西北地區(qū)沙漠邊緣細(xì)顆粒地層供水井施工方法

宋祥昌，劉海波

（甘肅省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅酒泉735000）

西北地區(qū)沙漠邊緣細(xì)顆粒地層供水井施工方法

宋祥昌*，劉海波

（甘肅省地礦局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅酒泉735000）

西北地區(qū)沙漠邊緣地帶地層在100m深度內(nèi)主要為第四系粉細(xì)砂顆粒地層，極松散未固結(jié)，對(duì)水文水井施工造成較大困難。針對(duì)鉆探成井技術(shù)與工藝上存在的突出問(wèn)題，通過(guò)采取優(yōu)化施工方案、改進(jìn)工藝方法、調(diào)整技術(shù)參數(shù)、增大反濾層厚度、調(diào)整泥漿性能、采用一級(jí)成孔等技術(shù)措施，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

西北地區(qū)；粉細(xì)砂顆粒地層；水文水井；施工方法

受有關(guān)單位委托，我院自20世紀(jì)90年代開(kāi)始在甘肅西部庫(kù)木塔格沙漠和新疆南部塔克拉瑪干沙漠邊緣地帶承接并完成多項(xiàng)供水水文地質(zhì)勘查項(xiàng)目，為農(nóng)業(yè)灌溉、工礦企業(yè)施工供水井?dāng)?shù)百眼。鑒于沙漠邊緣地帶地下100m以淺地層主要為第四系粉細(xì)砂顆粒地層，前期施工階段工藝技術(shù)很不成熟，施工的水井不是在成井前坍塌報(bào)廢，就是成井后存在涌水量偏小、涌砂嚴(yán)重等問(wèn)題，致使水井無(wú)法交付使用。后期施工階段我們總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)拓思路，通過(guò)調(diào)整泥漿性能、增大鉆孔口徑、優(yōu)選成井材料、提高反濾層厚度等技術(shù)手段，較好地解決了在鉆探技術(shù)和成井工藝上存在的突出問(wèn)題，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求，取得了滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

1　自然地理及水文地質(zhì)條件

施工區(qū)地處內(nèi)陸腹地，居亞洲干旱的中心地帶，屬典型的大陸性氣候。地形平坦開(kāi)闊，地貌多呈沙丘狀。根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，在該沙漠邊緣地帶，地層在地面以下100m深度內(nèi)主要為第四系粉細(xì)砂，極松散未固結(jié)，地下水位埋藏深度一般在10m以內(nèi)，含水層地下水主要來(lái)自雪山融化所形成的季節(jié)性河流的側(cè)向補(bǔ)給，地下水水量相對(duì)豐富，但礦化度相對(duì)偏高，人畜飲水須選擇優(yōu)質(zhì)水層并進(jìn)行分層止水。

2　水文水井成井工藝分析

經(jīng)客觀分析和綜合研究，前期施工階段在施工技術(shù)和工藝上一般存在以下突出問(wèn)題：

（1）對(duì)含水層特性和地層顆粒大小未進(jìn)行系統(tǒng)研究和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，濾水管外部用與地層不相匹配的紗網(wǎng)或直接用棕皮包扎，造成井內(nèi)涌砂或涌水量減??；

（2）由于設(shè)備條件及工作思路的限制，所施工的水井成孔口徑偏小，導(dǎo)致孔壁與井管之間的環(huán)狀間隙偏小，形成的反濾層厚度及進(jìn)水自由面不夠，造成井內(nèi)涌砂或涌水量減??；

（3）反濾層內(nèi)填充的礫料規(guī)格和級(jí)配不合理，礫徑偏大或大小不均，以及填礫過(guò)程中因操作不當(dāng)導(dǎo)致礫料搭橋，造成井內(nèi)涌砂；

（4）在成孔過(guò)程中因技術(shù)參數(shù)不合理導(dǎo)致孔斜或安裝井管過(guò)程中焊接不直導(dǎo)致濾水管部位貼靠孔壁使過(guò)濾層變小甚至無(wú)過(guò)濾層，造成井內(nèi)涌砂；

（5）濾水管（花管）與井壁管（實(shí)管）比例偏小或者技術(shù)規(guī)格不符合技術(shù)要求，主要表現(xiàn)在孔隙率偏低、纏絲間距不合適，造成涌水量減小；

（6）洗井工藝落后，操作不到位，井壁泥皮未蕩滌清除干凈，浸入含水層和反濾層的巖屑及泥漿顆粒不能有效排出而阻擋水路，致使進(jìn)水路徑不暢，造成涌水量減??；

（7）部分供水管井選擇造價(jià)較低的水泥管在粉細(xì)砂顆粒地層成井，因其強(qiáng)度低、管接頭密封性差，造成含砂量超標(biāo)、事故率高甚至井孔報(bào)廢；

（8）成孔過(guò)程中采用普通紅土配制的泥漿無(wú)法有效護(hù)壁，或成孔后因成井材料不到位，停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成孔壁坍塌，井孔報(bào)廢。

3　施工工藝與技術(shù)方法的優(yōu)化確定

針對(duì)鉆探成井技術(shù)與工藝上存在的突出問(wèn)題，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析和總結(jié)，在實(shí)踐中優(yōu)化施工方案、改進(jìn)工藝方法、調(diào)整技術(shù)參數(shù)，取得了較好的技術(shù)效果，后期施工的供水管井均達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3.1成孔工藝技術(shù)措施

（1）埋設(shè)孔口護(hù)筒：井孔定位后，人工開(kāi)挖直徑?1000mm、深度1.2m圓孔，然后下入直徑?800mm、長(zhǎng)度1.5m孔口護(hù)筒，其頂部高出地面150mm左右并焊制吊耳用鐵絲固定于底梁，對(duì)應(yīng)泥漿槽方向留一缺口，周圍用粘土回填并分層夯實(shí)，以有效防止孔口周圍區(qū)域的塌陷。

（2）調(diào)整泥漿性能：因沙漠邊緣地帶含水層為粉細(xì)砂顆粒地層，巖性松散且無(wú)膠結(jié)性，施工過(guò)程中極易造成孔壁坍塌，因此在成孔過(guò)程中必須采用大比重、高粘度的細(xì)分散型泥漿。造漿材料選用優(yōu)質(zhì)粘土（膨潤(rùn)土），并加入適當(dāng)處理劑。我們?cè)趯?shí)際施工中所采用的泥漿配方及性能指標(biāo)為：

澎潤(rùn)土：25%～30%；水：70%～75%；Na2CO3：3%；CMC：0.3%；NaOH：適量。備注：①CMC加量為泥漿重量比，Na2CO3加量為膨潤(rùn)土重量比；②NaOH起調(diào)節(jié)pH值作用；③膨潤(rùn)土需進(jìn)行預(yù)水化處理30min以上。

比重：1.2～1.5；粘度（s）：20～25；膠體率：大于90%；失水量：小于20mL/min；pH值：8～9；含砂量：小于3%。

（3）保持壓力平衡：施工中特別是在因故停待和提下鉆過(guò)程中，采取泥漿回灌措施，始終使孔內(nèi)泥漿液面和地面平行，防止泥漿液面下降，保持地面壓力平衡，杜絕孔口坍塌失穩(wěn)。

（4）采用一級(jí)成孔：井孔施工采用一級(jí)成孔的快捷方法，以縮短輔助時(shí)間及非正常停滯時(shí)間，降低坍塌幾率，實(shí)現(xiàn)快速成孔。

（5）增大反濾層厚度：供水管井技術(shù)規(guī)范要求反濾層厚度不小于8～10cm，但在實(shí)際施工中我們認(rèn)識(shí)到，粉細(xì)砂顆粒地層鉆孔與井管之間的環(huán)狀間隙填充礫料后形成的反濾層厚度必須達(dá)到15～20cm才能有效阻擋流沙涌入，起到阻砂透水的作用。因此施工中必須選擇合理的孔徑與管徑，使其有足夠的環(huán)狀間隙。

（6）防止鉆孔偏斜：為保證井孔圓整、垂直，孔斜度滿足規(guī)范要求，施工中選用長(zhǎng)度不小于6m的下部帶肋骨合金鉆頭的筒狀鉆具，鉆進(jìn)中根據(jù)地層變化和進(jìn)尺情況合理調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

3.2成井工藝技術(shù)措施

（1）施工準(zhǔn)備工作：井管、礫料以及其它輔助材料、機(jī)具在開(kāi)工前必須全部到位，井壁管和濾水管按順序排列編號(hào)，濾網(wǎng)按設(shè)計(jì)要求包扎固定，以保證成孔后立即下管填礫，防止停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致鉆孔坍塌及其它事故的發(fā)生。

（2）成井材料的選擇：井管（包括井壁管和濾水管）一般選用鋼質(zhì)卷管或鑄鐵管，濾水管技術(shù)規(guī)格應(yīng)以含水層取樣顆粒分析結(jié)果為依據(jù)，一般纏絲間距以0.8～1.5mm為宜，且均勻平整，錫焊牢固，孔隙率要求大于25%。濾水管長(zhǎng)度不小于井管總長(zhǎng)的40%，井管底部之沉淀管長(zhǎng)度一般為3～5m，其底端呈錐形且封口焊死。實(shí)踐中我們認(rèn)識(shí)到，濾水管孔隙率達(dá)不到要求，也是造成供水井涌水量減小、抽水降深增大的一個(gè)重要因素，因此在加工或購(gòu)置濾水管時(shí)應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)。

礫料作為反濾層填充材料，對(duì)水井涌水量和含砂量起著至關(guān)重要的作用。合理的規(guī)格和級(jí)配，既可以保證過(guò)水路徑自由通暢，又能有效阻擋含水層粉細(xì)砂顆粒隨水流涌入井內(nèi)，起到阻砂透水的作用。經(jīng)對(duì)各勘查區(qū)含水層取樣進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn)，確定適宜該類地層的合理的礫徑大小為1～4mm，俗稱“水洗砂”，滿足礫徑要求的礫石含量不得小于85%，濾水管外部的濾網(wǎng)選用60～80目尼龍紗網(wǎng)，疊次螺旋形包裹1～2層。

（3）工法要點(diǎn)：包括下管、填礫、洗井3個(gè)步驟：

第一步：井管安裝。終孔后泥漿粘度由20～25s替換至18～20s，但不宜停滯時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)立即進(jìn)行下管作業(yè)。為保證下入孔內(nèi)的井管周正、垂直且位于井孔中心，避免井管偏靠孔壁導(dǎo)致礫料分布不均而涌砂，一是井管特別是濾水管部位每隔5～6m（一般在單根井管的兩端）焊制一組扶正器；二是井管在孔口對(duì)接過(guò)程中嚴(yán)格把關(guān)，精心操作，用吊線法或經(jīng)緯儀控制井管的垂直度，上下井管中心調(diào)整到一條直線后再對(duì)焊牢固，緩緩下入。

第二步：礫料填充。井管按要求下入孔內(nèi)后，即刻將鉆桿從井管內(nèi)下入井底，然后開(kāi)泵送漿，待泥漿正常循環(huán)且將粘度替換至15～18s后，開(kāi)始采用小泵量動(dòng)水填礫。礫料由人工用鐵鍬鏟入，不允許整車傾倒入孔。填礫過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量料面高度，礫料實(shí)際用量與理論用量應(yīng)基本相符，允許誤差不超過(guò)10%，嚴(yán)防礫料搭橋現(xiàn)象的發(fā)生。礫料理論用量：V=0.785（D2-d2）K（D為孔徑，d為管徑，K為超徑系數(shù)）。

第三步：聯(lián)合洗井。洗井過(guò)程要求方法得當(dāng)，工序到位，干凈徹底。實(shí)際施工中一般采用“活塞—空壓機(jī)—提筒—水泵”聯(lián)合洗井法，活塞抽吸破壞井壁泥皮拉實(shí)礫料，空壓機(jī)震蕩洗通水路。洗井作業(yè)應(yīng)持續(xù)2個(gè)回次以上，達(dá)到水清砂凈。洗井活塞選用膠質(zhì)材料，要求形狀規(guī)整，直徑小于井管內(nèi)徑10～20mm為宜。洗井完畢后根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行抽水試驗(yàn)工作，以測(cè)定涌水量及含砂量大小，含砂量按規(guī)范要求應(yīng)小于0.2‰。

4　工程實(shí)例

由我院承擔(dān)的新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)三師某團(tuán)場(chǎng)供水水文地質(zhì)勘查項(xiàng)目，設(shè)計(jì)施工農(nóng)業(yè)灌溉井6眼。該團(tuán)場(chǎng)位于塔克拉瑪干沙漠西緣，葉爾羌河沖積平原下游，含水層為第四系粉細(xì)砂層，水位埋深5～8m。要求通過(guò)供水水文地質(zhì)勘查，在團(tuán)場(chǎng)北部100km2范圍內(nèi)圈定富水區(qū)域，并布設(shè)施工一定數(shù)量的農(nóng)業(yè)灌溉井，滿足日供水量15000m3/d以上的農(nóng)田供水需要。因施工工藝合理，技術(shù)方法得當(dāng)，故取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，為該團(tuán)場(chǎng)后續(xù)農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)提交了合格的水源地。

我們?cè)诔浞盅芯恳酝鶇^(qū)域水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，適當(dāng)布置物探剖面，進(jìn)行地面物探工作，初步圈定富水地段。然后據(jù)此布設(shè)并施工了SK1和SK2計(jì)2眼探采結(jié)合井，其施工情況及完成的工作量如下：

SK1井：選用?560mm筒狀肋骨鉆頭鉆進(jìn)，成孔平均直徑（測(cè)孔儀實(shí)測(cè)）?580mm，鉆孔深度120m，成孔后下入?377mm鋼質(zhì)卷管。濾水管打眼纏絲，長(zhǎng)度36m（占井管總長(zhǎng)的30%），孔隙率25%，纏絲間距1.5mm，表面疊次螺旋形包裹60目尼龍紗網(wǎng)2層。井管安裝完畢后，在孔壁與井管之間的環(huán)狀間隙內(nèi)動(dòng)水填充3-6mm礫料（俗稱綠豆砂），形成的反濾層厚度約10mm，最后按技術(shù)要求洗井抽水。SK1井抽水試驗(yàn)結(jié)果為：?jiǎn)尉克?40m3/h，抽水降深16.8 m，含砂量達(dá)0.35‰。下入120m3/h潛水電泵連續(xù)抽水，出水量基本穩(wěn)定，但含砂量明顯超標(biāo)。

SK2井：鑒于SK1井抽水試驗(yàn)結(jié)果不甚理想，我們?cè)赟K2井施工中以提高反濾層厚度、改變礫料規(guī)格、增大過(guò)水?dāng)嗝婧烷L(zhǎng)度作為主攻方向和突破口，具體改進(jìn)措施為：將筒狀肋骨鉆頭外徑增大至?680mm，成孔平均直徑（測(cè)孔儀實(shí)測(cè)）達(dá)到?700mm，鉆孔深度120m，成孔后下入?377mm鋼質(zhì)卷管。濾水管打眼纏絲，長(zhǎng)度增加至48m（占井管總長(zhǎng)的40%），孔隙率增大至35%，纏絲間距縮小至1.0mm，表面疊次螺旋形包裹60目尼龍紗網(wǎng)1層。井管安裝完畢后，在孔壁與井管之間的環(huán)狀間隙內(nèi)動(dòng)水填充1～4mm礫料（俗稱水洗砂），形成的反濾層厚度達(dá)到16mm，最后按技術(shù)要求洗井抽水。SK2井抽水試驗(yàn)結(jié)果為：?jiǎn)尉克窟_(dá)220m3/h，抽水降深僅為10.2m，含砂量降低至0.1‰。下入200m3/h潛水電泵連續(xù)抽水，出水量穩(wěn)定，達(dá)到了水清砂凈的目的。

在成功施工SK2井的基礎(chǔ)上，我們?cè)诟凰囟斡植荚O(shè)施工了4眼供水井，下入揚(yáng)程25m、出水量200m3/h的潛水電泵，經(jīng)群組機(jī)電井連續(xù)開(kāi)泵運(yùn)行，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足規(guī)范要求，6眼供水井日供水量達(dá)到20000m3/d以上。

[1]GB50027-2001供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].2001.

[2]GB50296-99供水管井技術(shù)規(guī)范[S].1999.

[3]李豐德,李娟.奇臺(tái)縣井灌區(qū)機(jī)電井報(bào)廢率逐年增高的原因及對(duì)策建議[J].地下水,2007（1）.

[4]秦福剛,李磊.松散層水源井成井工藝研究[J].地下水,2007（5）.

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1004-5716(2015)07-0045-03

2014-07-30

宋祥昌（1971-），男（漢族），甘肅臨澤人，工程師，現(xiàn)從事探礦工程技術(shù)與管理工作。