深井分層真空抽水試驗(yàn)及機(jī)理分析

何計(jì)彬， 潘德元， 李炳平， 葉成明

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

深井分層真空抽水試驗(yàn)及機(jī)理分析

何計(jì)彬1，2， 潘德元1，2， 李炳平1，2， 葉成明1，2

(1.國(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

基于某單井分層真空抽水綜合試驗(yàn)，使用新型分層抽水試驗(yàn)裝置，對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使分層抽水工作省時(shí)高效、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。將該工藝方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與常規(guī)方法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究地層、真空負(fù)壓對(duì)抽水效果的影響，并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，得出真空分層抽水井管周圍滲流場(chǎng)的變化性狀。對(duì)比試驗(yàn)表明，分層真空抽水工藝方法在提高單井出水量、洗井效果上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

深井；分層抽水；真空負(fù)壓；抽水試驗(yàn)；洗井

0 引言

國(guó)土資源大調(diào)查中的水文地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘探、地下水污染評(píng)價(jià)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程中地下空間的合理開(kāi)發(fā)、基礎(chǔ)工程建設(shè)等領(lǐng)域，對(duì)不同含水層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要，目前國(guó)內(nèi)外沒(méi)有先進(jìn)的技術(shù)方法或裝置能夠簡(jiǎn)易快速地對(duì)同一井孔內(nèi)所有層位地下水參數(shù)及關(guān)系進(jìn)行測(cè)定。

通過(guò)施工鉆孔實(shí)施抽水試驗(yàn)獲取不同埋深含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，普遍采用以下2種工法：一是針對(duì)每一個(gè)含水層位都施工一眼勘探井，分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)以求取其不同含水層水文地質(zhì)參數(shù)；二是根據(jù)小口徑取心地層編錄與物探測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)所確定含(隔)水層的深度、厚度及巖性，設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)、采用復(fù)雜的施工工藝，分階段鉆井(按層段分級(jí)擴(kuò)孔)、分階段成井施工(視地層穩(wěn)定性需要確定下入套管的層次)、分段進(jìn)行抽水試驗(yàn)。但上述工藝方法均存在較多缺點(diǎn)，前者雖施工工藝簡(jiǎn)單，但需要施工的井?dāng)?shù)多、占地面積大、鉆探工作量繁重、經(jīng)濟(jì)投入大，目前已很少采用；后者雖然可以在一個(gè)井孔中進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，較大地節(jié)約了施工不同鉆孔的費(fèi)用，但需要根據(jù)含水層層數(shù)進(jìn)行分段鉆井下套管變換口徑，再分段成井，鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝復(fù)雜，并且施工、試驗(yàn)間隔進(jìn)行，需要較長(zhǎng)的施工時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間，不經(jīng)濟(jì)，容易出現(xiàn)各類鉆井事故。

因此，設(shè)計(jì)制造一種新型分層抽水裝置，以達(dá)到有效快速地在同一井孔內(nèi)(鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可一徑到底，不需要變徑)對(duì)多含水層進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，掌握不同含水層水文地質(zhì)參數(shù)，使其具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、可靠，有一定的推廣性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)于單井分層抽水裝置及工藝方法進(jìn)行了較多探討與實(shí)踐。常用工法與抽水器具如下[1-3]。

1.1 管內(nèi)止水托盤架橋封隔

鉆擴(kuò)孔施工結(jié)束后，依照上述所確定的含水層、隔水層各層段深度、厚度、對(duì)應(yīng)層段鉆孔口徑，進(jìn)行濾水管、井壁管、止水托盤的排序，檢查無(wú)誤后焊接止水盤、用止水橡膠或海帶纏好，不同口徑的濾水、井壁管焊接并準(zhǔn)確地下入井內(nèi)，管井環(huán)狀空間相應(yīng)位置圍填礫料與黏土球分層止水(厚度一般大于5 m)管外止水是分層抽水工作成功的基礎(chǔ)和前提。然后，井內(nèi)自上往下依次進(jìn)行不同層段的含水層抽水試驗(yàn)。

1.1.1 對(duì)隔水層以上含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)

首先，在第一個(gè)含水層隔水底板對(duì)應(yīng)的套管內(nèi)架橋封隔(封隔長(zhǎng)度應(yīng)大于5 m)，使上層水與下層水隔離(如圖1所示)。

圖1 隔水層以上含水層抽水示意圖

具體操作為：向井管內(nèi)下入一定長(zhǎng)度起支撐作用的鉆桿,并在鉆桿頂部連接一段上部帶有一定長(zhǎng)度反絲扣的鋼管(7～10 m)，其下部適當(dāng)位置加工多組止水托盤。用鉆桿將“止水托盤”在井管內(nèi)送到需要分層止水位置,鉆桿底部帶一小段反絲鋼管,俗稱“反絲腦袋”,下到分層止水位置后,鉆機(jī)正轉(zhuǎn),反絲扣反開(kāi),提起鉆桿即可,止水托盤上纏有膨脹橡膠或海帶包，通過(guò)膨脹橡膠或海帶包在井管內(nèi)遇水膨脹,將井管內(nèi)的上下兩層水進(jìn)行隔開(kāi)。為保證止水效果,通常膨脹橡膠或海帶包在井內(nèi)需放置24 h以上，待其充分吸水膨脹后，對(duì)該層段進(jìn)行泵抽法洗井，洗至水清沙凈、水量穩(wěn)定，再進(jìn)行靜止水位觀測(cè)、并配合用壓差、泵壓檢查法進(jìn)行止水檢查，觀測(cè)水位或消耗量變化不超標(biāo)準(zhǔn)，止水成功進(jìn)行分層洗井、抽水試驗(yàn)，該層段抽水結(jié)束后，再下入鉆桿和“反絲腦袋”到分層止水位置進(jìn)行對(duì)扣連接,便可將井管內(nèi)分層止水裝置提出井外。

1.1.2 對(duì)隔水層以下含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)

按照上述方法在要進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)含水層隔水底板位置在井管內(nèi)進(jìn)行架橋封堵，再將隔水頂板以上濾水管用低一級(jí)套管采用懸掛的方法封堵止水，如圖2所示。按上述方法，進(jìn)行止水檢查、洗井、做抽水試驗(yàn)，對(duì)所有含水層逐一進(jìn)行抽水試驗(yàn)直至完成。

圖2 隔水層以下含水層抽水示意圖

綜上所述，對(duì)單井進(jìn)行多含水層分層抽水試驗(yàn)采用上述工法雖然可行有效，并節(jié)約了施工多眼井的管材與資金，但缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜、工序繁瑣。取不同層位的地下水,需要下入、提起,然后再下入、提起,反復(fù)操作2次,施工時(shí)間長(zhǎng),降低效率，并且施工、試驗(yàn)間隔進(jìn)行，需要較長(zhǎng)的輔助管內(nèi)封隔作業(yè)時(shí)間和試驗(yàn)時(shí)間，不經(jīng)濟(jì)、效率低，頻繁地起下器具容易出現(xiàn)各類安全事故。由于在深井抽水試驗(yàn)中,下入、提起分層止水裝置的次數(shù)較多，且對(duì)操作者要求高,操作中存在的事故隱患大,如果稍不注意,可能使分層止水裝置脫落,造成嚴(yán)重事故,對(duì)管井影響很大,甚至造成管井報(bào)廢。在抽取上層水時(shí),需要下入帶有“反絲腦袋”的反絲鋼管,下到位后,需將反絲反開(kāi),使下部的鉆桿和下部的反絲鋼管留在井內(nèi),抽水試驗(yàn)結(jié)束后,再下入“反絲腦袋”,將井底的鋼管和鉆桿提出井內(nèi),這一過(guò)程中,要求操作者經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)水平高,否則可能造成下入時(shí)反絲反不開(kāi),或者準(zhǔn)備提起時(shí),反絲對(duì)不上。

1.2 機(jī)械壓縮雙封止水器

成井過(guò)程中實(shí)施管外分層止水的基礎(chǔ)上，在管內(nèi)對(duì)應(yīng)分層位置下入機(jī)械式止水器，對(duì)井管內(nèi)水進(jìn)行上下分層，并進(jìn)行相應(yīng)的分層抽水試驗(yàn)。機(jī)械壓縮雙封止水裝置主要分3部分組成，雙封止水器、壓縮止水器和花眼鉆桿，如圖3所示。

圖3 機(jī)械壓縮雙封止水器裝置示意圖

1.2.1 對(duì)隔水層以上含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)

這套井管內(nèi)分層止水裝置里面的短鉆桿是可以活動(dòng)的，鉆桿上面焊接錐體，當(dāng)鉆桿全部下入井底后，繼續(xù)下放鉆具，即往下壓使雙封止水器往下走，直到短鉆桿上部接觸密封墊，使下層水進(jìn)入花眼鉆桿后被上部密封墊堵死，此時(shí)錐體與內(nèi)錐盤分開(kāi)，上層水可以通過(guò)它進(jìn)入抽水裝置進(jìn)行上層水抽水試驗(yàn)，如圖4所示。

1.2.2 對(duì)隔水層以下含水層進(jìn)行抽水試驗(yàn)

當(dāng)對(duì)上層水抽水試驗(yàn)結(jié)束后，往上提雙封止水器，使活動(dòng)鉆探上部與密封墊解封，同時(shí)錐體與內(nèi)錐盤密封，封隔上層水進(jìn)入抽水裝置內(nèi)部，而下層水可以通過(guò)花眼鉆桿進(jìn)入抽水裝置內(nèi)，進(jìn)行下層水抽水試驗(yàn)，如圖5所示。

實(shí)踐證明，上述工藝與管內(nèi)架橋封隔止水相比，

圖4 上層水抽水示意圖圖5 下層水抽水示意圖

整套裝置簡(jiǎn)單，但仍存在壓縮止水器管內(nèi)止水失敗、容易損壞、機(jī)械開(kāi)關(guān)不易操作、地表對(duì)管內(nèi)水位不能實(shí)施監(jiān)測(cè)等一些缺點(diǎn)。

2 新型分層抽水器具

該套分層抽水裝置主要由特制充氣膠筒式封隔器，水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、氣管、潛水電泵組成。按照試驗(yàn)方案將充氣式封隔器通過(guò)泵管放置到設(shè)計(jì)位置后，根據(jù)靜水壓力值調(diào)節(jié)地表充氣壓力大小(可選擇空壓機(jī)與儲(chǔ)氣瓶提供氣源)，使封隔器在井管內(nèi)有效座封實(shí)現(xiàn)管內(nèi)上、下層水分層，并可通過(guò)地表可視化監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)對(duì)管內(nèi)封隔器工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保封隔可靠，配合之前成井施工中的分層止水達(dá)到上下含水層分隔的效果。

對(duì)上層水進(jìn)行抽水試驗(yàn)，根據(jù)抽水試驗(yàn)方案與管外分層止水深度，通過(guò)泵管將封隔器置入上、下含水層之間隔水層對(duì)應(yīng)管內(nèi)位置，抽水機(jī)具依次連接方式為潛水泵(水位計(jì))—泵管—封隔器—泵管(水位計(jì))，其中下水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器線纜與水泵電纜在封隔器的特制通道中穿過(guò)并與封隔器供氣管路隨泵管引到井口，然后分別與可視化水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器、配電柜、氮?dú)馄繙p壓閥連接，如圖6所示。準(zhǔn)備就緒后，調(diào)節(jié)減壓閥到所需壓力為封隔器充氣，使封隔器膨脹并有效座封后，啟動(dòng)潛水電泵進(jìn)行正式抽水試驗(yàn)，水位、水溫自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀顯示水位無(wú)變化，證明封隔器座封可靠。

對(duì)下層水進(jìn)行抽水試驗(yàn)，其抽水機(jī)具連接方式為泵管(水位計(jì))—封隔器—泵管(水位計(jì))—潛水泵，如圖7所示。準(zhǔn)備就緒后，按照上述操作對(duì)下層水進(jìn)行抽水試驗(yàn)，下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀顯示水位無(wú)變化，證明封隔器座封可靠。

圖6 上層水抽水機(jī)具組合連接示意圖

圖7 下層水抽水機(jī)具組合連接示意圖

實(shí)踐證明,該套分層抽水裝置安全可靠，效果明顯，操作簡(jiǎn)單，滿足不同井管規(guī)格，宜推廣。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及抽水機(jī)理研究

本次試驗(yàn)主要是對(duì)陜甘寧革命老區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中HMT-K11鉆孔進(jìn)行第四系、第三系分層抽水與混合抽水試驗(yàn)，對(duì)比真空分層抽水與常規(guī)分層抽水條件下，出水量和水位降深的變化關(guān)系；通過(guò)對(duì)2種工況下水位、出水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)一步探討地層、負(fù)壓對(duì)抽水效果的影響；結(jié)合模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)分層真空抽水機(jī)理進(jìn)行深入分析。

3.1 場(chǎng)地基本概況

HMT-K11鉆孔采用XY系列巖心鉆機(jī)與大口徑反循環(huán)水井鉆機(jī)施工，鉆井深度151 m、成井深度150 m、井徑500 mm；成井管材采用壁厚6 mm、管徑273 mm鋼制卷焊管、橋式濾水管，并在井管外側(cè)110 m處安裝?75 mm、壁厚4.8 mm的PVC-U塑料側(cè)管，分層填礫止水；整個(gè)鉆孔貫穿第三系、第四系，包含3個(gè)含水層，其中第三系2個(gè)含水層，第四系1個(gè)含水層，第三系和第四系止水位置在60～72 m；鉆探取心及物探測(cè)井揭示地層巖性為：0.00～19.00 m為粉質(zhì)粘土；19.00～33.00 m為泥質(zhì)粉細(xì)砂與粉質(zhì)粘土互層；33.00～52.00 m為砂礫石；52.00～80.00 m為泥巖夾薄層泥質(zhì)粉砂巖；80.00～102.00 m為泥質(zhì)砂礫巖；102.00～120.00 m為泥巖；120.00～140.00 m為泥質(zhì)粉砂巖；140.00～151.00 m為粉砂巖。

下管：根據(jù)地質(zhì)巖心編錄和測(cè)井解譯地層情況及含水層位置，排列下入管徑273 mm井管為150～138 m為沉淀管；138～114 m為濾水管；114～102 m為井管；102～78 m為濾水管；78～54 m為井管；54～24 m為濾水管；24～+0.3 m為井管；下入管徑75 mm PVC-U塑料側(cè)管，110～+0.3 m。

填礫、止水：井壁管與孔壁之間填入粒徑5～15 mm的卵石礫料及直徑15 mm的機(jī)制粘土球止水材料，返漿投礫填入深度為150～72、60～5 m；止水材料填入深度為72～60、5～0 m。HMT-K11分層成井結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 HMT-K11井分層成井結(jié)構(gòu)圖

3.2 分層抽水出水量、水位隨時(shí)間的變化過(guò)程

通過(guò)對(duì)井管外側(cè)側(cè)管的開(kāi)啟與封堵，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)常規(guī)分層抽水與真空分層抽水工法，對(duì)第三系含水層進(jìn)行抽水對(duì)比試驗(yàn)。

圖9、圖10分別是常規(guī)分層抽水和真空分層抽水條件下，水位隨時(shí)間的變化曲線。從圖9(a)、圖10(a)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)曲線可以看出，在分層抽水過(guò)程中封隔器上部水位沒(méi)有變化，證明該套分層抽水器具工作穩(wěn)定，封隔效果安全可靠；從圖9(b)、圖10(b)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)曲線可以看出，常規(guī)分層抽水與真空分層抽水，水位隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，但在真空負(fù)壓作用下，同等條件下真空分層抽水降深較大。

圖9 常規(guī)分層抽水封隔器水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)曲線

圖10 真空分層抽水封隔器水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)曲線

圖11、圖12分別是常規(guī)分層抽水和真空分層抽水條件下，對(duì)應(yīng)的水位、出水量隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線。從圖11、圖12可以看出，真空分層抽水試驗(yàn)條件下的水位降落漏斗深度要遠(yuǎn)大于常規(guī)分層抽水試驗(yàn)條件下的水位降落漏斗深度，說(shuō)明真空負(fù)壓作用加速了抽水速率，并且使主井附近水位能夠很快降低，增加主井與較遠(yuǎn)地層之間的水力坡度差，從而使水位降低速度增加，降落漏斗深度增大，出水量也更大，從而抽水效果更好[4-8]；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，在經(jīng)歷一段時(shí)間抽水，真空分層抽水工況下出水量會(huì)出現(xiàn)較大的上升過(guò)程而水位出現(xiàn)明顯的下降，這一現(xiàn)象與地層中細(xì)小顆粒在真空負(fù)壓作用下，隨著水的滲流遷移至抽水井外導(dǎo)致地層的滲透性增大有關(guān)。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可看到，在常規(guī)抽水洗井至水清砂凈后，再使用分層分段洗井，排出的水非常渾濁，而后來(lái)隨著排出水逐漸變得清澈，出水量也相應(yīng)變大。

3.3 地層對(duì)分層抽水效果的影響

HMT-K11井成井完成后，立即下入潛水電泵自井內(nèi)由下向上進(jìn)行分段常規(guī)抽水洗井，洗至水清砂凈；之后對(duì)HMT-K11鉆孔第三系上段(80～102 m)與第三系下段(120～140 m)，對(duì)應(yīng)地層分別為泥質(zhì)砂礫巖與泥質(zhì)粉砂巖，進(jìn)行真空分層抽水洗井，并與常規(guī)抽水洗井進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)現(xiàn)象證明泥質(zhì)粉砂巖地層分層抽水洗井效果好于泥質(zhì)砂礫巖地層，由此說(shuō)明井管內(nèi)真空負(fù)壓的形成與保持與含水層的土性有關(guān)，滲透性低的含水層真空負(fù)壓的形成與保持好于滲透性好的含水層。

圖11 真空、常規(guī)分層抽水水位隨時(shí)間變化對(duì)比曲線

圖12 真空、常規(guī)分層抽水出水量隨時(shí)間變化對(duì)比曲線

4 結(jié)語(yǔ)

(1)新型分層抽水試驗(yàn)器具與常規(guī)分層抽水裝置相比，安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、滿足不同井管規(guī)格、系列化、適宜推廣。

(2)新型分層抽水試驗(yàn)器具在分層抽水過(guò)程中，在井管內(nèi)形成負(fù)壓，地下水在真空負(fù)壓與重力共同作用下(真空?qǐng)龊蜐B流場(chǎng)疊加)向井管匯集；井管周圍由近到遠(yuǎn)存在真空擾動(dòng)區(qū)、真空和重力場(chǎng)疊加區(qū)、重力場(chǎng)區(qū)，其抽水效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)管井抽水。

(3)井管內(nèi)真空負(fù)壓的形成與保持與含水層的土性有關(guān)，滲透性低的含水層真空負(fù)壓的形成與保持好于滲透性好的含水層。

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Deep Well Stratified Vacuum Pumping Test and the Mechanism Analysis/

HEJi-bin1,2,PANDe-yuan1,2,LIBing-ping1,2,YECheng-ming1,2

Based on the comprehensive experiment of a single well stratified vacuum pumping, using a new stratified pumping test device, the test method was improved to make the stratified pumping work time saving and efficient, safe and reliable, economical and practical. Comparing the process monitoring data with conventional monitoring data, the influence of formation and vacuum negative pressure effect to the pumping is studied, by the detailed analysis on its mechanism, the variation characteristics of seepage field around the vacuum stratified pumping well pipe are obtained. The comparison experiment proves that this stratified vacuum pumping process has obvious advantages in improving the water yield of single well and well washing effect.

deep well; stratified pumping; vacuum negative pressure; pumping test; well washing

2016-03-28；

2016-11-24

陜甘寧革命老區(qū)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào)：121201012000150002)

何計(jì)彬，男，漢族，1984年生，工程師，碩士，地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事水文地質(zhì)鉆探工藝及成完井工藝技術(shù)方面的研究工作，hejibin123@126.com。

P634；P641

A

1672-7428(2017)01-0018-06

(1.Key Laboratory for Geological Environmental Monitoring Technology of the Ministry of Land and Resources, Baoding Hebei 071051, China； 2.Center for Hydrogeology and Environmental Geology, China Geological Survey, Baoding Hebei 071051, China)