董崇澤 ，孫智杰

（1.山西能源學(xué)院，山西 晉中 030600；2.山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620）

對(duì)于煤田（井田）地質(zhì)勘探和供水水源地勘查項(xiàng)目，目前我國(guó)一般都要根據(jù)勘探范圍的地質(zhì)構(gòu)造情況，布置若干眼水文地質(zhì)鉆井（水文參數(shù)井）。對(duì)于孔徑大、地層軟、孔深?。?00 m左右）的項(xiàng)目，傳統(tǒng)的施工程序有兩種：一是全孔一徑取芯，自上而下逐級(jí)抽水試驗(yàn)、逐級(jí)擴(kuò)孔下管止水；二是逐段取芯、逐段抽水試驗(yàn)、逐段下管止水?？變?nèi)止水組合大致分為“護(hù)孔套（井）管+管外止水材料”及“充氣（液）型止水膠囊”兩種，對(duì)于隔水層孔壁完整、同徑多層抽水，一般采用充氣（液）型止水膠囊。管外止水材料大致分為“水化固結(jié)型”和“遇水膨脹型”，前者多為水泥漿液、油石灰等材料，后者包括黃豆、海帶、黏土球、膨脹膠帶、膨脹膠粒等。當(dāng)前，對(duì)于鉆孔（水井）直徑大、孔徑與管徑級(jí)差大、固井止水段較長(zhǎng)的項(xiàng)目，多采用“水化固結(jié)型”止水材料或“氣、液壓止水膠囊”止水方式。反之，則多采用“遇水膨脹型”止水材料[1-2]。近年來(lái)，在地?zé)峥辈榭祝ň╉?xiàng)目中，曾取得過(guò)一些“充氣（液）型止水膠囊”和“套管+止水材料”同徑止水、分層抽水成功案例，其止水裝置下入孔深2 000～3 000 m，分層組數(shù)2～3層，止水環(huán)隙18～25 mm。

國(guó)外在供水井成井和水文試驗(yàn)井方面，可供查閱的資料比較少且比較老。據(jù)20世紀(jì)90年代美國(guó)某公司《水井鉆探手冊(cè)》介紹，多采用“水泥灌漿止水”技術(shù)，主要固井止水材料有混凝土漿、砂水泥漿和純水泥漿，主要灌漿方法有重力充填法、導(dǎo)管灌注法、強(qiáng)力灌入法、連續(xù)注入法等。對(duì)于油氣田探采結(jié)合水文試驗(yàn)井項(xiàng)目，為了簡(jiǎn)化井身結(jié)構(gòu)、優(yōu)化施工流程、縮短施工周期，多采用“二開(kāi)井身結(jié)構(gòu)、兩徑施工流程、全套管水泥固井、分段射孔、分段雙封隔器隔離抽水”的作業(yè)工序[3]。

根據(jù)山西某水文地質(zhì)參數(shù)井項(xiàng)目技術(shù)要求，需要本次試驗(yàn)研究在 （1） 止水孔段巖石堅(jiān)硬且破碎，難以分級(jí)擴(kuò)孔，下管止水；（2） 止水環(huán)隙僅3 mm，無(wú)法安放止水材料；（3） 含水層段孔壁不規(guī)整，下管風(fēng)險(xiǎn)大；（4）止水套管內(nèi)徑較小，導(dǎo)水管路設(shè)計(jì)復(fù)雜等四方面，取得技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施目的[4]。

基于鉆探施工不可逆的特點(diǎn)，試驗(yàn)研究工作的重點(diǎn)是入孔前的設(shè)計(jì)制作與試驗(yàn)研究環(huán)節(jié)。在止水裝置的裝配、膨脹止水材料的模擬試驗(yàn)、導(dǎo)水管路的組合與調(diào)整等方面，要把試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題在入孔前徹底解決，否則，輕則要處理復(fù)雜的孔內(nèi)事故、耗時(shí)耗力，重則造成鉆孔報(bào)廢。

1 試驗(yàn)研究背景

1.1 設(shè)計(jì)總體要求

（1） 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)：深度1 000 m，其中，覆蓋層約400 m，變質(zhì)巖地層約600 m；

（2） 取芯要求：覆蓋層間斷取芯與巖樣撈取相結(jié)合，變質(zhì)巖層段連續(xù)取芯；

（3） 分層止水要求：覆蓋層水泥固孔，變質(zhì)巖地層選取合適的隔水層按上、下層段分層止水；

（4） 分層抽水要求：覆蓋層不抽水，變質(zhì)巖地層按上、下層段三個(gè)落程分層抽水及上下段三個(gè)落程混合抽水；

（5） 止水套管程序：地質(zhì)套管φ168 mm×410 m、φ89 mm×1 000 m；

（6） 留設(shè)水文地質(zhì)長(zhǎng)觀孔：變質(zhì)巖段按上下層，分別設(shè)置水位觀測(cè)通道和雙通道孔口板及保護(hù)罩，予以上鎖保護(hù)。

1.2 主要研究?jī)?nèi)容

對(duì)于分層止水、分層抽水，試驗(yàn)與研究的主要內(nèi)容包括：（1） 同徑止水裝置設(shè)計(jì)方案比選與裝配；（2） 止水材料試驗(yàn)與選型；（3） 分層導(dǎo)水管路設(shè)計(jì)；（4）止水套管與泵室套管、止水套管與導(dǎo)水管路之間的重疊與密封；（5）分層抽水試驗(yàn)過(guò)程。

1.3 技術(shù)路線

試驗(yàn)與研究遵循的技術(shù)路線為：技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 → 總體方案設(shè)計(jì) → 方案設(shè)計(jì)遴選 → 技術(shù)設(shè)計(jì)圖紙繪制與機(jī)加工 → 裝配試驗(yàn)尺寸核驗(yàn)與問(wèn)題分析 → 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)整與再次機(jī)加工 → 再次裝配試驗(yàn)與尺寸核驗(yàn) → 止水裝置入孔前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 → 鉆探現(xiàn)場(chǎng)止水管柱入孔實(shí)施 →止水管柱效果初步檢驗(yàn)（適時(shí)浸泡，適當(dāng)提拉）→ 按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分層抽水試驗(yàn) →止水效果綜合檢驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)

2.1 止水設(shè)計(jì)方案

2.1.1 止水方案原理簡(jiǎn)述

套管改造止水裝置（A方案）：選取2節(jié)長(zhǎng)5 m左右φ89 mm地質(zhì)套管，在管外焊接4只托盤(pán)形成臺(tái)階，在其段間設(shè)置膨脹止水材料組合（特制膨脹膠帶2組+食用海帶1組），實(shí)現(xiàn)套管外分層止水。在套管內(nèi)部焊接錐形隔水臺(tái)階，與分層抽水管路上的錐形隔水膠球相互配合，實(shí)現(xiàn)分層抽水。具體見(jiàn)圖1（a）。

組合式厚壁管止水裝置（B方案）：主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為設(shè)置“外掏內(nèi)縮”式特殊組合接頭。包含止水接頭和隔水接頭兩部分，采用厚壁鋼管胚料或?qū)嵭膱A鋼進(jìn)行制作。止水接頭胚料外徑約95 mm、內(nèi)徑約45 mm，每節(jié)總長(zhǎng)度約900 mm，每組3節(jié)，設(shè)計(jì)要素相同。作為設(shè)置“膨脹止水組合”（特制膨脹膠帶2組+食用海帶1組）的載體。內(nèi)部設(shè)置錐形隔水接頭（大徑78 mm，小徑52 mm，30°錐角，內(nèi)臺(tái)階投影寬度13 mm），單獨(dú)制作并與止水套管柱串接。具體見(jiàn)圖1（b）。

膨脹膠粒傘式止水裝置（C方案）：該方案止水裝置外部、內(nèi)部設(shè)計(jì)原理及加工制作與B設(shè)計(jì)方案完全相同，只是采取的止水組合有所不同。止水組合為：膨脹膠帶2組+膨脹膠粒傘1組，底部的止水組合采用水泥傘止水組合代替食用海帶止水組合。具體見(jiàn)圖1（c）。

圖1 3種止水方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of three water-stopping schemes

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

按照上述3種止水方案，繪制技術(shù)設(shè)計(jì)圖紙，分別制作、裝配止水組件，利用初步選定的遇水膨脹型止水材料，進(jìn)行室內(nèi)實(shí)際裝配試驗(yàn)與尺寸核驗(yàn)，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與可行性評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3種止水方案試驗(yàn)項(xiàng)目與可行性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 1 Test items and feasibility evaluation results of three water-stopping schemes

2.2 止水材料試驗(yàn)與止水組合選型

2.2.1 止水材料試驗(yàn)：

選擇建筑行業(yè)常用的2種遇水膨脹型止水材料進(jìn)行浸泡膨脹性能試驗(yàn)。分別取不同吸水膨脹材料，在常溫常壓條件下，浸泡并記錄開(kāi)始時(shí)間，觀察浸泡過(guò)程中其體積、形狀的變化，并測(cè)算出它們的膨脹率。室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)圖片見(jiàn)圖2和圖3。對(duì)選擇的止水材料委托廠家進(jìn)行了規(guī)格定制。

圖2 吸水膨脹膠粒浸泡顆粒膨脹情況Fig.2 Swelling of soaked particles of water absorbing and expanding rubber particles

圖3 特制膨脹膠帶浸泡前后厚度變化Fig.3 Thickness change of special expansion tape before and after soaking

表2 3種膨脹止水材料室內(nèi)浸泡試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)Table 2 Indoor immersion test performance data of three kinds of expansive water-stopping materials

2.2.2 止水組合選型

由于其中2種膨脹止水材料具有吸水膨脹、形體易于包裹固定的特點(diǎn)，結(jié)合下放作業(yè)技術(shù)要求，最終選擇的止水組合為：自上而下，上節(jié)膨脹膠帶止水→中節(jié)膨脹膠帶止水→下節(jié)食用海帶止水。

2.3 分層抽水導(dǎo)水管路設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)思路

在φ89 mm止水套管內(nèi)設(shè)置一套“分層抽水導(dǎo)水管路”，借助套管內(nèi)“錐形隔水接頭”與導(dǎo)水管路上的“錐形隔水膠球”配合，分別進(jìn)行上、下層分層抽水。

2.3.2 管路組合

① 下層抽水導(dǎo)水管路： 正、反絲接頭 →φ50 mm鉆桿約640 m →φ42 mm鉆桿串接錐形隔水膠球 →φ42 mm鉆桿1根→鉆桿尾部封水堵頭（開(kāi)放）。

② 上層抽水導(dǎo)水管路： 正、反絲接頭 →φ50 mm鉆桿約640 m →進(jìn)水篩管1根→φ42 mm鉆桿串接錐形隔水膠球 →φ42 mm鉆桿1根→鉆桿尾部封水堵頭（封堵）。

2.3.3 止水套管（φ89 mm）與泵室套管（φ168 mm）重疊密封

由于泵頭下深與泵室套管下深相差約220 m，抽水孔段水流需由管路導(dǎo)入泵室套管之中，因此，擬采取φ89 mm、φ168 mm套管重疊，設(shè)置密封材料等技術(shù)措施，密封兩級(jí)套管環(huán)狀間隙，避免下層抽水時(shí)，上層水的混入泵室之中而影響下層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 討論與分析

3.1 止水方案的比選

A方案：理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)際裝配存在如下技術(shù)問(wèn)題：（1）鉆孔孔徑與止水套管外徑之間的理論環(huán)狀間隙僅有3 mm，無(wú)論采用何種材料，幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)；（2）在止水套管內(nèi)直接焊接錐形隔水臺(tái)階，無(wú)法控制其平正度和焊接時(shí)的管體變形；（3）無(wú)法進(jìn)行錐形隔水臺(tái)階的雙向焊接[5]。

B方案：該套設(shè)計(jì)采用厚壁鋼管或?qū)嵭膱A鋼分體制作。該設(shè)計(jì)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）止水材料載體采取“外徑內(nèi)掏”方法，使止水環(huán)狀間隙由3 mm增大到8.5 mm；（2）3節(jié)止水裝置采取單節(jié)整體加工制作，克服了因焊而引起的管體變形、強(qiáng)度不足和錐形隔水臺(tái)階不規(guī)矩等技術(shù)難題；（3）各節(jié)止水裝置之間采用φ89 mm標(biāo)準(zhǔn)套管螺紋連接，能夠充分保證其連接強(qiáng)度和剛度、各節(jié)之間的同心度及錐形隔水臺(tái)階的規(guī)矩性。

C方案：該套設(shè)計(jì)方案底部的水泥傘裝置，其傘架體由薄鐵皮制作，呈倒錐形、條帶狀，固定于下止水接頭之外。其內(nèi)充填的吸水膨脹膠粒在孔內(nèi)浸泡后膨脹，分別從傘架體帶狀縫隙和頂端溢出，在環(huán)狀間隙內(nèi)，形成一段止水密封體。經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，錐形傘架體整型、安裝困難，可充填膨脹膠粒的空間太小，下管過(guò)程中傘架體具有一定的失效風(fēng)險(xiǎn)，不宜實(shí)施[6-8]。

經(jīng)過(guò)以上探討與分析，綜合考慮加工制作和孔內(nèi)施工風(fēng)險(xiǎn)因素，最終選擇同徑止水的B方案。

3.2 止水材料分析與選型

對(duì)于同徑止水材料選型而言，水泥漿液由于配比難以掌握，灌注工藝比較復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)大，加之止水孔段孔徑與止水套管環(huán)狀間隙很小；套管內(nèi)很難設(shè)置單向注漿裝置，灌注完畢還得處置該裝置，風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，水泥止水材料應(yīng)該予以排除[9-10]。

采用遇水膨脹型止水材料進(jìn)行管外分層止水，在排除了止水組合底部的“傘架體+膨脹膠粒”組合之后，保留了膨脹膠帶和食用海帶。其原因是在施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝固定，控制外形尺寸以及下放過(guò)程控制方面均有可行性，施工風(fēng)險(xiǎn)較低，成功率較高。

建筑常用的膨脹膠帶為成型產(chǎn)品，膨脹率高，性能穩(wěn)定，寬20 mm、厚10 mm，每盤(pán)20 m。定制的規(guī)格為寬100 mm、厚10 mm，具有一定的可塑性，其厚度與寬度可根據(jù)止水孔段直徑對(duì)止水裝置的安裝尺寸要求，進(jìn)行適當(dāng)加工整形；還具有一定的強(qiáng)度和韌性，能夠完全滿(mǎn)足捆綁固定的要求。食用海帶價(jià)格低廉，選材廣泛，膨脹率較高，易于有效控制外形尺寸和捆綁固定，下管過(guò)程安全可靠。為確保止水作業(yè)過(guò)程安全順利，膨脹止水材料捆綁固定完畢，在其外應(yīng)當(dāng)包扎固定一層棉布并涂抹潤(rùn)滑油。

3.3 分層導(dǎo)水管路分析

在管外實(shí)施同徑止水的基礎(chǔ)上，通過(guò)管內(nèi)設(shè)置的錐形隔水接頭與導(dǎo)水管路上串接的錐形封水膠球的組合實(shí)現(xiàn)分層抽水作業(yè)。按照項(xiàng)目抽水技術(shù)要求，分別實(shí)施下段、上段含水層抽水以及上下含水段混合抽水。在施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)套管內(nèi)封水組合入孔前試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)封水效果能夠完全滿(mǎn)足分層抽水試驗(yàn)要求，錐形隔水接頭的內(nèi)腔直徑與錐形封水膠球的外部直徑完全滿(mǎn)足通徑要求，施工風(fēng)險(xiǎn)很小，下孔作業(yè)可行。

由圖4可知，分層導(dǎo)水管路完全符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)要求。在實(shí)施時(shí)，上層抽水進(jìn)水篩管的進(jìn)水總面積（單只孔眼面積×孔眼數(shù)量）與下層抽水堵頭處進(jìn)水面積按照等面積原則設(shè)計(jì)，確保不同工況下水流參數(shù)相對(duì)平衡[11-13］。

圖4 3種抽水工況示意圖Fig.4 Schematic diagram of three water-stopping schemes

3.4 分層抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.4.1 分層抽水試驗(yàn)

三次抽水試驗(yàn)段：第一次，下層（645～1 000 m），見(jiàn)圖4（a）；第二次，上層（432～645 m），見(jiàn)圖4（b）；第三次，上下層混合抽水試驗(yàn)段（432～1 000 m），見(jiàn)圖4（c）。采用150QJ20-150型潛水電泵進(jìn)行抽水試驗(yàn)，潛水電泵泵頭下入深度110 m左右。

3.4.2 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

水文參數(shù)井分層抽水?dāng)?shù)據(jù)見(jiàn)表3。

3.4.3 數(shù)據(jù)分析

由表3抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本次“同徑止水”效果較為理想。具體表現(xiàn)為：（1） 上下含水層分層抽水時(shí)，其最大出水量相差5.43 m3/h，上下兩段富水性差異十分明顯，上段富水強(qiáng)；（2） 在出水量相近的情況下，上下兩段降深數(shù)值相差很大，出水量為15.26 m3/h時(shí)下層比上層降深大69.79 m，出水量為10.07 m3/h時(shí)下層比上層降深大46.05 m，上段富水強(qiáng)；（3） 上下層靜止水位埋深分別為20.30 m和20.71 m，相差0.41 m，差異明顯；（4） 最大出水量時(shí)，上下層孔口出水水溫相差0.5 °C，下層高于上層。

表3 水文參數(shù)井分層抽水?dāng)?shù)據(jù)表Table 3 Summary of layered pumping data of hydrological parameter well

3.5 問(wèn)題與建議

（1） 本次試驗(yàn)研究雖然解決了同徑條件下“極小外環(huán)隙”止水難題，但對(duì)于3～4層的分層止水，得下入2～3組止水裝置，相對(duì)于下入1組止水裝置，存在諸多需進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題，比如：止水組合的調(diào)整、膨脹止水材料的時(shí)間參數(shù)、下管過(guò)程時(shí)間控制等。建議實(shí)施者應(yīng)當(dāng)結(jié)合類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求及鉆孔的結(jié)構(gòu)具體情況，對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展針對(duì)性試驗(yàn)與研究，以保證項(xiàng)目的順利實(shí)施[14]。

（2） 在本次試驗(yàn)研究中，分層導(dǎo)水管路采用了其上串接的“隔離封水膠球”與止水套管內(nèi)設(shè)置的“錐形隔水接頭”相互契合封水的設(shè)計(jì)理念，這對(duì)于完成3～4層的抽水試驗(yàn)局限性很大。尤其是對(duì)小口徑“分層抽水”項(xiàng)目，止水套管內(nèi)徑與導(dǎo)水管線外徑之間級(jí)差很小，自上而下設(shè)置內(nèi)徑由大變小的“錐形隔水接頭”則非常困難，封水效果難以保證。建議實(shí)施者應(yīng)在兩個(gè)方向拓寬思路：其一，按照本項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念，采用“外平式連接”的導(dǎo)水管線，合理分配各級(jí)“錐形隔水接頭”內(nèi)徑級(jí)差，在充分試驗(yàn)密封性能的基礎(chǔ)上，論證其技術(shù)可行性，為完成分層抽水試驗(yàn)清除技術(shù)障礙。其二，止水套管內(nèi)不設(shè)“錐形隔水接頭”，變?yōu)椤皟?nèi)平通徑”管，導(dǎo)水管路上串接石油工程常用的“單組或雙組封隔器”，自下而上實(shí)現(xiàn)逐層抽水試驗(yàn)[15-17]。

（3） 本次試驗(yàn)研究針對(duì)的鉆孔是采用標(biāo)準(zhǔn)口徑系列的“金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝”完成的，而對(duì)于采用“普通鉆進(jìn)”工藝完成的鉆孔，由于其孔壁光滑與規(guī)矩，采芯率以及孔斜控制存在著相對(duì)不足，同徑止水技術(shù)還需要進(jìn)行一些試驗(yàn)與研究。對(duì)于小口徑水文參數(shù)井“小環(huán)隙同徑分層止水、抽水”項(xiàng)目，地層巖芯的采取率和完整程度非常重要，它是選取“隔水層段”位置和“止水裝置”設(shè)置深度的重要依據(jù)。建議實(shí)施者在選擇鉆探工藝時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)口徑系列“金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝”。

4 結(jié)論

（1） 同徑止水裝置經(jīng)過(guò)特殊的“外掏內(nèi)縮”設(shè)計(jì)與制作，外徑、內(nèi)徑尺寸設(shè)計(jì)合理，使止水環(huán)隙由理論上的3 mm增大到8.5 mm，既解決了極小環(huán)隙條件下分層止水問(wèn)題，又兼顧到止水套管內(nèi)下入導(dǎo)水管路問(wèn)題。經(jīng)抽水檢驗(yàn)，止水效果良好。

（2） 在孔外一系列試驗(yàn)研究和問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，所選擇的遇水膨脹型止水材料和止水裝置組合，對(duì)于本次的試驗(yàn)鉆孔而言，膨脹充盈率高、止水組合整體性能可靠、適應(yīng)性較強(qiáng)，下管作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較小，施工過(guò)程十分順利。

（3） 分層導(dǎo)水管路設(shè)計(jì)合理，其上串接的隔離封水膠球與止水套管柱內(nèi)設(shè)置的錐形隔水接頭相互契合，形成了兩套獨(dú)立的導(dǎo)水管路，進(jìn)行分層抽水時(shí)，均能將上、下含水層的水流導(dǎo)入泵室套管之中，完全滿(mǎn)足分層抽水試驗(yàn)工況。