地下水監(jiān)測工程承壓-自流監(jiān)測井密封技術

馮建月，解 偉，吳海東，潘德元，王明明

（中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定071051）

0 引言

承壓水是地下水的一種埋藏形式，它是賦存于兩個隔水層之間含水層中的水。受著隔水頂板的限制，承受靜水壓力，有一個受隔水層頂板限制的承壓水面和一個高于隔水層頂板的承壓水位，當承壓水頭高于地表則產生自流。一般承壓含水層埋藏較深，受地形地貌、氣象等因素影響較小，具有流量穩(wěn)定、不易受污染、水質類型多樣等特點。因此承壓含水層的長期監(jiān)測對地下水資源的評價、開發(fā)、保護與管理具有重要意義［1-4］。

2014 年國家啟動地下水監(jiān)測工程建設項目，建立了系統(tǒng)完善的地下水監(jiān)測網絡［5］。通過實施國家級的地下水監(jiān)測，可以及時獲取地下水資源量和水質的變化數據，從而科學、合理地開發(fā)利用地下水資源，達到經濟社會可持續(xù)發(fā)展的目的［6-8］。在監(jiān)測工程實施過程中，許多地區(qū)鉆遇了承壓-自流監(jiān)測井，以云南、新疆、湖南和湖北等地居多。這些井的承壓水頭高出監(jiān)測井管口，地下水不斷向外涌出，導致不能安裝井口保護裝置，也無法下入監(jiān)測探頭進行數據監(jiān)測，只能暫時封閉井口，造成了水資源勘探的浪費并嚴重影響了全國地下水監(jiān)測工程項目整體進度和工程驗收。

自流井施工難度較大，其中不僅是鉆探和成井過程中的涌水、填礫、止水、封孔等步驟難［9-10］，作為監(jiān)測井，更面臨著井口密封、監(jiān)測探頭維護更換、季節(jié)性承壓、洗井、取樣等一系列問題［11］。為解決自流監(jiān)測井密封和長期監(jiān)測新難題，達到控制監(jiān)測井自流，實現監(jiān)測井的自動封水通氣，并滿足長期監(jiān)測、水樣采集、清孔洗井等目的。針對各地區(qū)、各標段自流監(jiān)測井口徑和材質不同、設備類型不一和季節(jié)性承壓等多種復雜情況，經過多次研究討論、設計改進和野外試驗，成功研發(fā)出適用于地下水監(jiān)測工程的承壓-自流監(jiān)測井密封技術，可有效解決承壓井在有壓向無壓轉化過程的連續(xù)監(jiān)測、冬季防凍、水樣采集和洗井清淤等問題。目前，此技術已經在山西、新疆、湖南、云南等13 個?。▍^(qū)）的50 余口國家級地下水監(jiān)測井中成功應用，推動了地下水自動化監(jiān)測行業(yè)的技術進步。

1 技術原理

承壓-自流監(jiān)測井密封技術原理見圖1。該技術主要包括臨時止水裝置與工藝、密封裝置與工藝。密封裝置由集合了多組件的金屬蓋板和下法蘭盤組成，通過臨時止水裝置將監(jiān)測井內溢出的水止住，然后將下法蘭盤連接到井口，通過螺栓、密封膠墊將金屬蓋板緊固在法蘭上，從而實現自流監(jiān)測井長期密封的目的。金屬蓋板上設有取樣閥、自動排氣閥和雙補芯堵頭等組件。監(jiān)測探頭的電纜線可穿過雙補芯堵頭的內補芯與井口外的數據讀取、發(fā)射設備連接。在承壓狀態(tài)下，自動排氣閥關閉處于密封狀態(tài)，監(jiān)測探頭記錄的是承壓水頭高度，可直接打開取樣閥門進行取樣［10］。在枯水期水位下降到井口以下時，排氣閥自動打開實現監(jiān)測井內外通氣，探頭記錄的是非承壓狀態(tài)下的水位高度，可直接將蓋板打開進行洗井或采樣等工作，也可直接卸下外補芯堵頭完成探頭更換和檢修工作。

圖1 自流監(jiān)測井密封技術示意Fig.1 Sealing technology for artesian wells

2 系統(tǒng)組成

2.1 井口密封裝置

井口密封裝置主要由密封組件、取樣閥、雙補芯堵頭和自動排氣閥等部分組成。

密封部件由金屬蓋板、下法蘭盤、螺栓和密封膠墊組成，下法蘭盤通過焊接（井管材質為鋼管）或粘接（井管材質為塑料）的方式固定于井口上，內徑應稍大于井管外徑。上下法蘭盤通過其間的密封膠墊和外圍的螺栓緊固，即可實現井口密封的作用。后續(xù)進行洗井、取樣、更換探頭等作業(yè)時可將蓋板直接打開。

取樣閥主要用于采取水樣，可在取樣閥上連接管線，方便操作，如水位在井口以下，可直接打開金屬蓋板或擰下取樣閥進行采樣工作。

雙補芯堵頭由內外2 個補芯堵頭組成（圖2），內補芯堵頭通徑稍大于監(jiān)測探頭電纜線外徑，卸下后可穿過探頭電纜線，外補芯堵頭通徑大于探頭外徑，可直接擰開進行探頭更換、維護等工作，兩者均通過絲扣與下部O 形密封圈組合實現密封功能。

圖2 雙補芯接頭示意Fig.2 Schematic diagram of the double bushing plug

自動排氣閥主要由不銹鋼閥體、浮塊、連桿、放氣口等組成，結構如圖3 所示。當井內水位高于地表時，壓力水經排氣閥底部進入閥體，浮塊在浮力作用下上浮帶動連桿將閥門頂部的針閥下拉，放氣孔處于關閉狀態(tài)?？菟谒幌陆档骄谥聲r，閥體內的水全部流出，空氣量逐步增加，氣室內的壓力加大，迫使浮塊向下運動，連桿機構則使頂部的針閥上移，此時放氣口打開，可實現保持井內外氣壓一致。針對監(jiān)測井季節(jié)性自流監(jiān)測要求，自動排氣閥可實現密封裝置在枯水期通氣，豐水期密封，保證探頭測量記錄正確的壓力參數［12］。

圖3 自動排氣閥結構原理Fig.3 Structural diagram of the automatic air-release valve

2.2 臨時止水裝置

臨時止水裝置的作用是當監(jiān)測井在自流狀態(tài)時下法蘭盤無法與井管進行焊接或粘接，需要將井內的水暫時堵住。該裝置主要由充氣裝置、氣壓表、止水氣囊、連接管線和快插接頭等部件組成，其原理是通過向止水氣囊內充氣使之膨脹在井口實現臨時止水的目的，見圖4。

圖4 臨時止水裝置示意Fig.4 Schematic diagram of the temporary water sealing device

充氣裝置一般使用打氣筒即可，需要較大充氣壓力時可使用氮氣瓶或氣泵等代替。氣壓表的作用是為了精準測量止水氣囊內腔壓力，防止因充氣壓力過大造成氣囊損壞或壓力過小不能實現穩(wěn)定止水?？觳褰宇^安裝在止水氣囊之上，當充氣壓力值到達預定標準時，可直接拔下連接管線，便于后續(xù)施工。當完成下法蘭盤的連接工作后，可用力按壓快插接頭內側釋放環(huán)放氣提出收縮后的氣囊［13］。

止水氣囊是橡膠和纖維織物等高分子合成材料經高溫硫化工藝制成的一種多規(guī)格橡膠制品，氣囊可對各種材質、規(guī)格、管徑的管道在不同平面和不同位置上快速阻斷水流，一般用于市政工程管道搶修封堵和管道灌水試漏施工。其工作原理是利用氣囊膨脹后與管道壁之間產生的摩阻力來抵抗水給氣囊的側壓力，使水被阻隔在氣囊的一端，起到有效止水的作用，具有密封性能好，施工速度快，操作簡單和可重復多次使用等優(yōu)點［14］。

3 安裝流程及方法

承壓-自流監(jiān)測井密封技術安裝流程為：施工準備→臨時止水→連接下法蘭盤→安裝金屬蓋板→密封效果檢驗。

3.1 施工準備

施工前需確定好自流監(jiān)測井的井管材質與管徑、水頭高度、是否安裝保護裝置、地理位置等關鍵信息，做好施工設計。再根據監(jiān)測井實際尺寸進行密封裝置加工，選用合適的止水膠囊，組織好人員并準備現場施工所需的工具材料和施工設備等。

3.2 臨時止水

依據監(jiān)測井水頭壓力、井徑選擇合適的止水氣囊，某廠家氣囊規(guī)格參數見表1。作業(yè)前需檢查氣囊表面是否干凈，有無附著污物，是否完好無損，充少量氣檢查裝置是否漏氣。檢查壓力表指針是否指向零位，仔細看準壓力表的單位，避免看錯。裝置經過整體的密封性檢測后，方可下入井管內進行臨時止水作業(yè)［15］。

表1 止水氣囊規(guī)格參數Table 1 Specification and parameters of the sealing air bag

其次，檢查井管內壁是否平整光滑，有無突出的毛刺等尖銳物，以免刺破氣囊。氣囊放入井管后應居中垂直擺放于平整井段，一般置于管口下方0.5～1.0 m。連接管線后緩緩為氣囊充氣，保持氣囊內壓力均勻上升。若壓力表快速上升說明充氣過快，此時應放慢充氣速度，防止因充氣過快超過最大承壓值而打爆氣囊，額定充氣壓力一般為承壓水頭壓力與膠囊自膨脹壓力（0.1～0.2 MPa）之和。當氣壓表顯示的氣囊內腔達到額定壓力后，拔下快速接頭上的充氣管線，此時膠囊處于封閉狀態(tài)（見圖5），井內的水將不再溢出。若監(jiān)測井自流水流量與壓力過大，也可使用抽水設備（潛水泵、自吸泵）將壓力水頭抽至井口以下，再進行下一步工作。

3.3 連接下法蘭盤

管內臨時止水完成后，計算好井管預留高度后進行切割，截口斷面應平整并垂直于管軸線，去掉截口處的毛刺和毛邊并磨倒角，再將下法蘭盤套在管口并保持水平，進行密封焊接工作，如圖6 所示。若井管為塑料材質，下托盤可在切割、打磨后使用溶接劑粘接在井口。熔接劑一般由高分子樹脂及其溶劑以一定比例組成，分為低、中、高三種粘度，一般管徑越大所使用的熔接劑粘度要求越高。熔接劑粘結效果主要受溫度影響，施工時需使用優(yōu)質的熔接劑且按照規(guī)范操作，所需的固化等待時間可參考表2。

圖5 管內臨時止水Fig.5 Temporary water sealing in the well tube

圖6 安裝下法蘭盤Fig.6 Installation of the lower flange

表2 熔接劑固化時間參考值Table 2 Reference value for curing time of the welding agent h

3.4 安裝金屬蓋板

待下托盤連接牢固后，通過快速接頭將止水氣囊釋壓并取出。在地表先檢查取樣閥、自動排氣閥并安裝到蓋板上。然后將探頭電纜從內補芯中穿出，依據全年最低水位值，將監(jiān)測探頭置于水位下一定深度，并在下入前檢測探頭是否可正常工作。最后將金屬蓋板對齊法蘭保持同軸，小心安裝墊片，對準固定孔，按4 個方位均勻固定螺絲至完全密閉，密封面應平整清潔，見圖7。如果水流過大，可先將取樣閥打開，釋放部分水壓再施工。完全緊固后，關閉采樣閥，完成對自流監(jiān)測井的密封工作。

圖7 安裝金屬蓋板Fig.7 Installation of the metal cover

3.5 密封效果檢驗

安裝完成后可立即進行密封效果檢查，使用千分尺、手電筒等工具檢驗金屬蓋板與法蘭間隙，若高度不一致則認為蓋板與法蘭沒有裝平。將蓋板上的水及雜物清理干凈，先觀測排氣閥、取樣閥、雙補芯堵頭、緊固螺栓底部絲扣處和側面膠墊處是否有水滲出，若2 h 內無水滲出，將觀測時長再延長至1～2 d，若有滲漏則重新進行問題組件的緊固和替換工作，若密封效果良好則開始進行井口保護裝置安裝，張貼標牌等后續(xù)成井步驟，至此完成了自流監(jiān)測井密封全部技術安裝工作。

4 應用實例

全國地下水監(jiān)測工程項目在山西忻州市共計施工3 眼? 168 mm 無縫鋼管監(jiān)測井，為叢式監(jiān)測井組。其中1 號井監(jiān)測上部潛水，水位在地表以下；2號井為季節(jié)性承壓井，上部為實管，監(jiān)測上部承壓含水層，水頭高出地表約1.08 m。3 號井為常年自流井，中上層全部下入實管，下層下入濾水管，監(jiān)測下部承壓含水層，水頭常年高出地表約5.07 m。2號、3 號井成井后，因季節(jié)性自流等原因無法找到合適成井方式進行監(jiān)測，也無法安裝井口保護裝置。2 號監(jiān)測井在井口加蓋板做焊接封閉處理，3 號監(jiān)測井直接將井管高度延長至地面以上6 m 處理。

通過各方人員組織和協(xié)作，在此地首次實施了承壓-自流監(jiān)測井密封技術試驗，用時僅6 h，采用臨時止水工藝，為2 號、3 號監(jiān)測井安裝了該密封裝置，見圖8。經過多次現場觀測和監(jiān)測數據結果（圖9），兩井密封效果良好，無滲漏、水質污染等現象，監(jiān)測探頭傳回數據準確穩(wěn)定，在枯水期和豐水期水位數據有很明顯的季節(jié)性波動特征。后續(xù)的取樣、洗井、維護及更換監(jiān)測探頭等工作便捷程度和工作效率大大提升。

圖8 試驗現場安裝井口密封裝置Fig.8 Installation of the wellhead sealing device on test site

圖9 2 號監(jiān)測井安裝井口后水位變化曲線Fig.9 Water level change cure of the No.2 monitoring well after wellhead installation

其后，該技術在新疆、湖南、云南等13 個?。▍^(qū)）的54 口承壓-自流國家地下水監(jiān)測井（包括41 口鋼管井和13 口PVC?U 管井）陸續(xù)安裝成功，通過現場技術人員反饋和長期監(jiān)測數據證實：該技術方便快捷、可靠實用，較好地解決了承壓-自流監(jiān)測井密封監(jiān)測的各項技術難題，支撐了全國地下水監(jiān)測工程項目的順利完成，推動和完善了地下水自動化監(jiān)測的技術進步，取得了良好的經濟及社會效益。

5 結論

（1）針對承壓-自流監(jiān)測井監(jiān)測面臨的各種技術難題研發(fā)的承壓-自流監(jiān)測井密封技術，具有密封效果好、不污染水質、操作便捷和成本低等優(yōu)點，確保自流監(jiān)測井地下水數據長期自動采集與傳輸。

（2）自流井密封裝置結構簡便、牢固實用，可克服承壓水壓力，有效控制自流，自動封水通氣，可平衡井筒內外氣壓。該技術有效地解決了國家地下水監(jiān)測工程承壓-自流監(jiān)測井承壓水與無壓水轉化過程的連續(xù)自動監(jiān)測問題，并滿足水文監(jiān)測、水樣采集、清孔洗井、維護探頭等設計要求，可應用于長期的自流井和季節(jié)性承壓井監(jiān)測領域。

（3）具有多個承壓含水層監(jiān)測井目前還是以叢式井方式進行處理，今后可以采用多層監(jiān)測井與密封技術相結合方式進行處理。