水文孔同徑抽水試驗(yàn)止水方法研究

王海軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710054)

在煤田地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探過(guò)程中如何順利進(jìn)行同徑抽水試驗(yàn)是地質(zhì)技術(shù)人員棘手的一件事情，雖然同徑止水試驗(yàn)在鉆探工藝上較為簡(jiǎn)單，但是在止水試驗(yàn)操作工藝上有其復(fù)雜性，當(dāng)遇到抽水試驗(yàn)段膠結(jié)松散需要下花管進(jìn)行護(hù)壁時(shí)，這一問(wèn)題顯得更為突出，目前常用的止水工藝主要是采用變徑連接人為制造臺(tái)階達(dá)到上下段分離止水［1-4］，其二是下入特制的止水器進(jìn)行止水［5-8］。變徑連接存在安全隱患，尤其是在抽水試驗(yàn)設(shè)備及流量測(cè)井儀器下入和提升通過(guò)該段是這一問(wèn)題顯的更為突出，特制止水器的應(yīng)用對(duì)操作人員及設(shè)計(jì)人員要求較高，操作難度大，不具有普遍適應(yīng)性。因此如何選擇簡(jiǎn)單、高效的止水施工工藝，是同徑抽水試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，目前同徑止水有三種工藝即同徑直接止水和同徑套管與花管連接止水、分離止水，文中詳細(xì)介紹較為少見(jiàn)的同徑套管、花管分離止水工藝。

1 常用止水方法

水文地質(zhì)鉆探經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，隨著新的技術(shù)、新的材料的出現(xiàn)，止水方法不斷的發(fā)展，按照不同的分類(lèi)方法可以分為以下幾種:

按照止水材料類(lèi)型劃分:海帶止水、止水膠帶止水、粘土止水、桐油止水、瀝青止水、水泥及水玻璃止水、膨脹條及橡膠止水等［1］;

按照止水器的不同劃分:提拉壓縮式止水器、支撐管式止水器、膠囊止水器、封隔器及托盤(pán)止水器等［6-8］;

按照下入止水套管與否劃分:套管止水、無(wú)套管水泥止水等;

按照止水位置孔徑劃分:同徑止水和異徑止水。

以上各種止水方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)條件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。但是不論采用何種材料、止水器對(duì)在成孔的工藝要求無(wú)異乎同徑和異徑兩種。這兩種工藝中異徑止水是水文技術(shù)人員經(jīng)常使用的，也是傳統(tǒng)的方法之一，具體的施工工藝相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)中都有詳細(xì)得到介紹，文中不在重復(fù)。

2 同徑止水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)同徑抽水試驗(yàn)是否下入花管、花管與套管的連接關(guān)系，將其分為以下三種模型:同徑直接止水(圖1(A))、同徑套管花管連接止水(圖1(B))以及同徑套管于花管分離止水(圖1(C))。其中前兩種工藝在相關(guān)文獻(xiàn)中有詳細(xì)的介紹，重點(diǎn)介紹同徑套管與花管分離止水施工工藝以及該工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、存在的問(wèn)題和施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)把握的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 同徑止水試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.1 施工工藝

在完成地質(zhì)鉆探任務(wù)后，地質(zhì)人員對(duì)鉆孔的巖性、孔徑以及RQD等有了初步的了解，對(duì)于抽水試驗(yàn)段孔壁完整的鉆孔而言，可以選擇裸眼抽水，而當(dāng)抽水試驗(yàn)段孔壁完整性差，需要下入花管護(hù)壁時(shí)，技術(shù)人員將面臨花管與套管分離(圖1-C)還是連接的工藝選擇(圖1-B)。同徑花管與套管分離止水是首先下入套管，之后下入護(hù)壁套管從而完成止水，具體施工工藝如下(圖2):

圖2 同徑花管與套管分離止水試驗(yàn)工藝

(1)成孔:按照地質(zhì)設(shè)計(jì)對(duì)鉆孔取芯、孔徑、深度、層位、鉆井液等要求完成成孔任務(wù);

(2)地球物理測(cè)井:按照地質(zhì)人員的要求完成地球物理測(cè)井，取得第一手的地質(zhì)資料;結(jié)合鉆探資料分析含水層的位置、性質(zhì)、孔徑變化等;確定下管的位置深度、長(zhǎng)度等參數(shù);

(3)通孔:在下管之前首先必須進(jìn)行通孔，保證后續(xù)下管的順利進(jìn)行;

(4)下管:用反絲鉆具將花管下入到預(yù)定深度后起鉆(圖2(A));

(5)架橋:在花管的頂部入架橋物(圖2(B))，如木塞、草把等，將黃泥球投入到橋的頂部然后用鉆具反復(fù)敦實(shí)或注入計(jì)算攪拌好的水泥量，要求高度3～5 m(圖2(C));

(6)下管:架橋合格后下入止水套管(圖2(D));

(7)掃孔:用鉆具將花管與套管連接長(zhǎng)1～2 m的木塞導(dǎo)向掃至設(shè)計(jì)位置;

(8)止水:在下入套管前在套管壁上預(yù)留小眼，注入一定量的水泥漿，使其在環(huán)狀間隙內(nèi)達(dá)到預(yù)定的高度，待水泥的凝固(圖2(E));

(9)止水效果檢查:待4～6小時(shí)后水泥初凝，在管內(nèi)注滿(mǎn)水，觀(guān)測(cè)水位變化，檢查套管的密閉性(圖2(E));滿(mǎn)足要求后再次透孔，透至套管底部0.50左右再次灌滿(mǎn)水檢查液面的變化，檢查套管底部的密閉性(圖2(F));

(10)透孔:止水效果檢查合格后將所架橋用鉆具透開(kāi)，進(jìn)行下一階段施工(圖2(G))。

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)及存在的問(wèn)題

2.2.1 止水工藝優(yōu)點(diǎn)

(1)花管的下入其一保證了抽水試驗(yàn)的順利進(jìn)行，其二花管的下入可以避免在抽水井附近由于水位降深而引起垂直水流分量，尤其是在對(duì)非完整井進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)可以避免對(duì)其的修正;

(2)與傳統(tǒng)的異徑止水相比較。同徑止水在成孔的工藝上可以減少對(duì)鉆孔的擴(kuò)孔工序，大大減少了施工費(fèi)用和縮短了工期;

(3)與同徑套管與花管連接止水工藝相比較，該工藝在止水效率方面更高，可以實(shí)現(xiàn)快速，高效止水，同時(shí)多數(shù)同徑套管花管連接止水工藝是在選擇孔徑變徑，只是套管與花管同徑，其實(shí)質(zhì)是在套管或者花管外人為的制造止水臺(tái)階后進(jìn)行止水，且在相同的條件下止水效果的檢查具有一定的難度，尤其是對(duì)止水臺(tái)階的檢查;

(4)容易起拔，不受孔內(nèi)具體位置限制。

2.2.2 存在問(wèn)題

(1)該工藝對(duì)鉆孔質(zhì)量孔斜要求較高，要求花管與套管在分離下入鉆孔后兩者的銜接部位孔壁完整性較好，架橋段孔徑較為規(guī)則，兩者的中心線(xiàn)相差不大，必須保證后續(xù)施工如鉆具、水泵、測(cè)管以及流量探管在銜接部位順利的通過(guò);

(2)對(duì)于潛水區(qū)如果地下水位低于止水位置，套管與花管連接段銜接偏差大，則有為后續(xù)施工埋下安全隱患，如果對(duì)于承壓含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)，其水頭高度高于止水位置高度，即時(shí)二者有偏差，仍然可以保證后續(xù)施工順利進(jìn)行。

(3)適用于沉積巖區(qū)基巖止水，且止水段或者抽水試驗(yàn)段與上部止水段巖層相對(duì)比較完整的地區(qū)效果較好，而對(duì)于破碎帶以及松散巖層還有待于進(jìn)一步探討和實(shí)踐。

2.3 施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

該工藝的成功與否在于對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把握，主要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)有以下幾個(gè)方面:

(1)架橋段的選擇:根據(jù)鉆探巖性、測(cè)井物性反映以及井徑資料等綜合判定選擇巖性堅(jiān)硬、井壁較完整、井徑規(guī)則的井段為架橋段;

(2)在下入花管和套管的外壁上必須焊接扶正肋條，保證分離的套管與下部的花管中軸線(xiàn)基本吻合，尤其是下入花管的頂部和套管的底部;

(3)套管與花管的距離即架橋段不宜太大，應(yīng)該控制在0.5m左右為宜;

(4)在進(jìn)行洗孔及抽水試驗(yàn)之前一定要確保下入架橋物質(zhì)完全被掃除或沉入孔底，方可進(jìn)行下一步操作。

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)例1-陜西侏羅紀(jì)煤田永隴礦區(qū)煤炭勘查應(yīng)用

2009～2014年期間我單位在永隴礦區(qū)相繼承擔(dān)了多個(gè)勘查區(qū)的水文地質(zhì)勘探，鉆孔自下而上揭露地層為三疊砂巖段、延安組砂巖夾煤層含水層段、直羅組砂巖含水層段、安定組泥巖段夾砂巖隔水層段、宜君組和洛河組礫巖含水層段，其中延安組、直羅組是區(qū)內(nèi)的直接充水含水層段即主要抽水試驗(yàn)段;鉆孔深度為550 m～1250 m，所有鉆孔均揭露完整的侏羅系煤系地層。

延安組以砂巖夾泥巖、煤層為主，其頂部發(fā)育一套雜色泥巖具有遇水膨脹，巖體質(zhì)量差，巖石破碎極易風(fēng)化;直羅組巖性以砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)、固結(jié)程度差，尤其是在直羅組的底部普遍發(fā)育有一套厚層狀砂巖，遇水易崩解，軟化性強(qiáng)耐水性差，俗稱(chēng)“豆腐渣”砂巖。

為了提高勘探的效率加快煤炭資源勘探的步伐，根據(jù)不同地質(zhì)條件采用了三種同徑抽水試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚樌瓿闪硕鄠€(gè)水文孔的抽水試驗(yàn)。尤其是利用花管與套管的分離止水和連接止水工藝對(duì)直羅組、延安組混合抽水鉆孔的成功應(yīng)用，為搞清工區(qū)延安組、直羅組水文地質(zhì)參數(shù)為評(píng)價(jià)含水層富水性、計(jì)算礦井涌水量第一手資料(見(jiàn)表1)。

3.2 實(shí)例2-南方某礦井井筒檢查孔施工

2011年我單位在南方某省承擔(dān)了某礦井井筒檢查孔5個(gè)井筒檢查孔，鉆遇地層自下而上有煤系龍?zhí)督M，長(zhǎng)興組、卡以頭組、飛仙關(guān)組(一、二、三、四段)，和永寧鎮(zhèn)組。其中永寧鎮(zhèn)組以灰?guī)r為主夾泥灰?guī)r及泥巖薄層，飛仙關(guān)組以砂巖為主，卡以頭組以泥巖為主夾、長(zhǎng)興組以砂巖為主、龍?zhí)督M以砂巖夾煤、泥巖為主。

表1 鉆孔抽水試驗(yàn)參數(shù)成果表

表2 鉆孔抽水試驗(yàn)參數(shù)成果表

鉆孔落點(diǎn)在12號(hào)煤層底板，深度為752.00 m，未揭露底部的峨眉山組，為非完整井采用非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn);其中12煤層為主力煤層，厚度12.97 m，為構(gòu)造煤粉煤，頂?shù)装逡阅鄮r為主，其中鉆遇一條逆斷層，在鉆探過(guò)程中漏失嚴(yán)重，鉆后涌水。為順利完成抽水試驗(yàn)獲取水文地質(zhì)參數(shù)，設(shè)計(jì)下入花管至12煤層的底735 m至止水試驗(yàn)段底部535 m，含水層厚度72.18 m;為了保證煤層及斷層破碎帶對(duì)鉆孔抽水試驗(yàn)的影響，下入108 mm花管上部為同徑套管，采用上述工藝進(jìn)行止水并獲取了如下表2水文地質(zhì)參數(shù)，為礦井開(kāi)采提供參考。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)同徑抽水止水試驗(yàn)可以分為:同徑直接止水、同徑套管與花管分離止水、同徑套管與花管連接止水三種模型，針對(duì)不同的地質(zhì)條件和施工技術(shù)要求可以選擇不同的工藝，在施工的過(guò)程中把握相應(yīng)工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以保證施工的順利進(jìn)行。

(2)通過(guò)不同區(qū)內(nèi)同徑套管與花管分離止水試驗(yàn)的成功應(yīng)用，說(shuō)明其在沉積巖區(qū)是可行的，成功的關(guān)鍵是對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把握。

(3)對(duì)于利用該工藝在斷層破碎帶抽水試驗(yàn)還未進(jìn)行嘗試，在今后的工作實(shí)踐中進(jìn)一步探索。

［1］楊建新，劉王新.同徑止水分層抽水孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).1996，4，45-48.

［2］王永全，段貴銀.同徑止水法在大口徑供水井施工中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤田地質(zhì).1995，12，7(4):77-79.

［3］國(guó)永久.單孔兩段抽水試驗(yàn)的分離止水法［J］.地下水.1994，1，16(1):13-15.

［4］黃常晉.鉆孔簡(jiǎn)易同徑止水器及止水方法［J］.地質(zhì)與勘探.1978，3(2):77-80.

［5］姚忠?guī)X，孫砥夫，郎宏偉，等.海拉爾盆地抽水試驗(yàn)止水方法的探究［J］.城市建設(shè).2010(24):60-61.

［6］張必輝，何小寧.管內(nèi)異徑止水接頭抽水和洗井新方法［J］.地下水.1991(3):19-20.

［7］王衛(wèi)東.分層隔離封隔器在煤層氣試井中的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭地質(zhì)..2008，20(S1).

［8］邢振德.水源井同徑套、篩管封井止水工藝［J］.中國(guó)煤田地質(zhì).2007，83-85.

［9］陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田老爺嶺東勘查區(qū)煤炭資源勘探報(bào)告［R］，中煤科工集團(tuán)西安研究院.2014.