CMT管監(jiān)測井在北京地區(qū)的應(yīng)用

張建良

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

·地質(zhì)與礦業(yè)工程·

CMT管監(jiān)測井在北京地區(qū)的應(yīng)用

張建良*

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048）

CMT管監(jiān)測井從國外引入，但國外的地層與國內(nèi)不同，因此沒有經(jīng)驗(yàn)可借鑒，通過認(rèn)真分析，制定了4套技術(shù)方案，最終將CMT管監(jiān)測井試驗(yàn)成功，解決了孔壁坍塌和洗井難的問題，為今后CMT管監(jiān)測井在國內(nèi)的推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

CMT管；孔壁坍塌；洗井

隨著地下水污染的日益嚴(yán)重，現(xiàn)在急需了解不同的含水層的水文地質(zhì)條件，包括水質(zhì)、水位、水量等。以往的慣例施工多眼監(jiān)測井，不同的深度，分別對應(yīng)不同的含水層，這樣就能監(jiān)測不同含水層的水文地質(zhì)情況，這種做法施工工藝簡單、風(fēng)險(xiǎn)小、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是造價(jià)高、占用的地方大，如果在城市，許多地方?jīng)]有施工場地，并且寸土寸金，占地補(bǔ)償也相當(dāng)高，為此現(xiàn)在開始推廣“一孔多管”的施工工藝，即將施工口徑加大，同一個(gè)孔可以下入3個(gè)不同深度的井管，分別對應(yīng)不同的含水層，這樣在同一井內(nèi)，可以達(dá)到監(jiān)測3個(gè)含水層的目的，減少了占地面積，減低了成本。國外一些地方開始推廣使用CMT管監(jiān)測井，一個(gè)孔內(nèi)只下一根CMT管，就可以監(jiān)測7個(gè)含水層的情況，這樣占地面積更少，可同時(shí)檢測7個(gè)含水層的地下水情況，這將是今后監(jiān)測井的發(fā)展方向。

1 CMT管概況

CMT是Continuous Multichannel Tubing的英文首字母縮寫，翻譯成中文是連續(xù)多通道管，它最早從加拿大引進(jìn)，它的外形很像一個(gè)蓮藕，中間有一個(gè)通道，四周有環(huán)繞的6個(gè)通道，各通道直接互不相連，一根CMT管可以監(jiān)測7個(gè)不同含水層的水文地質(zhì)情況。

CMT管監(jiān)測井在北京還沒有施工的先例，因此沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，我們想通過實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步推廣和使用CMT管監(jiān)測井。

2 工程概況

我們計(jì)劃施工7眼CMT管監(jiān)測井，施工的地點(diǎn)選擇北京通州區(qū)張家灣。具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 CMT監(jiān)測井設(shè)計(jì)方案

CMT管監(jiān)測井共施工7眼，分成3排，第一排1眼，第二、三排都是3眼，井位之間的橫向和豎向間距都為1m，每眼井的設(shè)計(jì)深度為35m，下入的CMT管外徑為2英寸，即50mm。在CMT管監(jiān)測井的左右1m處分別施工注水井和抽水井各1眼。其中注水井和抽水井采用PVC管，外徑4英寸，即100mm，全孔濾水管。

施工完成后，通過注水井向井內(nèi)注入試驗(yàn)用水，然后在抽水井中下入水泵進(jìn)行抽水，在這同時(shí)要檢測7眼CMT監(jiān)測井的不同含水層的水文地質(zhì)情況，進(jìn)行科學(xué)研究地層情況。

3 施工方案選擇

在討論技術(shù)方案時(shí)，必須解決2個(gè)問題，一是孔壁坍塌問題，二是洗井問題，這2個(gè)都很關(guān)鍵，其中有一個(gè)出問題，就會前功盡棄。

3.1 孔壁坍塌問題

監(jiān)測井施工完成后，要立刻下入CMT管，由于CMT管分7層監(jiān)測，每5m監(jiān)測一個(gè)地層，因此需要分段填入礫料，每層礫料之間用粘土球止水。填礫和粘土球止水的位置很重要，要求不能有任何差錯，因此在填礫和填粘土球過程中，需要邊填邊測量，即使一小段，也要測幾次，才能保證位置準(zhǔn)確無誤，因此時(shí)間就比較長，因此裸眼長時(shí)間放置可能造成孔壁坍塌，從而造成該井報(bào)廢。因此在施工方案選擇上，必須考慮如何防止孔壁坍塌的問題。

3.2 洗井問題

如果采用泥漿正循環(huán)鉆進(jìn)，泥漿可以保證井壁不坍塌，泥漿會堵塞含水層，CMT管的內(nèi)徑很小，不能采用常規(guī)的洗井工藝，因此洗井是個(gè)大問題。按照國外的施工要求，所說的洗井不是安裝CMT井管之后的洗井，因?yàn)镃MT井管的篩孔很小，根本不足以執(zhí)行“洗井”操作。所謂的洗井指的是CMT安裝之前對裸孔或有篩管護(hù)壁的鉆孔進(jìn)行抽水的過程。這個(gè)過程非常重要，因?yàn)槿绻辉诖穗A段將反循環(huán)鉆進(jìn)中形成的泥皮洗凈或基本洗凈的話，CMT系統(tǒng)將會很快堵塞，很難成功。

如果監(jiān)測井施工完成后，先洗井后下入CMT管，會造成井壁坍塌問題；如果不洗井，直接下CMT管，又會造成洗井不徹底，這是很矛盾的，因此洗井步驟是關(guān)系到CMT安裝成敗的關(guān)鍵步驟。

3.3 鉆機(jī)選擇

在國外施工CMT監(jiān)測井時(shí)，一般采用聲波地質(zhì)鉆機(jī)，價(jià)格比較昂貴，國內(nèi)一般單位沒有這種鉆機(jī)，因此我們這次施工時(shí)，盡可能采用國內(nèi)現(xiàn)有的鉆探設(shè)備。

3.4 施工技術(shù)方案

我們共制定了4套技術(shù)方案，邀請了一些專家進(jìn)行了反復(fù)技術(shù)論證，最后確定切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)方案。

方案一：使用?250mm的鉆頭，下入?150mm的篩管，在管外按照設(shè)計(jì)要求，分層填礫止水，洗井至水清砂凈，然后在PVC管內(nèi)下入?50mm的CMT管，再分層填礫止水。按照這個(gè)方案，篩管外和CMT管外將分別有50mm左右的空間進(jìn)行止水操作。

方案二：在打井時(shí)下一根直徑接近孔徑的篩管，這樣周圍的地質(zhì)體塌孔后可自然附著在篩管外壁，這樣的情況下篩管外壁不需要填料，垂向上基本可以保持原有的水力特性，同時(shí)也可以順利洗井。

方案三：采用勘察鉆機(jī)，施工口徑?108mm，用?127mm跟管鉆進(jìn)，下入保護(hù)套管，在保護(hù)管內(nèi)下入50mm的CMT管，填入一定深度的礫料和粘土球后，拔出保護(hù)套管，邊填邊拔管，全部套管拔出后即可完井。

方案四：采用泵吸反循環(huán)施工工藝，成井后立刻下入CMT管，分層填礫止水，由于是反循環(huán)施工，不存在泥漿堵塞含水層的情況，洗井比較容易。

經(jīng)過綜合考慮，得出以下結(jié)論：方案一存在的問題：按照國家規(guī)范要求，鉆孔直徑比濾水管直徑至少要大150～200mm，主要是考慮礫料厚度，如果礫料厚度太薄，起不到隔砂效果，孔內(nèi)會進(jìn)沙子，用不了多久，進(jìn)入井內(nèi)的沉沙會堵塞濾水管，造成不出水現(xiàn)象，另外一個(gè)原因先洗井會擾動地層。方案二存在的問題：垂向上沒有止水，可能造成上下含水層之間的流通，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。決定首先采用方案三，如果方案三在施工過程中出現(xiàn)問題，那就采用方案四。

4 施工工藝

4.1 方案三的施工工藝

2011年5月12日，設(shè)備進(jìn)場施工，采用的是SH-30型鉆機(jī)，張家灣的地層以砂層、粉細(xì)砂為主，采用?108mm鉆頭，跟管采用?127mm的套管，施工井深為36m，下入?50mm的CMT管，然后填入礫料和粘土球。由于?127mm的壁厚為5.5mm，內(nèi)徑為116mm，和50mm的CMT管之間的環(huán)狀間隙只有33mm，已經(jīng)很小了，因此礫料采用2～4mm的小礫料，粘土球采用特制的直徑為?10mm、長度為20mm的顆粒粘土球。

考慮到洗井問題，將入井的礫料全部經(jīng)過水洗干凈后才投入井內(nèi)，這樣就去除礫料內(nèi)的細(xì)砂，保證進(jìn)入監(jiān)測井內(nèi)的水中含砂量更低，縮短洗井時(shí)間。

當(dāng)粘土球填至23m處，由于環(huán)狀間隙太小，造成粘土球蓬住，經(jīng)反復(fù)敲打、沖水，處理無效，只好停止處理。準(zhǔn)備上提CMT管時(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)提不動，用鋼絲繩用力拉，將CMT管拉斷，造成該井報(bào)廢，損失了35米CMT管。通過這次試驗(yàn)，證明采用勘察鉆機(jī)施工的方案三有缺陷，行不通，只能采用方案四，即采用泵吸反循環(huán)施工工藝。

4.2 方案四的泵吸反循環(huán)施工工藝

由于該孔比較淺，采用泵吸反循環(huán)工藝沒有問題，但是泵吸反循環(huán)存在超徑系數(shù)大問題，需要解決的問題：一是將反循環(huán)鉆頭改小，由于受反循環(huán)鉆桿限制，最小只能到?300mm。二是在施工過程采用跳躍式、間隔式施工，即施工完2#施工4#。三是為了更加穩(wěn)妥，將原設(shè)計(jì)方案中的每眼監(jiān)測井間隔由1m改成2m，這樣保險(xiǎn)系數(shù)更大，經(jīng)和設(shè)計(jì)人員商量，最終更改了每眼井的橫向和豎向間距，全部由1m改成了2m。四是如何防止孔坍塌問題，由于泵吸反循環(huán)采用清水施工，地層又是砂層和粉細(xì)砂，極易塌孔。我們在現(xiàn)場準(zhǔn)備了足夠的水源，保證施工過程中，孔內(nèi)的液面始終是滿的，平衡了地層壓力，保證了孔壁不坍塌。施工鉆機(jī)采用反循環(huán)-100型鉆機(jī)。

施工過程中很順利，由于各細(xì)節(jié)考慮周到，沒有發(fā)生孔坍塌問題，在填礫料和粘土球過程中，緩慢從四周均勻填入，也沒有發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

洗井分2步，一是采用空壓機(jī)洗井，將孔內(nèi)的粉細(xì)砂吹凈；二是采用水泵進(jìn)行抽水，達(dá)到水清砂凈的效果。

由于CMT管外徑為50mm，分7個(gè)孔，每個(gè)孔的直徑不超過15mm，不能使用大型空壓機(jī)，只能采用小型設(shè)備，我們采用DB-1/30型空氣壓縮機(jī)來洗井，風(fēng)量1.0m3/min，風(fēng)壓為3.0MPa，用?10mm的塑料軟管分別插入7個(gè)孔內(nèi)進(jìn)行單獨(dú)洗井，將孔內(nèi)的細(xì)砂吹出。塑料軟管必須是整根的，中間不能有接口，防止在起拔過程中，塑料軟管從接頭處打開，影響該孔的今后使用，例如下測線、取水樣等。由于塑料軟管比較輕，因此在剛開始送風(fēng)時(shí)，用手柄控制壓風(fēng)機(jī)風(fēng)量，不能太大，以免將洗井軟管吹出，在洗井過程中逐漸增加風(fēng)量，根據(jù)實(shí)際具體情況，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

考慮到CMT管有7個(gè)孔，一個(gè)個(gè)的洗，比較耽誤時(shí)間，因此將空壓機(jī)的出風(fēng)口接了個(gè)三通，連接了3根塑料軟管，這樣一次就可以洗3個(gè)孔了，節(jié)約了時(shí)間。另外在洗井過程中，將不洗的孔蓋好，防止上來的臟水進(jìn)入其他孔內(nèi)，造成二次污染，增加不必要的工作量。

在洗井過程中，出現(xiàn)了新問題，發(fā)現(xiàn)有的孔含泥沙比較多，壓風(fēng)機(jī)洗井吹不上來，后來采用水沖反洗法，也就是在地面用高壓水通過塑料軟管，往井內(nèi)注水，使孔內(nèi)的泥沙隨高壓水注入地層，然后再改用空壓機(jī)洗井，效果相當(dāng)不錯。

每個(gè)孔洗完后，在地面安裝小型自吸泵，將?50mm的CMT管的7個(gè)通道，每個(gè)都分別和自吸泵的吸水口進(jìn)行連接，這樣就保證7個(gè)孔都進(jìn)行了水泵洗井，最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求，水清砂凈。

5 結(jié)語

通過對北京通州張家灣CMT監(jiān)測井的成功施工，為CMT管的推廣積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)，但是張家灣地區(qū)水位一般在5m左右，比較淺，地層以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，施工比較容易，如果在其他地區(qū)，水位較深，地層復(fù)雜，施工難度大，那么施工CMT監(jiān)測井還需要進(jìn)一步研究。

[1] 張建良.通州張家灣監(jiān)測井成井報(bào)告[R].北京市地質(zhì)工程勘察院，2011.

圖1 青杠坪段zk22-4破碎帶巖芯照片

（1）對于孔壁穩(wěn)定性問題，應(yīng)根據(jù)鉆遇地層孔壁失穩(wěn)的機(jī)理制定相應(yīng)的技術(shù)措施才能達(dá)到穩(wěn)定孔壁的目的。針對硬脆碎地層孔壁不穩(wěn)定，應(yīng)降低失水量減小孔隙壓力，增加泥漿的封堵性能和孔壁巖體的膠結(jié)能力。

（2）從攀西火山巖的特點(diǎn)出發(fā)，分析了其在斷層破碎帶地層的不穩(wěn)定因素，從降低泥漿濾失量、增加泥漿封堵能力和增加泥漿的膠結(jié)能力三方面出發(fā)，解決了硬脆碎地層由于液體的進(jìn)入造成孔隙壓力上升效應(yīng)力下降、減小了液體進(jìn)入不穩(wěn)定孔段，增大了破碎孔壁巖體之間的膠結(jié)力，從而達(dá)到了穩(wěn)定孔壁的目的，對類似的地層孔壁穩(wěn)定提供了借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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TE271

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1004-5716(2015)02-0081-03

2014-03-14

2014-03-17

張建良（1971-），男（漢族），河北高邑人，高級工程師，現(xiàn)從事水文水井、地?zé)峋@探新工藝、新技術(shù)研發(fā)工作。