雙封隔器技術(shù)在無錫市WTS01井水文地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

李 亮, 解 偉, 趙胤凱, 常曉軍, 賈軍元, 朱意萍

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051)

在水文地質(zhì)調(diào)查中，遙感、物探、水文鉆探、簡易水文試驗等手段是獲取水文地質(zhì)特征的主要方法[1-2]，其中水文鉆探是直接探明地下水的一種最重要、最可靠的勘探手段，利用水文井進行水文地質(zhì)試驗可以獲取含水層水文地質(zhì)參數(shù)，為評價地下水資源和合理開發(fā)地下水提供可靠依據(jù)。在水文地質(zhì)試驗前，洗井工藝是減少鉆探成井施工過程對含水層產(chǎn)生影響的重要手段，洗井質(zhì)量直接影響到含水層水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性[3-5]；分層抽水試驗可以在目的層抽水的同時，獲取相鄰含水層的水位變化，從而實現(xiàn)相鄰含水層的垂向水力聯(lián)系，是研究復(fù)雜含水層的有效手段。

封隔器技術(shù)在石油等領(lǐng)域應(yīng)用較廣[6]，但在水文地質(zhì)勘探領(lǐng)域使用較少。雙封隔器新技術(shù)是技術(shù)人員圍繞分段洗井、分層抽水試驗以及管內(nèi)分層止水3個方面進行研究與試驗，并經(jīng)過不斷地改進形成。

雙封隔器新技術(shù)能對水文井進行單獨洗井，也可以與活塞洗井、空壓機洗井、液態(tài)二氧化碳洗井等工藝聯(lián)合洗井[7-8]，能有效消除施工過程中泥漿護壁等物理因素和清洗液殘留等化學(xué)因素影響[9]，從而提高洗井質(zhì)量；同時，雙封隔器新技術(shù)通過井內(nèi)分層止水、抽水，實現(xiàn)了一層抽水多層監(jiān)測，可以直觀展現(xiàn)抽水過程主抽水層與上下含水層之間的水力聯(lián)系。

本文以無錫市WTS01水文鉆井為例，應(yīng)用中國地質(zhì)調(diào)查水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心研發(fā)的195型雙封隔器新技術(shù)進行分層振蕩洗井、孔內(nèi)分層止水、分層抽水試驗，工作過程中獲得了較好的洗井效果，實現(xiàn)了一層抽水多層監(jiān)測的水文地質(zhì)試驗，總結(jié)了雙封隔器新技術(shù)的優(yōu)勢及適用條件。

1 工作原理及設(shè)備組成

1.1 工作原理

雙封隔器技術(shù)的主要工作原理是封閉止水[10]。通過封隔器將抽水目的層段兩端的非目的層段隔離，利用潛水泵對目的層段進行抽水；同時在上封隔器下端設(shè)置監(jiān)測儀器實時記錄地下水水位、水溫的變化，以獲得目的層段抽水的有關(guān)參數(shù)。為獲取目的含水層與相鄰含水層之間的水力聯(lián)系，在上封隔器上端、下封隔器下端分別安裝監(jiān)測儀器實時記錄相鄰含水層水位和水溫變化。

1.2 設(shè)備組成

雙封隔器系統(tǒng)主要由分層隔離單元、抽水單元、抽水試驗數(shù)據(jù)記錄與顯示單元和封隔器充氣單元組成，其連接方式如圖1所示。

圖1 雙封隔器分層抽水原理圖Fig.1 Diagram demonstrating the principle of stratified pumping with double packer

分層隔離單元包括過電纜充氣封隔器(上封隔器)和常規(guī)充氣封隔器(下封隔器)。

抽水單元包括潛水泵、出水管、潛水泵供電電纜、變頻控制柜等。

抽水試驗數(shù)據(jù)記錄與顯示單元包括自動水位、水溫監(jiān)測探頭、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸電纜、數(shù)據(jù)顯示與存儲器、流量計等。

封隔器充氣單元包括瓶裝高壓氮氣、減壓器、高壓三通閥和高壓充氣管等。

2 洗井及分層抽水

洗井及分層抽水前，應(yīng)詳細了解水文孔的相關(guān)資料，并針對不同情況制定洗井及抽水試驗設(shè)計[11]，尤其是雙封隔設(shè)備的排設(shè)、潛水泵位置的擺放、地下水實時監(jiān)測探頭的位置等，盡量減少重新提泵、下泵次數(shù)。

2.1 WTS01井水文地質(zhì)背景

圖2 鉆孔位置示意圖Fig.2 Distribution of drillings in the study area

WTS01井位于無錫市新吳區(qū)碩放鎮(zhèn)南塘村(圖2)，孔深152 m，管徑273 mm。成井含水層段為：①晚更新統(tǒng)上部微承壓含水層，埋深9.5～18.5 m，巖性以細砂、粉砂為主；②晚更新統(tǒng)中下部Ⅰ承壓含水層，埋深39～45 m，巖性以細砂為主；③中更新統(tǒng)Ⅱ承壓含水層，埋深112～142 m，巖性以中細砂為主(圖3)。為達到一孔多層抽水試驗效果，在井管外部、微承壓上部隔水層、微承壓與Ⅰ承壓含水層之間的隔水層、Ⅰ承壓與Ⅱ承壓含水層之間的隔水層、Ⅱ承壓含水層以下的隔水層部位采用黏土球止水，微承壓、Ⅰ承壓和Ⅱ承壓含水層段均填充石英砂。

2.2 洗井

雙封隔器振蕩洗井原理包括2個方面：一是封閉作用，利用雙封隔器將洗井目的層段兩端的非目的層段隔離，在泵量不變情況下，通過減小進水截面，增大管內(nèi)單位面積上對含水層的吸力，從而增強對含水層中堵塞物的沖刷作用；同樣，對井壁泥皮的破壞作用也相應(yīng)增大。二是振蕩作用，主要是水錘效應(yīng)[12-13]，用潛水泵將目的層段地下水抽出，通過反復(fù)開、停潛水泵，在開泵、停泵瞬間產(chǎn)生水錘壓強，反復(fù)沖擊，徹底清除井內(nèi)泥漿，抽出滲入含水層中的泥漿和細小顆粒，使過濾器周圍形成一個良好的人工濾層，達到良好的洗井效果[14-15]。

為檢驗雙封隔器新技術(shù)洗井效果，WTS01井按含水層進行分層洗井，且在洗井前利用活塞清除井管內(nèi)壁泥皮。第一洗井段：微承壓含水層，埋深9.5～18.5 m段；第二洗井段：Ⅰ承壓含水層，埋深39.0～45.0 m段；第三洗井段：Ⅱ承壓含水層，埋深112.0～142.0 m段。

圖3 WTS01鉆井地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram showing drilling structure of WST01擴孔直徑500 mm; 井管直徑273 mm

以Ⅱ承壓含水層為例，首先對整個鉆孔進行活塞洗井?；钊淳Y(jié)束后，在112.0 m以上和142.0 m以下啟封雙封隔器，起封后用大流量水泵進行反復(fù)開泵、停泵振蕩洗井，每次洗井水泵流量170.0 m3/h左右，洗井效果如圖4所示。

由圖4可知，第一次抽水洗井時，水位下降了79.0 m；第二次抽水洗井時，水位下降約58.0 m。表明與第一次抽水洗井相比，第二次抽水洗井時單位涌水量大大增加，即井壁和深入地層的泥漿大部分已被帶出。第六次洗井抽水，水位下降約24.0 m，且第六次抽水洗井時水位基本穩(wěn)定，表明雙封隔器分層洗井在第六次已基本洗凈。

對每一次洗井計算其滲透系數(shù)(表1)，與第一次洗井相比，第六次洗井時滲透系數(shù)為第一次的了3.5倍。

表1 WTS01井 Ⅱ承壓含水層洗井過程滲透系數(shù)變化Table 1 Variation of permeability coefficient during well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

圖4 WTS01井 Ⅱ承壓含水層洗井效果圖Fig.4 Diagram showing effect of well washing in Ⅱ confined aquifer of WTS01

以同樣的方法對微承壓、Ⅰ承壓含水層進行雙封隔器分層振蕩洗井，洗井結(jié)束后進行分層抽水試驗。

2.3 止水

分層止水采用管內(nèi)雙封隔器膨脹止水，在Ⅰ承壓含水層上下分別放置封隔器，打開高壓氮氣筒，對封隔器進行充氣膨脹。本次分層止水封隔器壓力達到2.5 MPa。通過上封隔器下部、上下封隔器之間和下封隔器下部的監(jiān)測探頭觀測啟封過程中的水位變化(圖5)。

由圖5可知，雙封隔器通過高壓氮氣瓶加壓啟封，啟封速度快，啟封2 min后水位變化明顯。不同含水層水位差顯著，表明雙封隔器啟封后達到了良好的隔水效果。

2.4 分層抽水

雙封隔器啟封進行封隔，含水層水位達到穩(wěn)定后，開啟水泵對目的層進行分層抽水。以第三含水層段(埋深112.0～142.0 m)為例，其抽水試驗的時間-降深曲線如圖6所示。

圖5 WTS01井雙封隔器管內(nèi)封隔效果檢驗結(jié)果分析圖Fig.5 Analysis of testing results of double packer stratified water stop of WTS01

WTS01井采用單孔穩(wěn)定流抽水，當(dāng)水泵涌水量達到170.0 m3/h后，水位下降24.6 m，滲透系數(shù)為6.2 m/d，與第六次洗井所得滲透系數(shù)相近。

Ⅱ承壓含水層進行穩(wěn)定流抽水試驗的同時，微承壓含水層與Ⅰ承壓含水層水位穩(wěn)定，無明顯變化，直觀反映出微承壓、Ⅰ承壓含水層與Ⅱ承壓含水層之間無明顯水力聯(lián)系。

圖6 WTS01井Ⅱ承壓含水層穩(wěn)定流抽水試驗時間-降深曲線圖Fig.6 Time-depth reduction curve of steady flow pumping test in Ⅱ confined aquifer of WTS01

3 結(jié) 論

a.雙封隔器新技術(shù)分層振蕩洗井技術(shù)的使用，有效地解決了施工區(qū)水文鉆井難以徹底清洗的難題，提高了水文地質(zhì)參數(shù)求取的真實性。

b.雙封隔器新技術(shù)井內(nèi)止水啟封速度快，止水效果好，操作簡單，極大地節(jié)約了洗井、抽水試驗的準(zhǔn)備時間，提高了野外作業(yè)效率。

c.雙封隔器新技術(shù)采用“一孔同徑，分層抽水”，實現(xiàn)了抽水試驗過程中對上下含水層垂向水力聯(lián)系的研究，同時減少了對地面資源的占用。新技術(shù)可以在井內(nèi)任意深度、任意含水段進行封隔、洗井和抽水試驗，尤其適用大厚度、多含水層的水文鉆井抽水試驗。