重慶紅層地區(qū)淺機(jī)井維護(hù)技術(shù)研究

陳曉嵐， 張 凇

(重慶市地勘局 208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶 北碚 400700)

重慶直轄市紅層分布面積3.85×104km2，占全市幅員面積的48%，受氣候等因素影響，這些區(qū)域缺水問(wèn)題突出，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)生活，涉及31個(gè)區(qū)(縣)698.6萬(wàn)人，2004—2015年重慶市實(shí)施“紅層找水”民心工程，累計(jì)打井27.6萬(wàn)口，解決了100多萬(wàn)人飲水困難[1]。目前，紅層機(jī)井已使用3—15年，在機(jī)井使用回訪中發(fā)現(xiàn)大量水井存在井底淤積、出水量減少、水質(zhì)惡化等問(wèn)題，導(dǎo)致大量機(jī)井不能正常使用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，不能正常使用機(jī)井達(dá)10%～30%，局部嚴(yán)重區(qū)達(dá)50%，影響居民生產(chǎn)生活，造成資源浪費(fèi)。因此，為了提高紅層機(jī)井利用效率，延長(zhǎng)其使用壽命，緩解水資源短缺的問(wèn)題，開(kāi)展紅層淺機(jī)井維護(hù)勢(shì)在必行，刻不容緩。

1 重慶市紅層水文地質(zhì)條件

紅層含水巖組為侏羅系地層，以泥巖及頁(yè)巖為主，夾不等厚砂巖，分布于向斜、背斜軸部及兩翼，巖組中普遍賦存風(fēng)化裂隙水及基巖裂隙水。風(fēng)化裂隙水埋藏較淺，風(fēng)化裂隙是地下水儲(chǔ)集、運(yùn)移的空間，具就近補(bǔ)給、就近排泄的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)變化大，富水性較差；基巖裂隙水主要賦存于砂巖中，層厚穩(wěn)定，構(gòu)造裂隙發(fā)育，地貌上多呈深丘或低山，補(bǔ)給充沛，富水性相對(duì)較好，紅層淺機(jī)井主要開(kāi)采該類(lèi)地下水[2]。

2 “病態(tài)機(jī)井”成因

紅層“病態(tài)機(jī)井”的成因較復(fù)雜，與成井地區(qū)、成井時(shí)間、成井地層、使用習(xí)慣等關(guān)系密切，可能導(dǎo)致的機(jī)井問(wèn)題各不相同。據(jù)重慶市江津區(qū)、墊江縣、南川區(qū)62口紅層淺機(jī)井(其中2007年成井的有6口、2010年3口、2011年5口、2012年10口、2013年13口、2014—2015年21口)使用抽樣調(diào)查：有11口機(jī)井停用，4口機(jī)井間歇使用， 47口機(jī)井經(jīng)常使用，機(jī)井使用率達(dá)到75.8%(其中成井2年以上正常使用的機(jī)井在70%以下，成井2年以內(nèi)正常使用的機(jī)井在95%以上)；合格機(jī)井7口集中在2014—2015年，合格率為63.64%，其他年份機(jī)井都出現(xiàn)了各種問(wèn)題。“病態(tài)機(jī)井”主要由井底沉沙淤積、水位下降、水量減小、水質(zhì)惡化等造成，據(jù)抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)來(lái)看，井底沉沙淤積為主要問(wèn)題，占調(diào)查機(jī)井總數(shù)的75.81%；其次是水量減小、水質(zhì)惡化，分別占調(diào)查機(jī)井總數(shù)的29.03%、23.53%[3]。

(1) 沉沙淤積。井底沉沙淤積有三個(gè)原因：一是巖體裂隙中不易溶解的細(xì)顆粒經(jīng)地下水搬運(yùn)到井內(nèi)；二是井壁巖體經(jīng)地下水浸泡軟化掉塊直接進(jìn)入井內(nèi)；三是井臺(tái)破壞，地表水?dāng)y帶泥沙進(jìn)入井內(nèi)。機(jī)井使用時(shí)間越久，井內(nèi)沉沙累積越多；當(dāng)機(jī)井分布有泥巖、頁(yè)巖時(shí)，井底沉沙速度較快。井底沉沙堵塞含水層，造成水量減少；同時(shí)井水變渾濁，水質(zhì)惡化，加重水泵機(jī)械磨損，燒毀水泵造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

(2) 水量減小。影響機(jī)井出水量的主要因素是季節(jié)變化和含水層堵塞。紅層淺機(jī)井開(kāi)采的是淺層地下水，出水量與大氣降水密切相關(guān)，雨季水量增大，枯季水量減小，干旱季節(jié)變化尤其明顯。井內(nèi)沉沙堵塞含水層或者長(zhǎng)時(shí)間未抽取地下水，地下水流速變緩，巖體裂隙中細(xì)顆粒不能及時(shí)排走，引起地下水徑流通道——裂隙堵塞，造成機(jī)井出水量降低，甚至枯竭。

(3) 水位下降。機(jī)井水位下降主要與出水量有關(guān)。紅層淺層地下水受季節(jié)影響大，雨季時(shí)降水頻繁，地下水得到有效補(bǔ)給，水量豐富，水位上升；旱季時(shí)降水貧乏，地下水補(bǔ)給減少，機(jī)井出水量降低，水位下降。同時(shí)機(jī)井沉沙堵塞含水層，造成出水量減少，引起水位下降。

(4) 水質(zhì)惡化。井底、井壁淤泥是細(xì)菌滋生的溫床，時(shí)間越長(zhǎng)，淤泥沉積越多，細(xì)菌滋生越快，造成井水感官指標(biāo)、懸浮物、微生物超標(biāo)。定期洗井能有效清除沉積的淤泥，并向井內(nèi)投放二氧化氯進(jìn)行殺菌，井水經(jīng)過(guò)曝光、曝氣、過(guò)濾、沉淀處理，對(duì)水質(zhì)改善效果明顯[4-5]。

(5) 井壁垮塌。井壁垮塌會(huì)造成機(jī)井堵塞，使機(jī)井無(wú)法使用，同時(shí)沒(méi)有護(hù)壁管和井臺(tái)的隔離保護(hù)，地表水、地表污染物會(huì)直接進(jìn)入井內(nèi)，污染井水，使水質(zhì)變差，保證機(jī)井護(hù)壁管和井臺(tái)的完好能避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生。

3 常規(guī)機(jī)井維護(hù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外常用的機(jī)井維護(hù)技術(shù)有高壓注水洗井、液態(tài)CO2洗井、化學(xué)劑洗井、固體燃料洗井、空壓機(jī)洗井、活塞洗井、鉆進(jìn)打撈洗井、掏沙打撈洗井等，其各有優(yōu)缺點(diǎn)(表1)。

表1 紅層淺機(jī)井常規(guī)機(jī)井維護(hù)技術(shù)綜合對(duì)比評(píng)價(jià)Table 1 Comprehensive comparison and evaluation of conventional well maintenance technology for shallow well in red bed

常規(guī)機(jī)井維護(hù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)均較突出，對(duì)于紅層淺機(jī)井來(lái)說(shuō)，化學(xué)劑洗井、固體燃料洗井技術(shù)材料運(yùn)輸不便，操作復(fù)雜，可能造成地下水環(huán)境二次污染；活塞洗井、掏沙打撈洗井、鉆進(jìn)打撈洗井技術(shù)設(shè)備笨重，運(yùn)輸困難，維護(hù)周期長(zhǎng)，成本高昂；高壓注水洗井、液態(tài)CO2洗井、空壓機(jī)洗井技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、成本低，基本能達(dá)到維護(hù)效果，但對(duì)機(jī)井自身及周邊環(huán)境條件要求高，維護(hù)效果差異大。

4 紅層淺機(jī)井維護(hù)技術(shù)研究

4.1 研究原則與目標(biāo)

紅層淺機(jī)井具有埋深淺(一般埋深在20～30 m之間)、成本低(成井費(fèi)用在1 000～1 500元之間)、數(shù)量多、井位分散等特點(diǎn)，機(jī)井維護(hù)技術(shù)應(yīng)充分考慮運(yùn)輸條件、維護(hù)周期及用戶的承受能力，以操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、效果突出、周期短、成本低廉為原則。

紅層“病態(tài)機(jī)井”最核心的問(wèn)題是水量減小、水質(zhì)惡化，主要是由于機(jī)井沉沙淤積、含水層堵塞造成的，維護(hù)技術(shù)研究應(yīng)圍繞井底清淤、暢通含水層的徑流通道開(kāi)展工作，達(dá)到節(jié)約成本、保證機(jī)井正常使用、延長(zhǎng)機(jī)井使用壽命的最終目標(biāo)。

4.2 維護(hù)技術(shù)研究

常規(guī)機(jī)井維護(hù)技術(shù)在維護(hù)時(shí)間、維護(hù)效果及維護(hù)成本上具有一定的局限性，需要在現(xiàn)有維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，研究與紅層淺機(jī)井相匹配的維護(hù)技術(shù)，以滿足紅層地區(qū)大量的淺機(jī)井維護(hù)要求。

在室內(nèi)試驗(yàn)、野外驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本次研發(fā)了一種新型紅層淺機(jī)井維護(hù)技術(shù)——輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)，其技術(shù)原理、設(shè)備構(gòu)成、操作方法、維護(hù)效果及效益如下。

(1) 技術(shù)原理。首先采用輕型鉆機(jī)(背包鉆機(jī))鉆進(jìn)攪松井底淤積泥沙，讓泥沙進(jìn)入與鉆具相連的泥沙筒內(nèi)，提出地面，清除井底淤積泥沙；然后利用空壓機(jī)通過(guò)進(jìn)氣管將空氣壓入井底，在氣舉作用下，疏通含水層裂隙，推動(dòng)井水及井底殘留泥沙噴出地面，最終達(dá)到機(jī)井維護(hù)的目的(圖1)。

(2) 設(shè)備構(gòu)成。輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)所需設(shè)備主要有輕型鉆機(jī)、鉆桿、沉沙筒、鉆頭、空壓機(jī)、進(jìn)氣管。

輕型鉆機(jī)：與鉆桿連接，為整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程提供動(dòng)力，選用輕型背包鉆機(jī)，方便搬運(yùn)和操作。

鉆桿：連接鉆機(jī)和沉沙筒，宜選擇輕型空心鉆桿，為了便于搬運(yùn)，節(jié)長(zhǎng)不超過(guò)2.0 m。

沉沙筒：上接鉆桿、下連鉆具，尺寸與機(jī)井內(nèi)徑相當(dāng)，一般127 mm；利用自行車(chē)單向齒輪原理，筒底正向旋轉(zhuǎn)時(shí)開(kāi)啟、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)閉功能，即鉆進(jìn)過(guò)程中筒底處于開(kāi)啟狀態(tài)，鉆進(jìn)完成后處于關(guān)閉狀態(tài)，讓井底淤積泥沙自動(dòng)進(jìn)入沉沙筒。

鉆頭：考慮到井底泥沙沉積年限較久，部分可能已經(jīng)固結(jié)，密實(shí)度較高，需采用特制鉆頭將井底淤積泥沙攪松，讓其與水體混合進(jìn)入沉沙筒內(nèi)。

空壓機(jī)：與進(jìn)氣管相接，提供高壓空氣。

進(jìn)氣管：與空壓機(jī)和輕型空心鉆桿相連，向井底輸送高壓空氣。

(3) 操作方法。第一步：背包鉆機(jī)攪動(dòng)井底淤積泥沙，讓泥沙進(jìn)入沉沙筒內(nèi)；

第二步：提拉鉆具，將沉沙筒內(nèi)泥沙排出地面；

第三步：空壓機(jī)形成的高壓空氣經(jīng)進(jìn)氣管、背包鉆機(jī)空心鉆桿進(jìn)入井底，產(chǎn)生強(qiáng)烈氣舉，沖擊含水層裂隙，疏通地下水徑流通道，同時(shí)將井內(nèi)水和殘留泥沙沖出地面。

圖1 輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)操作流程示意圖
Fig.1 Operation flow chart of light drilling and fishing + air compressor combined well washing maintenance technology

(4) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了了解輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)的實(shí)用性和效果，本次技術(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分室內(nèi)和野外兩個(gè)階段進(jìn)行。

① 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)階段。利用PVC塑料管來(lái)模擬井壁，往PVC塑料管內(nèi)倒入泥沙用以模擬井底淤積泥沙，通過(guò)人工攪動(dòng)模擬鉆進(jìn)，用送風(fēng)機(jī)模擬空壓機(jī)產(chǎn)生高壓空氣，初步驗(yàn)證了該聯(lián)合洗井維護(hù)裝置在攪拌、收集、排出井底淤積泥沙的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察，PVC塑料管內(nèi)泥沙及水體基本排出，管底、管壁較干凈，達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康?圖2)。

圖2 室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)
Fig.2 Indoor simulation experiment

② 野外驗(yàn)證階段。野外驗(yàn)證在重慶市江津區(qū)賈嗣鎮(zhèn)玉皇村5社選取了3口成井深度為23.4 m(J1)、24.6 m(J2)、26.3 m(J3)的紅層“病態(tài)淺機(jī)井”，機(jī)井病態(tài)原因主要有水位降低、水量減少、水質(zhì)惡化、井底淤積，目的是驗(yàn)證輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)在紅層“病態(tài)淺機(jī)井”實(shí)際應(yīng)用中的可行性(圖3)。

在實(shí)驗(yàn)前，測(cè)量了3口井的水位和井深，并進(jìn)行了簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)，觀察井水渾濁，呈淡黃色，有腥味。實(shí)驗(yàn)中首先用背包鉆機(jī)攪動(dòng)井底淤積泥沙，并用沉沙筒提出地面，測(cè)得機(jī)井J1、J2、J3淤積泥沙厚度分別為2.2 m、2.8 m、3.1 m；然后用空壓機(jī)經(jīng)空心鉆桿向井底壓入高壓空氣，將井內(nèi)殘留淤積泥沙和水排出地面，測(cè)得J1、J2、J3井深分別為23.30 m、24.49 m、26.21 m；最后在機(jī)井水位恢復(fù)后再次進(jìn)行簡(jiǎn)易抽水實(shí)驗(yàn)，涌水量較實(shí)驗(yàn)前有明顯增加，水質(zhì)清澈，無(wú)異味(表2)。

圖3 野外驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
Fig.3 Field verification experiment

表2 輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)效果對(duì)比分析Table 2 Comparison and analysis of the technical effect of light drilling fishing and air compressor combined well washing maintenance

5 維護(hù)效果與效益分析

野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束后，對(duì)3口淺機(jī)井的井深、水位、涌水量、水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，機(jī)井井深增加2.2～3.1 m，水位上升0.7～1.5 m，涌水量增加0.6～1.1倍，水質(zhì)由渾濁、有異味變?yōu)榍宄骸o(wú)異味。野外驗(yàn)證說(shuō)明，輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)能夠明顯改善紅層淺機(jī)井使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，效果較好。

輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：所需設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、2人可操作；機(jī)井涌水量大小一般在1—2 h能夠完成，用時(shí)較短；對(duì)清除井底淤積泥沙和疏通含水層裂隙效果顯著，有效改善了紅層淺機(jī)井的涌水量及水質(zhì)；維護(hù)成本在200～250元/口，成本低。不足在于維護(hù)時(shí)間和成本受機(jī)井涌水量限制，涌水量越大，用時(shí)越短，成本越低；反之則用時(shí)較長(zhǎng)，成本較高。

從驗(yàn)證來(lái)看，輕型鉆進(jìn)打撈+空壓機(jī)聯(lián)合洗井維護(hù)技術(shù)能夠有效改善紅層淺機(jī)井使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，達(dá)到了資源再利用的目的，同時(shí)其投入相對(duì)較低，可推廣使用。

6 結(jié)論

“紅層找水”實(shí)施以來(lái)，深受受益農(nóng)戶的歡迎，紅層打井工程不單是一項(xiàng)“民生工程”和“德政工程”，也是一項(xiàng)“扶貧工程”。缺水地區(qū)家庭多為留守老人和兒童，缺乏機(jī)井維護(hù)意識(shí)，管理不善引發(fā)新的缺水問(wèn)題，通過(guò)機(jī)井維護(hù)，提高機(jī)井使用效率，延長(zhǎng)機(jī)井使用壽命，有效改善農(nóng)戶飲水困難和用水安全，降低農(nóng)戶飲水風(fēng)險(xiǎn)和家庭負(fù)擔(dān)，不用去挑水、找水，將解放出來(lái)的勞動(dòng)力投入到其他行業(yè)，增加其收入，使貧窮地區(qū)群眾體會(huì)到黨和國(guó)家的關(guān)懷，堅(jiān)定他們脫貧致富奔小康的信心和早日實(shí)現(xiàn)共同富裕這一目標(biāo)。