淺層地下水監(jiān)測(cè)井快速成井工藝試驗(yàn)

潘德元， 賀前平， 王 杰， 蔡 雋， 方國(guó)慶， 楊 濤

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心， 長(zhǎng)沙 410600)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)化的發(fā)展，人類(lèi)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)地下水的影響程度和影響范圍不斷加大，地下水水質(zhì)日益惡化，面臨的污染風(fēng)險(xiǎn)逐漸加劇，資源與環(huán)境形勢(shì)的矛盾日趨嚴(yán)峻[1-2]。因此通過(guò)建設(shè)地下水監(jiān)測(cè)井開(kāi)展地下水水質(zhì)、水位等各項(xiàng)參數(shù)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確地掌握目標(biāo)區(qū)域地下水特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水受影響程度、變化趨勢(shì)及其采取科學(xué)治理措施的評(píng)價(jià)效果是十分必要的[3-4]。

在中國(guó)2015年啟動(dòng)的國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程中共布設(shè)了20 401個(gè)地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，由自然資源部負(fù)責(zé)建設(shè)的地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為10 103個(gè)，其中施工的監(jiān)測(cè)井為7 197眼，鉆探進(jìn)尺達(dá)到68. 4萬(wàn)m[5]，地下水監(jiān)測(cè)井在工程中起到了重要作用。同時(shí)，中國(guó)近年來(lái)發(fā)布了一批相關(guān)的技術(shù)規(guī)范[6-10]，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)井部署原則、鉆探方法、成井工藝、井徑與井管大小、濾料及礫料厚度等均提出了相應(yīng)的要求。

在地下水監(jiān)測(cè)井建井過(guò)程中，鉆探工藝及成井工藝是其質(zhì)量控制的關(guān)鍵和重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者結(jié)合國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程重點(diǎn)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)井鉆探關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，從施工組織管理、鉆孔結(jié)構(gòu)、管材選擇等方面進(jìn)行了論述[1-3,11]，為提高鉆探質(zhì)量和效率提供了參考。但是在成井工藝方面，研究主要集中在礫料和止水材料的選擇方面[12]，依然采用傳統(tǒng)方式方法進(jìn)行填礫止水，整體工序較煩瑣，為保障質(zhì)量時(shí)常需采用返水填礫、抽水填礫、導(dǎo)管填礫等方法，并需勤測(cè)填入厚度，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。

在此提出一種淺層地下水監(jiān)測(cè)井的快速成井工藝技術(shù)，對(duì)成井過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析和試驗(yàn)，以期為其提供啟示與借鑒。

1 常規(guī)監(jiān)測(cè)井成井工藝要點(diǎn)及分析

目前常規(guī)地下水監(jiān)測(cè)井成井過(guò)程中，在完成鉆探工作、井管下到位后，需要在井管與井眼之間的環(huán)狀間隙中分層填入礫料和止水材料進(jìn)行成井作業(yè)，依據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)程規(guī)范要求，成井工作存在以下特點(diǎn)。

1.1 井徑及井管要求

地下水監(jiān)測(cè)井其目的重點(diǎn)是獲取地下水水文參數(shù)、采集地下水水樣，對(duì)地下水出水量要求不高，因此規(guī)范要求的井管直徑比開(kāi)采井小，并且隨著地下水監(jiān)測(cè)儀器和取樣設(shè)備技術(shù)小型化發(fā)展，地下水監(jiān)測(cè)井井管直徑要求也越來(lái)越小型化。在規(guī)范DZ/T 0270—2014第5.2.2條中要求井管外徑設(shè)計(jì)不小于φ146 mm[8]；在規(guī)范DZ/T 0310—2017第5.3.2條中要求地下水巢式監(jiān)測(cè)井根據(jù)監(jiān)測(cè)需求合理選擇，井管外徑范圍為φ50～150 mm[7]；在規(guī)范HJ 164—2020第 5.1.1.4 e)條中已經(jīng)要求井管的內(nèi)徑要求不小于φ50 mm，以能夠滿(mǎn)足洗井和取水要求的口徑為準(zhǔn)[6]；在集束式監(jiān)測(cè)井試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)管外徑取φ32 mm[13]；地下水連續(xù)多通道監(jiān)測(cè)井中井管的通徑一般不大于32 mm[14]。

井管與井壁之間需要填入礫料和止水材料，為確保填入工序的順利實(shí)施，在規(guī)范DZ/T 0270—2014第8.3.2條要求松散孔壁與管壁之間的環(huán)狀間隙不小于100 mm[8]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，監(jiān)測(cè)井的井徑一般需要比井管外徑大200～300 mm，如采用內(nèi)徑φ50 mm，壁厚5 mm的井管成井時(shí)，鉆探的井眼尺寸應(yīng)在φ260 mm以上。由于環(huán)狀間隙大，井管在入井時(shí)需要每隔一段距離安裝簡(jiǎn)易扶正器，確保井管在井眼中居中，保障填礫止水效果。

雖然隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展，對(duì)井管直徑的要求不斷減小均能滿(mǎn)足地下水監(jiān)測(cè)要求，但是為保障成井質(zhì)量，鉆探施工的井徑、鉆探設(shè)備要求等基本保持不變。因此，環(huán)空間隙的大小是影響鉆探施工口徑的重要因素。

1.2 止水材料及填入工藝

由于膨潤(rùn)土具有強(qiáng)吸水性、高膨脹性和極低的滲透性，因此在地下水監(jiān)測(cè)井成井過(guò)程中，對(duì)于設(shè)計(jì)封隔的止水井段一般采用由膨潤(rùn)土壓制而成的顆粒狀黏土球從井口倒入填充該井段，等其水化膨脹后完全填充環(huán)空間隙，阻隔上下含水層的水力聯(lián)系，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)目的含水層提供支撐。

黏土球填入時(shí)應(yīng)在井管四周均勻緩慢填入環(huán)空內(nèi)，如圖1所示，不得從單一方位投入，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量投入的黏土球體積，計(jì)量填入3～5 m井段后應(yīng)采用測(cè)繩探測(cè)黏土球下層的深度。

圖1 井口填入黏土球

1.3 目的含水層礫料厚度

目的含水層填礫的主要目的是在濾水管與井壁之間形成人工過(guò)濾層，增大濾水管四周的孔隙率和透水性,減小進(jìn)水時(shí)的水頭損失,以增加單井出水量；同時(shí)起擋砂作用，以防止含水層中的細(xì)小砂粒涌進(jìn)濾水管內(nèi),延長(zhǎng)水井的使用壽命。

在GB 50296—2014第5.4.4條文說(shuō)明指出，室內(nèi)試驗(yàn)表明礫料厚度達(dá)到25 mm以上即可有效地實(shí)現(xiàn)擋砂，在實(shí)際施工中考慮多種因素需要設(shè)計(jì)加大礫料厚度，但是結(jié)合地下水監(jiān)測(cè)井的主要目的，礫料厚度實(shí)現(xiàn)擋砂即可。

1.4 常規(guī)監(jiān)測(cè)井成井工藝缺點(diǎn)分析

根據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)井鉆探施工及成井工藝分析，當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)井建井時(shí)主要有以下缺點(diǎn)：

1)鉆探施工井徑大。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展，對(duì)于監(jiān)測(cè)井井管直徑需求逐漸減小，但是受到成井工藝限制，成井要求井徑較大，施工時(shí)一般采用小口徑進(jìn)行全孔取心，然后大口徑擴(kuò)孔作業(yè)，增加了鉆進(jìn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高了施工成本。

2)成井工藝復(fù)雜。礫料和止水材料填入程序煩瑣，風(fēng)險(xiǎn)較高，易發(fā)生復(fù)雜情況，礫料和止水材料填入厚度難以精確掌握。

2 優(yōu)化成井工藝及快速成井工序設(shè)計(jì)

在滿(mǎn)足地下水監(jiān)測(cè)井目的的前提下，針對(duì)上述成井中的問(wèn)題，提出通過(guò)提前預(yù)制濾水管體和止水管體替代填入礫料和止水材料的流程，可實(shí)現(xiàn)小口徑鉆探，縮減成井時(shí)間，降低成井風(fēng)險(xiǎn)，提高地下水監(jiān)測(cè)井成井質(zhì)量和成井效率。

2.1 優(yōu)化止水段成井

目前水文地質(zhì)行業(yè)中常用的顆粒狀黏土球主要通過(guò)滾壓法進(jìn)行生產(chǎn)，即采用兩個(gè)有印模的滾輪把一定含水率的膨潤(rùn)土粉末壓制成的杏核狀顆粒，不同規(guī)格型號(hào)的印模制備的黏土球顆粒粒徑不同，一般粒徑越小加工成本越高。如圖2所示，粒徑15 mm的黏土球主要應(yīng)用在一些高質(zhì)量要求的示范井及試驗(yàn)場(chǎng)地中，市場(chǎng)上常見(jiàn)的主要是30 mm和50 mm的黏土球，均具有良好的止水效果[13]。

圖2 不同粒徑的黏土球

在止水作業(yè)時(shí)，受到鉆井液的影響，黏土球顆粒是一個(gè)在浮力作用下的堆積過(guò)程，同時(shí)球體顆粒之間由于表面水化會(huì)產(chǎn)生一定吸附力，所以井眼的環(huán)空間隙需要滿(mǎn)足黏土球顆粒的沉降，以防止顆粒在沉降過(guò)程中發(fā)生抱團(tuán)、黏附或阻卡現(xiàn)象。黏土球顆粒粒徑越大，間隙需要越大，一般應(yīng)是顆粒粒徑的2～3倍以上。

因此，為了解決黏土球止水過(guò)程中的困難，減少黏土球填充的工序，準(zhǔn)確地控制井眼中止水段位置和厚度，減小成井所需的井眼直徑，對(duì)止水工藝進(jìn)行了創(chuàng)新。

采用鈉膨潤(rùn)土作為材料，噴灑一定的水分后放入模具中壓制成管狀，尺寸參數(shù)與井管相匹配，可直接套在井壁管外側(cè)，如圖3所示；也可與井管一起放入模具中擠壓，形成一體式。膨潤(rùn)土的厚度與過(guò)濾層厚度一致，應(yīng)不小于25 mm，井壁與止水管材之間的空隙應(yīng)不大于黏土球自然沉降產(chǎn)生的顆粒間的總的空隙。

圖3 膨潤(rùn)土制止水管材

2.2 優(yōu)化目的含水層填礫工藝

中國(guó)在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始對(duì)貼礫濾水管開(kāi)展了研究，具有較成熟的理論基礎(chǔ)，在水文水井成井和修復(fù)中得到了一定應(yīng)用[15]。由于貼礫濾水管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(圖4)，主要是應(yīng)用于全孔下入貼礫濾水管的井眼中，對(duì)于設(shè)計(jì)填礫止水的水文井，為保障填入止水材料順利到位，井眼直徑一般遠(yuǎn)大于貼礫濾水管外徑，環(huán)空間隙過(guò)大，使用貼礫濾水管后依然需要填入礫料穩(wěn)定井壁，支撐止水材料，因此性?xún)r(jià)比和適用性不強(qiáng)。

圖4 貼礫濾水管剖面圖

對(duì)于淺層地下水監(jiān)測(cè)井，在配合應(yīng)用止水管材進(jìn)行止水時(shí)，是直接應(yīng)用貼礫濾水管替代填礫，依據(jù)GB 50296—2014第5.4.4條文說(shuō)明，貼礫層厚度不小于25 mm，貼礫粒徑匹配含水層粒徑級(jí)配，必要時(shí)可采用不同粒徑的礫料形成多層(兩層)貼礫層作為反濾層，提高滲透系數(shù)。

由于止水管材與貼礫濾水管的外徑一致，因此井眼直徑可以大幅度減小，根據(jù)淺部地層(深度≤50 m)施工經(jīng)驗(yàn)及常用巖心鉆探管徑級(jí)配，井眼直徑需大于管材外徑10～20 mm。

2.3 淺層地下水監(jiān)測(cè)井快速成井工藝

1)采用鉆機(jī)完成鉆探作業(yè)，通過(guò)取心編錄或結(jié)合物探測(cè)井準(zhǔn)確劃分鉆孔鉆遇的含水層和隔水層。

2)根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測(cè)目的確定目標(biāo)含水層及止水段，將貼礫濾水管和止水管材按照監(jiān)測(cè)目的要求排列好入井順序。

3)對(duì)鉆孔內(nèi)漿液進(jìn)行沖孔換漿，下管前對(duì)鉆孔進(jìn)行通孔，保障鉆孔暢通無(wú)阻。

4)校正下入井管深度、貼礫濾水管和止水管材長(zhǎng)度及安裝位置，按照排列順序下入井中，貼礫濾水管位置須對(duì)應(yīng)目標(biāo)含水層，止水管材對(duì)應(yīng)隔水層和非目標(biāo)含水層，井管之間采用絲扣方式連接。

5)洗井作業(yè)，破除含水層段井壁泥皮，也可采用管內(nèi)分層裝備針對(duì)單獨(dú)含水層進(jìn)行分層洗井。

6)孔口位置封孔，安裝井口保護(hù)裝置，開(kāi)展地下水監(jiān)測(cè)作業(yè)。

3 止水效果分析

3.1 黏土球堆積空隙分析

膨潤(rùn)土制的黏土球防滲性能與蒙脫石礦物成分密切相關(guān)，蒙脫石吸水發(fā)生層間膨脹，形成滲透系數(shù)很小的材料[16]，從而有效地達(dá)到止水效果。由于膨潤(rùn)土的特性，在水文地質(zhì)行業(yè)中成井時(shí)黏土球填入厚度達(dá)到規(guī)范要求后，基本都能實(shí)現(xiàn)所需的止水效果，因此對(duì)其的研究不夠深入，相關(guān)規(guī)范中對(duì)于黏土球粒徑、顆粒密度、堆積密度等各項(xiàng)性能指標(biāo)均未做詳細(xì)要求，而在核廢料回填處置工程中對(duì)黏土顆粒的性質(zhì)進(jìn)行了深入研究[17-18]，因此結(jié)合其研究方法對(duì)黏土球進(jìn)行初步分析。

膨潤(rùn)土礦物成分及黏土球制作工藝影響，不同蒙脫石含量的膨潤(rùn)土制作黏土球所需的含水量不同，滾壓過(guò)程中作用功也對(duì)黏土球的密實(shí)度產(chǎn)生影響，不同粒徑的黏土球密實(shí)度也不相同?；诖耍x用市面上易采購(gòu)的圖1中3種粒徑黏土球進(jìn)行初步分析，膨潤(rùn)土比重取2.7 g/cm3，自然含水率取10%，制作黏土球增加的水量取膨潤(rùn)土質(zhì)量的5%～8%。

黏土球顆粒密度與堆積密度測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。堆積密實(shí)度為無(wú)量綱參數(shù)，為黏土球顆粒的實(shí)際體積與黏土球的堆積體積之比，此處堆積密實(shí)度取在大空間下的松散堆積密實(shí)度，但是在井眼環(huán)空填入時(shí)，環(huán)空間隙與黏土球直徑遠(yuǎn)小于忽略器壁效應(yīng)的比值，黏土球會(huì)產(chǎn)生土拱效應(yīng)[19]，實(shí)際堆積密實(shí)度小于表中數(shù)值。因此，在井眼環(huán)空填入黏土球體積一般不大于環(huán)空容積的60%。

表1 不同粒徑黏土球堆積參數(shù)

3.2 止水管材參數(shù)分析

根據(jù)表1可知，采用預(yù)制的止水管材進(jìn)行止水時(shí)，止水管材的體積大于井管與井壁之間容積的60%，止水效果可達(dá)到采用黏土球時(shí)的效果。

取止水管材厚度25 mm，一側(cè)的環(huán)狀間隙取10 mm，容積比見(jiàn)表2，均大于0.6，止水效果可達(dá)到黏土球的效果。根據(jù)黏土球水化效果，體積越大所需的水化時(shí)間越長(zhǎng)，因此采用止水管材時(shí)應(yīng)給出充分的水化時(shí)間。

表2 不同管徑的容積比

3.3 快速成井工藝保障措施

為保障貼礫管與止水管能夠順利下到預(yù)定地層段，需要求井眼穩(wěn)定，管串入井阻力小，因此鉆探施工時(shí)間不宜，井深不宜過(guò)大，裸眼段長(zhǎng)度宜控制在50 m以?xún)?nèi)。

對(duì)于淺部地層大井眼施工時(shí)，受地層巖性影響，黏土層段易產(chǎn)生縮徑，松散地層段易井徑擴(kuò)大，且井徑擴(kuò)大或縮小的數(shù)值一般與施工井徑正相關(guān)，甚至大于止水管材的厚度，從而對(duì)成井質(zhì)量產(chǎn)生影響。為確?？焖俪删に嚨馁|(zhì)量，井徑宜控制在φ150 mm以?xún)?nèi)，最大不宜超過(guò)φ200 mm。

根據(jù)表1、表2數(shù)據(jù)，為確保止水效果和管串入井順利，需合理控制環(huán)空間隙，宜控制井徑大于管材外徑10～20 mm。

4 結(jié)論與建議

1)針對(duì)地下水監(jiān)測(cè)井的主要目的與特點(diǎn)，對(duì)其成井工藝中關(guān)鍵的填礫與止水工序進(jìn)行優(yōu)化，貼礫濾水管具有較成熟的工藝，市場(chǎng)上的陶土廠家具備生產(chǎn)止水管材的技術(shù)，因此該項(xiàng)工藝從技術(shù)上具有良好的可行性。

2)運(yùn)用該項(xiàng)工藝可有效地減小水井鉆探口徑，降低成本，提高鉆探效率，減少環(huán)境影響，適用于多種小口徑鉆機(jī)。

3)濾水管無(wú)須纏絲包網(wǎng)，省略填入礫料和止水材料的工藝流程，提高成井效率和成井質(zhì)量；結(jié)合巖心及測(cè)井資料可準(zhǔn)確地對(duì)含水層和隔水層下入貼礫濾水管和止水管，對(duì)地下水監(jiān)測(cè)更加精細(xì)化和準(zhǔn)確化，為今后監(jiān)測(cè)井的發(fā)展提供新的思路和研究方向。

4)對(duì)快速成井宜采用的井深、井徑、環(huán)空間隙進(jìn)行了分析，止水管材能夠達(dá)到黏土球的止水效果，不足之處是尚處于試驗(yàn)階段，對(duì)于有效控制的井徑和深度尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。