽水設備；采用標號R42.5水泥與水按體積比2∶1配成的水泥漿由鉆孔底封閉至洛河組底部。最后，洗井，安裝水位長期觀測儀器，觀測洛河組全段水文變化情況及孔口裝置并做好孔口標記，終孔。

1.2 存在的問題

現(xiàn)有技術存在分層鉆探施工工期較長，成孔效果不理想的問題[4-6]。此外，洛河組水量較大，需要大孔徑水泵，需變徑施工，多次擴孔，易造成孔內(nèi)沉沙，造成孔內(nèi)事故，嚴重時可使鉆孔報廢。而且，下入套管后進行小孔徑鉆探施工對鉆頭機械組合提出比較高的要求；當止水位置較深時，由于止水管和孔壁間隙小，第2層抽水試驗完成后，止水管拔出時容易卡鉆，嚴重時可使鉆孔報廢。

2 多層抽水試驗關鍵技術及難點

針對水文孔抽水水位埋深大、水泵揚程功率技術發(fā)展存在的一定的瓶頸，在抽水設備能力有限的情況下，電纜電機均對孔徑有一定的要求[7-9]。因此，對小莊煤礦1907孔進行的3次抽水試驗作了相應改進和嘗試。

2.1 含水層抽水順序變換

2.1.1 上部含水層組分析

上部含水層組為洛河組底深553 m，為穩(wěn)定的裂隙砂巖含水層，其上覆黃土層和基巖強風化帶下有φ219 mm表層護壁套管279 m，洛河組上覆地層為第四系全新統(tǒng)沖，洪積層孔隙潛水含水層，據(jù)煤礦回風立井檢查孔第四系和新近系混合抽水試驗成果，單位涌水量0.002 11 L/s·m，滲透系數(shù)0.003 596 4 m/d，富水性弱，礦化度1.05 g/L，水質(zhì)類型SO4·HCO3-Na型，但華池組相對隔水層有效阻隔了上覆含水層的影響。因此，抽水試驗時不需要再下止水套管；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1含水層組底界時停鉆，進行第1次抽水試驗。

2.1.2 中部含水層組分析

中部含水層組為直羅組砂巖裂隙弱含水層，深度達到682.92～704.66 m。抽水試驗前應下止水套管對洛河組(第1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，造成孔內(nèi)事故[10-14]。鉆孔結構如圖1所示。

圖1 含水層抽水試驗示意

2.1.3 技術優(yōu)化

針對技術難點，現(xiàn)場技術人員采取了變更抽水順序的措施。具體為，用水文2000鉆機φ60 mm鉆桿小徑(φ133 mm)直接鉆至終孔，常規(guī)水文測井后擴孔至安定組(中部含水層組)底界，下放安置φ180 mm止水套管(外焊止水托盤)對直羅組含水層進行變徑隔離止水，對套管與孔壁環(huán)狀間隙采用黃豆與大米混合臨時填堵；由于洛河組砂巖地層資料顯示水量較大，故對第2含水層組下φ165 mm，長度21.74 m花管，這樣做既保護了井壁，又能保證對直羅組進行抽水試驗時不受到上層洛河組水的影響，如若孔天頂角以及方位不理想，采用勻速控制扭矩下置水文套管，特別要求現(xiàn)場加工焊接肋片，沿鋼套管外表面圓形每隔120°，焊接一個肋片，長度不宜過大，其縱向間距要求共20 m，安裝4組，共12片。對下部兩含水層組的抽水試驗采用先下后上的原則。首先對侏羅系中統(tǒng)直羅和延安組(第3含水層組)進行抽水試驗，利用φ60 mm鉆桿既作出水管，又兼作止水管(煤田鉆機φ60 mm鉆桿和測管外部焊接一個環(huán)狀膨脹止水器)對直羅組底部隔離臨時止水。抽水試驗結束后，起拔設備至用水泥漿對延安組進行封閉，然后對直羅組第2含水層進行抽水試驗。

2.2 膨脹止水器的應用

在進行第3層組抽水試驗時，利用φ60 mm鉆桿接手處(鉆桿連接位置)外部焊接環(huán)狀膨脹止水器對其上覆直羅組含水層進行隔離止水。預先在隔水管(選擇φ108 mm)底部約2 m處焊接鋼制止水托盤(外徑127 mm)，厚度為12～20 mm，在托盤下部安裝止水橡膠，需注意安裝托盤下放時需考慮孔斜，提前預留多余的套管內(nèi)徑，保障膨脹止水器下放至止水直羅組底部位置。抽水試驗結束，起拔抽水設備，利用鉆機鉆桿將止水器從φ165 mm花管提升(拉拔時需控制鉆機扭矩拉拔力，均勻提升)。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%，達到甲級要求，如果孔斜達不到甲級孔設計要求，可進行擴孔矯正孔斜并進行測井工作。

2.3 抽水試驗與止水效果檢驗

2.3.1 試驗方法

按水文地質(zhì)規(guī)范要求，該孔運用穩(wěn)定流抽水試驗，計算公式選用承壓完整井裘布依公式。3個試驗段洛河組進行3次降升抽水，直羅組和直羅延安組混合抽水均作一個最大降升抽水。其中洛河組單位涌水量0.20 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.09 m/d，其余兩組含水層單位涌水量均小于0.001 L/(s·m)。抽水試驗過程嚴格根據(jù)水文規(guī)范要求，對多層抽水止水位置原則上選取泥巖段或者相對隔水層。本次洛河組抽水試驗q-s曲線如圖2所示，如若反常，應該查明原因，現(xiàn)場排除后重新試驗。規(guī)范推薦運用“水位壓差法”檢驗止水效果，本次抽水下入止水器前，進行探孔作業(yè)，確認孔內(nèi)無縮徑等問題后，方可正常下入。

圖2 XZ1907鉆孔洛河組抽水試驗q-s曲線

2.3.2 結果檢驗

本次止水位置，綜合鉆探與測井資料顯示巖性為相對隔水層砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層，長度均在5～10 m。止水位置采用水文套管保證井管無滲漏現(xiàn)象，最終通過管內(nèi)外，穩(wěn)定觀測10 h，總時長24 h，水位差值波動幅度穩(wěn)定在0.2 m。本次止水為臨時性止水并非永久性，未用水泥封閉止水(水泥止水大概率導致套管不能拔出)，止水位置放置于各封閉含水層頂面3 m以內(nèi)。

2.4 技術難點

該方法在對中部含水層進行穩(wěn)定流抽水試驗時，首先要對直羅組上部安定組底部進行隔離止水，還要對下部延安組進行止水，應用膨脹橡膠已避免上下含水層發(fā)生滲流，影響數(shù)據(jù)采集。對下部混合含水層抽水試驗工作結束后，需拔出止水器，需要考慮膨脹橡膠與止水器不會因為孔徑變化。如不能成功拔出，嚴重時可能導致止水套管不能順利拔出，對下一步洛河組長觀孔觀測造成影響。

3 抽水試驗結果分析

3.1 試驗結果

據(jù)小莊煤礦鉆孔實際鉆探水文資料及單孔設計要求，本孔對白堊系下統(tǒng)洛河組(K1l)、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)、侏羅系中統(tǒng)直羅和延安組(J2z+J2y)共3個含水巖組進行了多層抽水試驗，結果見表1。根據(jù)鉆孔抽水試驗以及水文報告分析，直羅組與延安組混合抽水試驗，其單位涌水量0.000 076 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 073 m/d，屬弱富水性。直羅組單位涌水量0.000 054 L/s·m，滲透系數(shù)0.000 203 m/d，屬弱富水性，水質(zhì)類型Cl·SO4-Na·Mg，礦化度1.889 g/L，水溫28 ℃。洛河組單位涌水量0.192 5～0.214 7 L/s·m，滲透系數(shù)0.078 058～0.105 064 m/d，水位標高912.904～840.614 m，屬富水性中等含水層。

表1 XZ1907鉆孔抽水成果統(tǒng)計

3.2 經(jīng)濟效益分析

按常規(guī)施工方法，本次單孔抽3層水需進行3次測井工作，并進行重復鉆探擴孔以及洗井工作。運用此方法，節(jié)省施工時間預計7 d。綜合止水技術主要針對多層單孔抽水試驗，中部含水層上下部止水的復雜問題。利用技術對上部含水層下變徑法水文套管加環(huán)狀間隙充填，下部則利用膨脹橡膠止水器技術保障止水效果，減少深部水文孔止水，起拔過程中容易出現(xiàn)的水文管卡鉆問題，該方法簡化了施工程序，節(jié)省了施工工期以及費用支出。

4 結論

(1)綜合止水技術主要針對大孔徑抽水環(huán)境下，對上下部兩層含水層同時進行止水，現(xiàn)場技術的應用改進了施工工藝，降低了施工成本。

(2)開展大孔徑一孔多層抽水試驗工作，改變抽水工藝，通過與天津、山西等水泵廠家進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)研究交流，研制了耐磨損、抗拉強度高、性能穩(wěn)定的40QB15-500-45kW-Φ145 mm型不銹鋼潛水泵，抽水能力達到15 m3/h，揚程480 m，能夠良好匹配大多數(shù)空壓機，減少了因孔徑問題不能正常下放水泵的問題。

(3)水文孔洗井過程中在鉆具組合方面設計鉆桿加入逆止閥進行負壓洗井作業(yè)，可使套管內(nèi)保持沙清水靜；本次一孔分層抽水試驗在實際應用過程中，下部直羅延安組含水層混合抽水試驗工作時，在煤層段抽水前下至治水管時，重點要穩(wěn)壓、勻速，控制對煤層的污染，包括水泥漿的深度控制。

(4)抽水試驗可加入瓦斯數(shù)據(jù)的提取工作，設計與抽水設備同步數(shù)據(jù)提取設備，堅持科學試驗多數(shù)據(jù)研究，可以節(jié)省重復勘探造成的資源浪費。