水文地質(zhì)孔分層抽水裝置的研制

和新，郝國利，張慶宙，張萬河，程林，李晉銳，解少朋

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

0 引言

隨著對(duì)地下水的深入研究，在水文地質(zhì)勘查活動(dòng)中，鉆孔(井)分層抽水試驗(yàn)已成為常用的技術(shù)方法，通過分層抽水試驗(yàn)取得鉆孔(井)各含水層段的水量、水位、水質(zhì)和水溫等水文地質(zhì)參數(shù)，可以更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)地下水資源。抽水試驗(yàn)質(zhì)量直接影響著對(duì)勘查區(qū)水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)和水文地質(zhì)計(jì)算成果的精確程度。為實(shí)現(xiàn)分層抽水試驗(yàn)?zāi)康?，需按設(shè)計(jì)要求利用止水裝置對(duì)不同含水層段進(jìn)行隔離止水，目前國內(nèi)一般采用下套管、止水塞(膠塞、膨脹橡膠、海帶)及氣囊封隔器等止水方法。上述方法分別存在著操作不便、止水效果不易檢測(cè)、成本高、適用鉆孔(井)范圍小等問題?；谶@一背景，我們從地質(zhì)項(xiàng)目需求出發(fā)，結(jié)合施工設(shè)備、鉆具，從經(jīng)濟(jì)適用、便于操作等方面對(duì)現(xiàn)有分層止水設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，針對(duì)兩種典型鉆孔(井)結(jié)構(gòu)，研制了一套分層抽水試驗(yàn)裝置，經(jīng)過實(shí)際使用，取得了滿意效果。

1 分層抽水裝置構(gòu)成

本次研制的裝置包括泵室管、止水橡膠塞、伸縮式止水橡膠塞、皮碗止水器、止水座環(huán)及輔助配件等。上述止水裝置與水下自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位計(jì)、數(shù)據(jù)線、電腦、潛水泵等產(chǎn)品配合使用，構(gòu)成分層抽水試驗(yàn)裝置。

1.1 泵室管

1.1.1 泵室管結(jié)構(gòu)

泵室管由直徑194×8 mm無縫管、法蘭盤、直徑89 mm鉆桿短節(jié)等構(gòu)成。圖1為泵室管結(jié)構(gòu)圖。

1.直徑89 mm鉆桿公接頭；2.法蘭盤；3.連接螺栓；4.連接盤；5.直徑194 mm無縫管；6.連接底盤；7.直徑89 mm鉆桿母接頭圖1 泵室管示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump room pipe

1.1.2 泵室管作用

分層抽水試驗(yàn)時(shí)，潛水泵與法蘭盤連接安裝在管內(nèi)下入井孔內(nèi)，通過鉆桿短節(jié)與皮碗止水器和出水管連接，達(dá)到分層抽水試驗(yàn)?zāi)康摹o縫管體開100 mm×20 mm(長×寬)的條縫，做為含水層進(jìn)水通道。

1.1.3 泵室管規(guī)格尺寸(表1)

表1 泵室管規(guī)格尺寸表Table 1 Specification and dimension of pump room pipe

1.2 止水皮碗

皮碗由耐磨、耐老化、韌性好的丁氰橡膠做成，安裝于皮碗止水器桿體上，與井管內(nèi)壁過盈配合止水。

1.3 橡膠套

橡膠套由耐磨、彈性好的丁氰橡膠制成，套裝在皮碗止水器止水材料(海帶、快速膨脹橡膠等)外部固定，下井后止水材料遇水膨脹迫使橡膠套外圓上設(shè)置的圓環(huán)條與鉆孔(井)內(nèi)壁貼緊，實(shí)現(xiàn)止水密封。

地下水通過設(shè)置在橡膠套上的孔眼進(jìn)入止水材料，使止水材料遇水膨脹，尺寸可根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)、井管內(nèi)徑設(shè)定。止水橡膠套剖面圖如圖2所示，技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖2 橡膠套剖面圖Fig.2 Profile of rubber sleeve

1.4 皮碗止水器

皮碗止水器是一種鉆孔(井)內(nèi)遇水膨脹止水材料和過盈止水皮碗共同作用的聯(lián)合止水器。

1.4.1 皮碗止水器結(jié)構(gòu)

皮碗止水器分為兩種，即過電纜止水器和不過電纜止水器，由直徑127 mm中心管、上下接頭、皮碗、止水圓盤、過纜內(nèi)埋管、止水材料、橡膠套等組成。如圖3、圖4所示。

圖3 皮碗止水器Fig.3 Rubber bowl water stop

圖4 過電纜皮碗止水器Fig.4 Rubber bowl water stop through cable

1.4.2 皮碗止水器止水原理

皮碗止水器與鉆桿、水泵連接后下入井內(nèi)預(yù)定深度位置后，依靠止水皮碗和套管內(nèi)壁的過盈配合來密封井管與中心管環(huán)空，同時(shí)在皮碗下部中心管體上設(shè)置止水圓盤，兩圓盤中間纏繞止水材料(海帶、快速膨脹橡膠等)，外部用橡膠套固定，用下圓盤鎖緊，下井遇水2～4 h后材料膨脹與井孔內(nèi)壁貼緊，與皮碗達(dá)到雙重止水目的。止水圓盤、皮碗可根據(jù)不同鉆孔(井)直徑更換。

1.4.3 皮碗止水器技術(shù)參數(shù)(表3)

表3 皮碗止水器技術(shù)參數(shù)表Table 3 Technical parameters of rubber bowl water stop

1.4.4 解封

完成分層抽水試驗(yàn)后，直接將抽水試驗(yàn)鉆桿柱提出即可。

1.5 止水座環(huán)

由無縫短管、管內(nèi)座環(huán)組成，成井下管時(shí)與井管連接在最下部濾水管底端或頂端，起到支撐橡膠止水塞、鉆桿柱的作用。座環(huán)管體為219 mm×8 mm無縫管，長度600 mm，內(nèi)座環(huán)厚度80 mm，內(nèi)徑140 mm。

1.6 止水橡膠塞

1.6.1 止水橡膠塞結(jié)構(gòu)

止水橡膠塞由89 mm鉆桿、上下壓盤、空心橡膠塞等組成，如圖5所示。

1.直徑89 mm鉆桿短節(jié)；2.橡膠塞擋盤；3.空心橡膠塞；4.中間盤；5.緊固螺母圖5 止水橡膠塞Fig.5 Rubber plug water stop

1.6.2 止水橡膠塞作用

分層抽水時(shí)，止水橡膠塞下放到井內(nèi)止水座環(huán)位置后，在鉆桿自重壓力作用下，橡膠塞橫向膨脹變形，與井管內(nèi)壁緊密結(jié)合，隔離上下含水層。

1.6.3 止水橡膠塞技術(shù)參數(shù)(表4)

表4 止水橡膠塞參數(shù)表Table 4 Technical parameters of rubber plug water stop

1.7 伸縮式219 mm止水橡膠塞

1.7.1 伸縮式止水橡膠塞結(jié)構(gòu)

由89 mm鉆桿、伸縮滑套、伸縮桿、127 mm濾水管短接、上下壓盤、橡膠塞等組成。分為花管式和白管式兩種?；ü苁缴炜s式止水橡膠塞如圖6所示。

1.直徑89 mm短鉆桿；2.滑套；3.絲堵；4.直徑127 mm無縫管；5.直徑127 mm花管；6.直徑89 mm鉆桿母接頭；7.推力盤；8.空心橡膠塞；9.中間盤；10.加強(qiáng)肋骨圖6 伸縮式止水橡膠塞(花管式)Fig.6 Telescopic rubber plug water stop

1.7.2 伸縮式止水橡膠塞作用

伸縮式止水橡膠塞下放到位后，在鉆桿柱自重壓力作用下，伸縮桿進(jìn)入滑套，伸縮滑套頂住止水壓盤，橡膠塞橫向膨脹變形，與井管內(nèi)壁緊密結(jié)合，隔離上下含水層。

1.7.3 伸縮式止水橡膠塞技術(shù)參數(shù)(表5)

表5 伸縮式219 mm止水橡膠塞參數(shù)表Table 5 Technical parameters of telescopic rubber plug water stop

1.8 地下水水位、水溫自動(dòng)記錄儀

1.8.1 地下水位水溫自動(dòng)記錄儀作用

分層抽水時(shí)安裝在目的層和相鄰含水層止水裝置上，持續(xù)測(cè)量地下水水位和溫度等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)降孛骐娔X，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示抽水目的層水位降深和水溫變化，并監(jiān)測(cè)分層止水效果。

1.8.2 地下水位水溫自動(dòng)記錄儀技術(shù)參數(shù)

地下水位和溫度自動(dòng)記錄儀，型號(hào)為M30、100、200三種，最大測(cè)量深度范圍水位以下200 m，監(jiān)測(cè)精度0.05%/0.05℃，工作溫度-20～+80℃，采樣頻率0.125 s/次～99 h/次，直徑22 mm，長度159 mm，質(zhì)量129 g。性能參數(shù)如表6所示。

表6 水位、水溫自動(dòng)記錄儀型號(hào)性能參數(shù)表Table 6 Model and performance of automatic recorder of groundwater level and temperature

1.8.3 使用方法

分層抽水試驗(yàn)時(shí)，在抽水目的層和相鄰含水層止水裝置上分別安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器，持續(xù)測(cè)量試驗(yàn)段的水位壓力和溫度等參數(shù)，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)降孛骐娔X，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄和顯示抽水目的層水位降深和水溫變化，并監(jiān)測(cè)分層止水效果。

2 典型水文地質(zhì)鉆孔結(jié)構(gòu)及止水方法

本次工作針對(duì)性地研制了兩種分層止水抽水裝置。其他水井結(jié)構(gòu)的分層止水可以通過更換不同規(guī)格的橡膠塞和橡膠傘，改變止水裝置組合方式完成。

2.1 第一種鉆孔(井)結(jié)構(gòu)

2.1.1 水井結(jié)構(gòu)

深度小于200 m，井管直徑325(273)×7 mm鋼管，一徑到底。圖7為典型水井結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 典型鉆孔(井)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of typical borehole structure

2.1.2 安裝使用方法

按照設(shè)計(jì)下入分層抽水止水裝置，對(duì)分層抽水試驗(yàn)?zāi)康膶由舷掠闷ね胫顾髦顾飧?，水泵安裝在泵室管內(nèi)，用鉆桿和泵室管連接進(jìn)行抽水試驗(yàn)，同時(shí)使用自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)目的層和其他含水層水位變化，檢驗(yàn)止水效果。圖8為下部含水層分層抽水裝置安裝示意圖。

圖8 下部含水層分層抽水裝置安裝示意圖Fig.8 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

下入井孔前，確定抽水目的層位置，準(zhǔn)確計(jì)算止水裝置下入深度。地面安裝檢查皮碗止水器、泵室管、水泵、電纜接頭是否可靠。

依據(jù)抽水目的層段所處位置下井次序分別為：①中間含水層分層抽水裝置結(jié)構(gòu)，皮碗止水器+89 mm 鉆桿+泵室管(內(nèi)安裝水泵)+89 mm鉆桿+上部過電纜皮碗止水器+電纜、傳輸線+抽水鉆桿；②下部含水層分層抽水裝置結(jié)構(gòu)，泵室管(內(nèi)安裝水泵)+89 mm鉆桿+上部過電纜皮碗止水器+電纜、傳輸線+抽水鉆桿；③上部含水層分層抽水裝置結(jié)構(gòu)，皮碗止水器+89 mm鉆桿+泵室管(內(nèi)安裝水泵)+電纜、傳輸線+抽水鉆桿。

連接電纜、數(shù)據(jù)線，安裝地面彎頭、抽水試驗(yàn)測(cè)量儀器、啟動(dòng)柜。開泵進(jìn)行抽水試驗(yàn)，檢查水泵出水、數(shù)據(jù)傳送是否正常，止水效果是否可靠。抽水試驗(yàn)結(jié)束后，提出井孔內(nèi)分層抽水裝置，按照同樣方法，依次進(jìn)行下一層抽水試驗(yàn)。

2.2 第二種鉆孔(井)結(jié)構(gòu)

2.2.1 井身結(jié)構(gòu)

第四系兩級(jí)井管變徑成井。

一級(jí)井身結(jié)構(gòu)：0～120 m，鉆孔口徑550 mm，井管規(guī)格325 mm×7 mm白管，通常為下泵段不設(shè)濾水管。

二級(jí)井身結(jié)構(gòu)：120～450 m,鉆孔口徑450 mm，井管規(guī)格219 mm×6 mm鋼管，對(duì)應(yīng)含水層安裝濾水管。圖9為典型水井結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 典型水井結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Diagram of typical water well structure

2.2.2 分層抽水安裝使用方法

按照設(shè)計(jì)下入分層抽水止水裝置，對(duì)分層抽水試驗(yàn)?zāi)康膶硬捎弥顾鹉z塞、伸縮式止水橡膠塞止水封隔，同時(shí)使用自動(dòng)水位計(jì)監(jiān)測(cè)目的層和其他含水層水位變化，檢驗(yàn)止水效果。圖10為下層含水層分層抽水裝置安裝示意圖。

圖10 下層含水層分層抽水裝置安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

安裝井管時(shí)將止水座環(huán)焊接在下部抽水目的層底板或頂部隔水層位置。

根據(jù)止水座環(huán)深度、靜水位和抽水目的層需要，準(zhǔn)確計(jì)算止水裝置各部分長度，按順序依次下入止水裝置，用鉆桿送入。①下層含水層抽水，止水橡膠塞+導(dǎo)水管(鉆桿)+伸縮式膠塞止水器(白管式，上層止水)+出水導(dǎo)管(鉆桿)→預(yù)定位置倒扣→提出鉆桿→下泵段安裝水泵；②中間含水層抽水，止水橡膠塞(底口封閉)+鉆桿+伸縮式膠塞止水器(花管式)+出水導(dǎo)管(鉆桿)+伸縮式膠塞止水器(白管式，上層止水)→預(yù)定位置倒扣→提出鉆桿→安裝水泵；③上層含水層抽水，止水橡膠塞(底口封閉)+鉆桿+伸縮式膠塞止水器(白管式，封閉最上層底部，同時(shí)安裝水位監(jiān)測(cè)探頭)+導(dǎo)水管(鉆桿)→預(yù)定位置倒扣→提出鉆桿→安裝水泵。

到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，鉆桿倒扣，將上部鉆桿提出，止水裝置留在井內(nèi)。

止水膠塞在鉆桿重量作用下，膠塞橫向變形，與井管內(nèi)壁壓緊實(shí)現(xiàn)封隔止水。

抽水試驗(yàn)時(shí)目的層承壓水由鉆桿導(dǎo)出，進(jìn)入325 mm井管下泵段內(nèi)，下泵、下測(cè)線或探頭觀測(cè)水位，同時(shí)自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)探頭檢測(cè)相鄰含水層組水位變化情況。

抽水試驗(yàn)結(jié)束后，提出水泵，用直徑89 mm鉆桿對(duì)扣提出止水裝置。按照同樣方法，依次進(jìn)行下一層分層抽水。

3 鉆孔(井)施工技術(shù)

3.1 分層

進(jìn)行分層抽水的鉆孔(井)，應(yīng)先進(jìn)行全孔取心鉆進(jìn)，依據(jù)地質(zhì)巖心編錄、測(cè)井資料及目的任務(wù)劃分含水層、確定分層位置。

3.2 鉆孔口徑

第四系填礫水井應(yīng)盡量加大鉆孔口徑，鉆孔直徑≥井管直徑230 mm以上為宜，鉆孔圓滑無臺(tái)階、狗腿等現(xiàn)象，便于管外準(zhǔn)確分層填礫止水。

3.3 孔斜控制和孔深測(cè)量

鉆進(jìn)過程中，通過優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)、鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)、加扶正器等措施，嚴(yán)格控制孔斜率(<1°/100 m)。用鋼卷尺逐根丈量井內(nèi)鉆具，準(zhǔn)確計(jì)算孔深及各抽水目的層位置，孔深誤差≤1%。

3.4 沖孔換漿

終孔后下管前，按照要求進(jìn)行沖孔換漿，清除沉淀，換漿時(shí)間根據(jù)孔深確定，一般不少于2個(gè)循環(huán)周期，泥漿密度<1.08 g/cm3。

3.5 井管安裝

井管送達(dá)井場(chǎng)后，逐根測(cè)量檢查，對(duì)彎曲、變形的井管及時(shí)更換或處理；用通規(guī)對(duì)井管逐根通徑，刮除井管內(nèi)壁毛刺、雜物，確定排管順序并編號(hào)，確保濾水管安裝位置對(duì)應(yīng)含水層；采用絲扣或焊接井管時(shí)，管口對(duì)正焊接牢固，無砂眼、內(nèi)臺(tái)階現(xiàn)象；每30 m在井管上安裝扶正器，保證井管位于鉆孔中心；下管過程中，隨時(shí)觀察孔內(nèi)及管內(nèi)液面高度，及時(shí)向管內(nèi)加注清水，避免管內(nèi)外壓差過大。

3.6 填礫與止水

3.6.1 填礫

根據(jù)設(shè)備及施工特點(diǎn)，可采用靜水或動(dòng)水法填礫，通過沖洗礫料、稀釋泥漿，達(dá)到礫料下行通暢、利于投料的目的。

填礫有以下要求：①礫料材質(zhì)規(guī)格選取質(zhì)地堅(jiān)硬、密度大、渾圓度好的石英質(zhì)礫石，礫徑視含水層的有效粒徑確定，一般為含水層有效粒徑的6～8倍；②礫料應(yīng)干凈，含泥量或雜質(zhì)較多的礫料，過篩水洗后方可使用；③礫料位置在自濾水管底端以下≥1 m 處至濾水管頂端以上≥6 m處；④填礫時(shí)從井口四周均勻填入，及時(shí)檢測(cè)礫料面高度，避免產(chǎn)生“架橋”堵塞現(xiàn)象。

3.6.2 管外分層止水

管外止水材料包括黏土球、水泥漿等永久性止水材料和托盤、海帶、膨脹橡膠等臨時(shí)性止水材料，一般選用黏土球止水。

黏土球止水時(shí)采用雜質(zhì)少、黏度大、膨脹率好的優(yōu)質(zhì)黏土制作，直徑20～40 mm，晾曬至半干為宜。填入前計(jì)算黏土球方量，填入高度根據(jù)井深、濾水管段大小及隔水層厚度確定，應(yīng)高出礫料面6 m。

4 使用效果

4.1 案例1

在京津冀1∶5水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中，對(duì)8眼深度360～430 m第四系水井進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，使用該套止水裝置抽取第Ⅳ含水層組地下水時(shí)，水位自動(dòng)記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，第Ⅲ含水層組水位基本穩(wěn)定，上下浮動(dòng)在允許范圍內(nèi)，說明止水效果良好，數(shù)據(jù)可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。

4.2 案例2

在海河南水文地質(zhì)鉆探、張家口后備水源地勘查等項(xiàng)目中，對(duì)5眼深度200 m以內(nèi)的水井進(jìn)行分層抽水試驗(yàn)，使用該套止水裝置止水效果良好，數(shù)據(jù)可靠。

5 結(jié)語

研制的分層抽水裝置有效地解決了分層抽水試驗(yàn)問題，其創(chuàng)新性在于綜合其他分層止水方法優(yōu)點(diǎn)，利用直徑89 mm鉆桿作為導(dǎo)水、出水管，安裝于孔內(nèi)的自動(dòng)記錄儀探頭監(jiān)測(cè)上下含水層水位變化，實(shí)時(shí)傳輸抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)止水效果。

該套分層止水裝置綜合了止水塞和遇水膨脹止水的優(yōu)點(diǎn)，摒棄了充氣氣囊止水方法，使用范圍廣、深度大，特別適合于深孔分層止水抽水試驗(yàn)；裝置利用了施工鉆桿作為配重、導(dǎo)水管和出水管，方便實(shí)用；水位監(jiān)測(cè)探頭在分層抽水時(shí)實(shí)時(shí)傳輸記錄數(shù)據(jù)，能夠隨時(shí)檢查止水效果；使用效果好，加工制作成本低。