新型濾水套管技術(shù)在東寧地區(qū)水文地質(zhì)鉆探中應(yīng)用

劉建宇，黃偉，高博，王剛

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157021

0 引言

我國(guó)的水文地質(zhì)鉆井技術(shù)，對(duì)于施工相對(duì)穩(wěn)定的地層時(shí)，技術(shù)比較成熟，同時(shí)形成了相應(yīng)的施工規(guī)范和技術(shù)體系，但是常規(guī)水文地質(zhì)鉆探施工工藝不適用于含有漂石、卵礫石不穩(wěn)定第四系覆蓋層。本文依托“東北邊境琿春—東寧地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目水文地質(zhì)鉆探施工任務(wù)，緊跟水文鉆井行業(yè)的新形勢(shì)，不斷發(fā)展自己，自主創(chuàng)新，選用氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝首次配合使用新型濾水套管用于在松散第四系施工水文地質(zhì)鉆孔，開(kāi)展抽水試驗(yàn)，了解工作區(qū)含水層深度、厚度和富水情況。

1 新型濾水套管的設(shè)計(jì)

1.1 與以往工藝對(duì)比

工作區(qū)第四系結(jié)構(gòu)松散，含較豐富的地下孔隙潛水，傳統(tǒng)工藝施工此地層時(shí)，主要采取泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)、正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)，成井后下入濾水管，而后進(jìn)行填礫等。在松散地層或破碎帶地段鉆進(jìn)時(shí)，施工過(guò)程極易塌孔，時(shí)常會(huì)發(fā)生漏漿情況，易造成卡鉆、埋鉆事故。常規(guī)濾水管在第四系水文地質(zhì)鉆孔中不能完全滿足濾水需求而發(fā)生涌砂狀況，使孔隙被堵塞, 造成出水量減少，甚至淤塞井管而喪失出水能力。

為此，結(jié)合施工作業(yè)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范要求，針對(duì)以往工藝容易出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者改進(jìn)一種配合氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)的新型濾水套管。主要做了以下5個(gè)方面的改進(jìn)：一是增強(qiáng)過(guò)濾性和透水性，使出水量更均勻；二是增大孔隙率，取得更大出水量；三是優(yōu)選施工工藝配合新型濾水套管提高鉆進(jìn)一次成井能力、提高鉆進(jìn)效率，加強(qiáng)對(duì)井直徑和垂直度的控制效果，解決破碎巖層掉落的問(wèn)題；四是縮短施工周期，提高鉆進(jìn)速度，減小對(duì)環(huán)境的污染；五是增強(qiáng)井管強(qiáng)度，增加耐腐蝕性，消除涌砂影響，保證水井壽命。新型濾水套管與傳統(tǒng)濾水管相比，優(yōu)勢(shì)主要在于不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進(jìn)過(guò)程中套管護(hù)壁的要求，而且同時(shí)滿足了濾水需求，兼有套管護(hù)壁和濾水管濾水的功能。

1.2 重點(diǎn)設(shè)計(jì)工藝

這種新型濾水套管(圖1)，包括主體組件、濾水組件和加固組件，所述主體組件包括管體和接頭，骨架由開(kāi)孔的鋼管或鑄鐵管組成，主要起到跟管護(hù)壁和二次過(guò)濾作用，通過(guò)通孔和兩個(gè)過(guò)濾層的設(shè)置，配合管體使用。

圖1 濾水套管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of water filter casing structure1.花管;2.濾筒布;3.固定螺絲;4.壓條;5.尼龍繩;6.承接口;7.布孔區(qū);8.非布孔區(qū)

所述濾水組件安裝于所述主體組件的外側(cè)壁，濾水組件包括通孔和過(guò)濾層，管體的外側(cè)壁等距分布開(kāi)設(shè)有通孔，管體的外側(cè)壁設(shè)有兩層濾布，形成濾布筒過(guò)濾細(xì)粒物質(zhì)，濾布筒采用滌綸或丙綸經(jīng)機(jī)械加工，形成堅(jiān)韌的無(wú)紡布或者過(guò)濾布[1]。

加固組件安裝于所述濾水組件的外側(cè)壁，加固組件包括尼龍繩、壓條和緊固螺絲。

為適應(yīng)不同施工條件和技術(shù)要求，濾水套管設(shè)置11種口徑(表1)和3種長(zhǎng)度規(guī)格，濾水套管長(zhǎng)度分為1 m、3 m、6 m三種規(guī)格，配合相應(yīng)的鉆頭孔徑為75～455 mm。

表1 濾水套管規(guī)格表

1.3 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

(1) 適用范圍廣：改進(jìn)之后的新型濾水套管配合氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)工藝，適用于大部分第四系，尤其對(duì)卵礫石層及破碎含水層鉆進(jìn)有效，不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進(jìn)過(guò)程中套管護(hù)壁的需求，同時(shí)滿足了高效濾水需求，解決了松散第四系含水層水文井成井困難的問(wèn)題。

(2) 進(jìn)水效率高：新型濾水套管的孔隙率可達(dá)35%，較傳統(tǒng)濾水管提高了約5%，地下水可以更容易通過(guò)孔隙進(jìn)入井內(nèi)，從而獲得更大的涌水量。

(3) 施工周期短，成井速度快：可以隨潛孔錘跟管鉆進(jìn)一次成井，僅需下入少量礫料甚至不需要下入礫料，避免了下入礫料過(guò)程中堵塞的問(wèn)題，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。

(4) 使用壽命長(zhǎng)：濾水管具備足夠的強(qiáng)度，能承受施工過(guò)程中的沖擊力、剪切力，井內(nèi)側(cè)向擠壓力。還具有較高的抗腐蝕能力，不受涌砂的影響，不易阻塞，不易結(jié)垢，耐用可靠，使水文地質(zhì)鉆井擁有較長(zhǎng)使用壽命。

2 新型濾水套管施工技術(shù)要求

2.1 方法選擇與觀測(cè)要求

在施工過(guò)程中，筆者選用了成井質(zhì)量好、施工程序相對(duì)簡(jiǎn)便、鉆進(jìn)效率較高、綜合經(jīng)濟(jì)效益高的氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝配合新型濾水套管進(jìn)行施工。

在水文地質(zhì)觀測(cè)時(shí)，使用鋼尺水位計(jì)觀測(cè)水位，包括鉆孔中水位的變化(誤差≤1 cm)、孔口返水情況、水溫的異常等。記錄初見(jiàn)水位孔后24 h靜止水位，孔內(nèi)涌、漏水等情況[2]。觀測(cè)終孔水位和初見(jiàn)水位的差別判斷區(qū)分承壓水和潛水。兩者的主要區(qū)別在于當(dāng)靜止水位高于初見(jiàn)水位時(shí)，判斷為承壓水；當(dāng)靜止水位大致與初見(jiàn)水位相等時(shí)，判斷為潛水[3]。氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著鉆孔向下接近初見(jiàn)水位，孔口噴射出的巖粉會(huì)從干燥逐漸變得濕潤(rùn)，通過(guò)換算鉆桿長(zhǎng)度即可確定初見(jiàn)水位深度[3]。

2.2 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)要求

(1) 進(jìn)時(shí)：開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，以低速低壓進(jìn)行，當(dāng)鉆入地層0.1 m后，按正常轉(zhuǎn)速、鉆壓鉆進(jìn)。

(2) 供氣量：氣動(dòng)潛孔錘所需供氣量(排渣通道上的上返速度)控制在8～15 m/s，比其氣動(dòng)潛孔錘額定供氣量大20%左右。

(3) 氣壓：送氣壓力大于孔內(nèi)最大的啟動(dòng)氣壓和運(yùn)行潛孔錘工作氣壓之和[4]，控制在1.0～2.0 MPa。

(4) 鉆壓：根據(jù)鉆孔揭露地層信息，鉆壓控制在16 kN左右。

(5) 轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速在施工過(guò)程中依據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，確保鉆機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行[5]，控制在30 r/min。

2.3 施工操作技術(shù)要求

(1) 開(kāi)孔前檢查組合鉆具。螺紋連接緊密，絲扣良好，偏心鉆頭用手轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；濾水套管無(wú)變形且無(wú)裂紋。

(2) 組合鉆具進(jìn)入濾水套管內(nèi)時(shí)，應(yīng)使濾水套管與組合鉆具基本同軸，鉆頭應(yīng)完全退回，不得旋轉(zhuǎn)套管，不得使用沖擊器使鉆具強(qiáng)行通過(guò)濾水套管鞋。

(3) 開(kāi)始鉆進(jìn)前，超前鉆頭應(yīng)緊貼固定在導(dǎo)向裝置上，每個(gè)聯(lián)接處緊固牢靠。

(4) 第一根濾水套管偏斜度控制在1‰左右，不得超過(guò)2‰。

(5) 鉆進(jìn)中應(yīng)頻繁地竄動(dòng)鉆具，以便沖洗鉆屑，盡可能使濾水套管柱在孔內(nèi)松動(dòng)。

(6) 在停止鉆進(jìn)和重新開(kāi)始鉆進(jìn)前，應(yīng)徹底沖洗鉆孔。

(7) 提鉆前應(yīng)將濾水套管固定住，提出偏心鉆頭時(shí)，將鉆桿柱緩慢提升至鉆頭接觸套管鞋下側(cè)位置，然后將鉆桿柱下放10 mm，緩慢反轉(zhuǎn)鉆柱2轉(zhuǎn)，提出鉆具。

(8) 若提鉆后濾水套管下沉，在下鉆前將濾水套管上提200 mm[6]。

2.4 其他技術(shù)要求

含水層位置判斷直接影響濾水套管跟進(jìn)位置和數(shù)量，也是水文地質(zhì)鉆探工作中的重要一環(huán),在鉆探工作中應(yīng)著重關(guān)注主要的含水層,每回次鉆探深度不宜大于0.50 m，含水層位置判斷，要依據(jù)地質(zhì)人員現(xiàn)場(chǎng)跟班的記錄。方法如下：

一是通過(guò)目測(cè)法判斷，在施工不同時(shí)段鉆孔涌水量會(huì)有變化，一般進(jìn)入含水層位置會(huì)有水從孔口溢出。

二是通過(guò)匯集孔內(nèi)溢出的水量變化情況，檢驗(yàn)鉆孔穿越地層是否是含水層。

三是可以通過(guò)噴出地表的巖粉鑒定巖性判斷含水層類(lèi)型。根據(jù)鉆機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)程度及進(jìn)尺快慢判斷是否為破碎帶。在鉆進(jìn)過(guò)程中全載的情況下，鉆具由平穩(wěn)鉆進(jìn)突然上下跳動(dòng)，鉆進(jìn)中發(fā)生掉塊、坍塌、卡鉆或者鉆具突然下落，鉆機(jī)也隨著抖動(dòng)，孔口上返的巖粉含較多砂礫、卵礫石并且磨圓度和分選性好壞，可考慮該段巖層判定為含水層[3]。

四是根據(jù)工作區(qū)特有的地層地質(zhì)年代特征以及成因類(lèi)型判別含水層的位置。鉆進(jìn)中遇上濕潤(rùn)的更新統(tǒng)及全更新統(tǒng)沖積砂、砂礫石，多判定為含水層[7]。鉆進(jìn)中遇新近系上新統(tǒng)玄武巖，柱狀節(jié)理與氣孔發(fā)育，多判定為含水層。鉆進(jìn)中遇到下白堊統(tǒng)龍井組砂巖、砂礫巖，可判定為含水層。鉆進(jìn)中遇花崗巖等風(fēng)化帶，巖體結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育，裂隙面有綠色水銹，可判定為含水層[8]。

3 新型濾水套管的應(yīng)用

為了驗(yàn)證新型濾水套管的濾水和鉆進(jìn)效果，在“東北邊境琿春—東寧地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目ZK01號(hào)水文地質(zhì)鉆孔進(jìn)行了應(yīng)用示范。根據(jù)應(yīng)用地質(zhì)綜合調(diào)查中水文地質(zhì)鉆探質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和要求的特殊性，結(jié)合施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定適合應(yīng)用地質(zhì)調(diào)查水文地質(zhì)鉆探配套的設(shè)備，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，規(guī)范鉆進(jìn)操作要求。充分利用工作區(qū)已有鉆探資料，掌握工作區(qū)地層情況，了解含水層位置，為新型濾水套管的應(yīng)用提供依據(jù)[9]。

3.1 水文鉆孔基本情況

結(jié)合已有水文地質(zhì)資料，工作區(qū)內(nèi)含水巖組按其含水類(lèi)型可分為3種類(lèi)型，松散巖類(lèi)孔隙含水巖組、巖漿巖類(lèi)裂隙含水巖組和碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組。松散巖類(lèi)孔隙含水巖組，分布在較大的溝谷中，由上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)沖積砂、砂礫石組成，顆粒大致從漫灘至階地由粗變細(xì)，含水層變薄，賦存孔隙潛水，富水性隨含水層厚度不同而變化，單井涌水量一般100～1 000 t/d；巖漿巖類(lèi)裂隙含水巖組，分布在北部和南部低山區(qū)，主要由花崗巖、玄武巖等組成，地下水賦存于風(fēng)化裂隙中，風(fēng)化帶厚度隨地貌、巖性而異，含水層厚度30 m左右；碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組，主要分布在中部綏芬河河谷地帶，由砂巖、砂礫巖組成，其中賦存裂隙孔隙水，具承壓性質(zhì)，推算涌水量100～500 t/d(1)劉萬(wàn)輝, 鄭廣橋, 李龍, 等. 黑龍江省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查報(bào)告[R] .哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)資料檔案館，2014.。

3.2 設(shè)備的選擇與配套

施工地區(qū)選擇在地勢(shì)平坦，第四系覆蓋的區(qū)域，且孔深在50 m以內(nèi)，因此采用型號(hào)與鉆進(jìn)深度相匹配的履帶型鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，以提升施工效率[10]。選用徐工160型履帶式氣動(dòng)潛孔錘鉆機(jī)(表2)，該鉆機(jī)配有動(dòng)力頭鉆機(jī)，可張開(kāi)和回縮的氣動(dòng)潛孔錘偏心鉆頭，可以進(jìn)行同步跟管作業(yè)的搓管機(jī)構(gòu)，滿足鉆進(jìn)深度和鉆孔孔徑能力的空壓機(jī)。

表2 水文地質(zhì)鉆機(jī)配套裝備表

設(shè)計(jì)鉆孔應(yīng)考慮抽水試驗(yàn)要求，抽水試驗(yàn)應(yīng)滿足下入不小于200 mm口徑的新型濾水管，并確保濾水套管外有足夠的空隙。通過(guò)估算涌水量確定潛水泵型號(hào)，按照含水層位置和隔水層厚度，確定止水位置。施工時(shí)同步跟進(jìn)新型濾水套管，采用黏土、木塞、海帶綜合止水，管壁不投礫料或者根據(jù)實(shí)際情況投入少量二氧化硅粒料。當(dāng)水文井進(jìn)完成后，依據(jù)揭露的地層結(jié)構(gòu)、水位等情況，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算含水層滲透系數(shù)和單井最大出水量等[11]。

3.3 抽水試驗(yàn)驗(yàn)證

以水文地質(zhì)鉆孔ZK01為例，抽水試驗(yàn)孔孔徑φ220 mm，成孔深度30.5 m(圖2、圖3)，垂直揭露的地層主要為第四系含水層，估測(cè)涌水量較大，故本次試驗(yàn)采用單孔潛水完整孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)時(shí)及結(jié)束后對(duì)水位進(jìn)行觀測(cè)，繪制了相關(guān)曲線并計(jì)算了有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。

圖2 ZK01鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of ZK01

圖3 ZK01鉆孔施工照片F(xiàn)ig.3 Borehole construction photo of ZK01

本次抽水試驗(yàn)按《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范 GB50027-2016》《1∶50 000 應(yīng)用地質(zhì)綜合調(diào)查測(cè)量作業(yè)規(guī)程》《1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查規(guī)范》相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。

根據(jù)抽水階段數(shù)據(jù)繪制降深S和時(shí)間t數(shù)據(jù)曲線(圖4)，從曲線可以看出抽水穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)390 min，水文孔水位波動(dòng)值未超過(guò)3.0 cm，根據(jù)抽水試驗(yàn)技術(shù)要求及其他技術(shù)要求參數(shù)從工程實(shí)用觀點(diǎn)出發(fā)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用比較成熟的穩(wěn)定流理論，因此，本次抽水試驗(yàn)按穩(wěn)定流問(wèn)題處理。

圖4 ZK01單井穩(wěn)定流水抽水試驗(yàn)水位降深S-t曲線Fig.4 Water level drawdown S-t curve of ZK01 single well steady flow pumping test

根據(jù)抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)階段數(shù)據(jù)繪制降深S和時(shí)間t數(shù)據(jù)曲線(圖5)，從曲線可以看出抽水穩(wěn)定時(shí)間持續(xù)80 min，可視為水位已恢復(fù)穩(wěn)定。

圖5 SQZKS04單井穩(wěn)定流水抽水試驗(yàn)水位恢復(fù)S-t曲線Fig.5 Water level recovery S-t curve of SQZKSD04 single well steady flow pumping test

本次抽水試驗(yàn)揭露了整個(gè)第四系松散巖類(lèi)孔隙潛水含水層，并進(jìn)行了止水處理。因此本次抽水試驗(yàn)鉆孔為完整孔，可以應(yīng)用潛水完整孔裘布依公式，庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式求滲透系數(shù)K、影響因子R和導(dǎo)水系數(shù)T，公式如下：

(1)

(2)

T=K×H

(3)

式中：K——滲透系數(shù)(m/d)；

T——導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；

R——影響半徑(m)；

Q——單井涌水量(m3/d)；

H——潛水含水層厚度或潛水水頭高度(m)；

rω——抽水井的井半徑(m)；

Sω——抽水井的水位降深(m)。

通過(guò)上述公式的計(jì)算，可以得出滲透系數(shù)等基本水文地質(zhì)參數(shù)(表3),不同降深不同水泵型號(hào)不同安裝位置出水量不同，所以在不影響周邊已有水井取水和不破壞地下水的現(xiàn)狀前提下，確定允許降深，從而確定出水量、水泵型號(hào)及安裝位置。

表3 水文鉆孔單孔裘布依公式計(jì)算結(jié)果表

3.4 計(jì)算結(jié)果及評(píng)述

采用單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)法，利用裘布依公式計(jì)算得到滲透系數(shù)K=2.194 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T=47.30 m2/d，影響半徑R=18.57 m。

含水巖組富水性是根據(jù)鉆孔單位涌水量進(jìn)行劃分。換算成以抽水鉆孔口徑為91 mm，抽水降深10 m時(shí)的涌水量。本次抽水只有一次抽水降深，采用下列公式計(jì)算降深10 m時(shí)的涌水量[2](表4)。

表4 ZK01鉆孔涌水量換算結(jié)果表

(4)

式中：Q10——換算成10 m降深時(shí)的鉆孔涌水量(m3/d)；

Q0——鉆孔實(shí)際涌水量(m3/d)；

S——鉆孔實(shí)際抽水降深(m)；

S10——換算10 m降深(m)；

H——潛水含水層厚度(m)。

鉆孔口徑變換后的涌水量計(jì)算公式，采用下列經(jīng)驗(yàn)公式：

(5)

式中：n=0.73+0.27d0/d0=1.353;

d10——換算10 m降深時(shí)的鉆孔口徑(m);

d0——實(shí)際抽水孔口徑(m);

Q富——換算成鉆孔口徑91 mm降深10 m時(shí)的涌水量。

通過(guò)口徑換算公式計(jì)算得到Q富為298.28 m3/d，大于100 m3/d，小于500 m3/d，因此將該處第四系松散巖類(lèi)孔隙水含水層的富水性定性為中等。

本次試驗(yàn)采用單井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)法對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算[13]，抽水試驗(yàn)水位流量變化符合水位穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，用裘布依公式和庫(kù)薩金經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了滲透系數(shù)和影響半徑，與該地區(qū)的水文地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)基本一致，計(jì)算結(jié)果可靠，驗(yàn)證了新型濾水套管的合理性實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

新型濾水套管技術(shù)配合氣動(dòng)潛孔錘施工工藝，適用于大部分第四系，對(duì)卵礫石層及破碎含水層鉆進(jìn)極為有效，顯著提高水文地質(zhì)井的成井效率。新型濾水套管不僅滿足了潛孔錘跟管鉆進(jìn)過(guò)程中套管護(hù)壁的需求而且同時(shí)滿足了高效濾水需求，可以隨潛孔錘跟管鉆進(jìn)一次成井，施工周期短、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了松散第四系含水層水文井成井困難的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證得出新型濾水套管進(jìn)水效率高，出水均勻，強(qiáng)度大，只需下入少量礫料或者不需要下入礫料，具有廣泛的應(yīng)用前景。