自流井群溢泛區(qū)的治理施工工藝研究

汪 棟

(山西省地質(zhì)勘查局217地質(zhì)隊(duì)，山西大同 037008)

0 引言

位于太原市清徐縣平泉的自流井群，單井自流量高達(dá)22000 t/d，水頭高9 m，由于在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其石炭紀(jì)水質(zhì)的腐蝕作用認(rèn)識(shí)不足，所以止水套管材質(zhì)及采用的止水方法等均未作嚴(yán)格要求，故在水井使用多年后，井管被腐蝕爛壞，奧陶紀(jì)巖溶水大量補(bǔ)給石炭紀(jì)及第四紀(jì)地層，待石炭系和第四系飽和后即四處溢泛，造成了沼澤鹽堿化的嚴(yán)重后果，本文根據(jù)治理的施工效果，介紹了一套綜合治理這些自流井群的鉆探施工工藝。

1 治理區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)背景

所治理的自流井區(qū)位于山西省太原市清徐縣平泉村，屬晉中新生代斷陷盆地北段西北邊緣。盆地西陡東緩。井群處于晉祠—交城邊山大斷層上，該斷層在清徐縣境內(nèi)全長(zhǎng)15.5 km，走向80°，過(guò)平泉向東呈弧形轉(zhuǎn)為50°向北延伸，斷裂帶寬100余米。這一邊山斷裂帶對(duì)隱伏巖溶水的富集和運(yùn)移起著決定性的控制作用。

該區(qū)上石炭統(tǒng)富水性較不均勻，在邊山斷裂帶附近埋深較淺(20 m～40 m)，有由層間巖溶水補(bǔ)給的泉水自洪積層中溢出，如平泉、西梁泉等地原有流量5 L/s～20 L/s的泉水流出，兩村因此得名。

山前斷裂帶附近富水性較強(qiáng)，可能與奧陶系高水頭巖溶水的越流補(bǔ)給有關(guān)。水質(zhì)由于巖層破碎程度較高，承壓水與煤層中的裂隙水混合，硫化氫含量較高，礦化度1.7 g/L～2 g/L，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg型水。

1.2 治理工程的提出及意義

多年來(lái)，地勘隊(duì)伍在清徐縣西邊山地區(qū)進(jìn)行水文地質(zhì)勘探，先后在該區(qū)施工水井?dāng)?shù)眼，由于當(dāng)時(shí)對(duì)該區(qū)水質(zhì)的腐蝕作用認(rèn)識(shí)不足，開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)井管的材質(zhì)和止水工作未作嚴(yán)格要求，故在使用多年后，因石炭系水中硫化物含量較高，將井管蝕透，同時(shí)，止水工藝也不過(guò)關(guān)，時(shí)間一長(zhǎng)，止水管便被石炭系水蝕壞，加之該區(qū)受斷裂帶的影響，裂隙比較發(fā)育，使奧陶系水源大量補(bǔ)給石炭系，待第四紀(jì)和石炭紀(jì)地層飽和后隨四處溢泛，這樣，不僅使大量的奧陶紀(jì)水資源得不到利用，而且對(duì)地下水資源造成人為的污染，使得平泉以東廣大農(nóng)田鹽堿化，導(dǎo)致了邊山一帶多處小煤窯無(wú)法繼續(xù)開(kāi)采(因大水漫灌，無(wú)法排走)。同時(shí)，還嚴(yán)重影響全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)區(qū)晉祠泉水的流量，使由原來(lái)1.7 m3/s～1.8 m3/s降至現(xiàn)在的 0.1 m3/s～0.2 m3/s，很多名泉干枯了。

2 治理施工

首先治理自流井群中難度最大，最特殊的是6號(hào)井，該井治理好了，其他井孔都可較順利而有效的得到治理。

2.1 平泉6號(hào)井簡(jiǎn)介

該井原孔深為156.52 m，揭穿奧陶系29.81 m，0 m ～23 m 為第四紀(jì)地層。下入直徑325 mm的螺管23.41 m，以下孔段則為裸眼，直徑220 mm。該井在O2S地層以上有巖溶裂隙發(fā)育的石炭紀(jì)地層4層，總厚度32 m左右(含斷裂帶)，該井打成后自流量達(dá)22000 t/d?，F(xiàn)該井井管已被腐爛，基臺(tái)基本都已塌完。經(jīng)測(cè)量為一南北約13 m，東西約8 m長(zhǎng)的沼澤水坑，邊沿部分深2 m～3 m，中間最深部位約8 m，井口已被垮塌的井臺(tái)水泥石塊等雜物覆蓋，而且涌出的水時(shí)混時(shí)清，周圍民房已有裂隙，要在此基礎(chǔ)上建井臺(tái)和尋找原井位都是十分困難的。

2.2 井臺(tái)的建筑及安裝

2.2.1 地基的處理

填石料和砂袋:使用離心式排水泵將坑內(nèi)的水排出一部分，邊排水的同時(shí)將石料和砂袋混合投在離井位以2.5 m為半徑的四周，共用去石料約40 m3，草砂袋50袋。為防止石料及砂袋向井口位置塌落，沿井四周用50 mm鉆桿作為豎樁打了10根，最長(zhǎng)(最深)的約為20 m，最短(最淺)的有4 m，這樣，用石料和砂袋將井口四周砌平后就可安放基臺(tái)木進(jìn)行打基樁建井臺(tái)了。

打基樁:在砌好的地基上架上基臺(tái)木，將沼澤區(qū)內(nèi)塌下去的水泥、石塊等硬雜物用抓斗打撈上一些，在基臺(tái)上安裝三角架及小絞車，用沖擊吊錘將8根146 mm的套管作為基樁分別打入沼澤區(qū)內(nèi)至基巖面，基樁間距為2 m，呈六角形，樁與樁之間用20b型號(hào)規(guī)格的工字梁和20號(hào)槽鋼以及50 mm鉆桿聯(lián)接，平拉及斜拉成整體。為避免結(jié)構(gòu)架整體的晃動(dòng)，在其四周用8根(一邊2根)168 mm套管頂穩(wěn)。

2.2.2 鉆探設(shè)備的安裝

在所建好的結(jié)構(gòu)架整體上，用20 mm×20 mm的基臺(tái)木和臺(tái)板搭平，固定牢固后即可安裝施工設(shè)備。鉆塔為SG23型塔，這種塔天車位移方式，還可建二層平臺(tái)，便于施工。鉆機(jī)開(kāi)始選用了比較輕便的XU-1000型，可前后移動(dòng)，且自帶有小型高速柴油機(jī)。后又換為易于操作的SPJ-300型鉆機(jī)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，配有160 kW的發(fā)電機(jī)組。

2.3 施工中井臺(tái)的加固

在鉆進(jìn)掃孔過(guò)程中，由于原孔被疏通，自流量顯著增大，使得原殘留的部分井臺(tái)又塌了下去，造成井架基礎(chǔ)強(qiáng)度和穩(wěn)定性減弱，故又將地基鐵梁加長(zhǎng)至牢固的地面上，同時(shí)將地梁與鉆塔交叉焊接起來(lái)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體的剛性和穩(wěn)定性。

2.4 掃孔技術(shù)

反循環(huán)鉆進(jìn)沉箱法掃孔:在初步確定好的原井位置下入1500 mm的護(hù)孔管8 m(坐穩(wěn))。開(kāi)始掃孔時(shí)采用了1020 mm的組合式泵吸反循環(huán)牙輪鉆頭，但由于護(hù)孔管直徑較大，掃孔時(shí)達(dá)不到鉆頭與井管同步下沉的目的，故后又下入一套1150 mm的套管，這樣，很順利地鉆進(jìn)下沉至22 m處，估計(jì)已達(dá)到了基巖面。

引導(dǎo)法鉆進(jìn)掃孔:根據(jù)分析可知，原孔內(nèi)充填物的強(qiáng)度不會(huì)高于基巖孔壁，因此，引導(dǎo)法鉆進(jìn)掃孔采用了比原孔直徑小2級(jí)～3級(jí)的加重鉆具，加大泵量，輕壓慢轉(zhuǎn)上下反復(fù)提動(dòng)鉆具，掃孔至26 m處下入426 mm套管。繼續(xù)掃孔至約40 m時(shí)，井內(nèi)幾乎不自流了，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)護(hù)孔管底部漏砂將井堵死，故又下入273 mm套管29.78，然后又繼續(xù)掃孔，在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)273 mm套管自動(dòng)下跑到36 m處。當(dāng)掃孔至孔深60 m時(shí)，自流量突然顯著增大，水頭高達(dá)9 m，鉆具自動(dòng)下跑至90 m以下再無(wú)阻力，證明已經(jīng)找到原孔。

2.5 止水工藝及封孔

止水器的選用:所選用的止水器具為壓縮膠球止水器，這種止水器具的優(yōu)點(diǎn)是能克服自流井的壓力而準(zhǔn)確地下到止水位置，并且可以根據(jù)需要，待灌注完水泥漿后，止水器易取出再重復(fù)使用，使用這種止水器曾成功地解決了許多高壓自流井的止水問(wèn)題。

該止水器下端由三四個(gè)高約250 mm的耐磨性好，彈力強(qiáng)的膠球組成，其結(jié)構(gòu)為:在膠球上下兩端各有一個(gè)壓力盤(pán)，下壓盤(pán)固定在止水導(dǎo)桿上，上壓盤(pán)置于膠球串之上，為使其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，在該盤(pán)與鎖母之間裝置一壓力軸承，鎖母上開(kāi)有兩個(gè)槽以便緊固，止水導(dǎo)桿上部有正扣并與正絲鉆桿(56 mm繩索取心鉆桿)聯(lián)至井口，在鉆桿外下入89 mm反絲鉆桿作為加壓扭緊外管，止水時(shí)，先將止水器下到止水位置，用自由鉗將鉆桿背好，再旋轉(zhuǎn)扭緊外管，使其撥桿進(jìn)入鎖母槽內(nèi)，待上下壓盤(pán)壓縮膠球傅使其橫向變形緊貼孔壁后，反出扭緊外管及鉆桿(在止水導(dǎo)桿與鉆桿聯(lián)接處有一易反裝置)，即可進(jìn)行下一步的工作。

第一套止水器的下入及效果:止水器下到預(yù)定位置(石炭系與奧陶系的交界面133 m以下134 m處)后扭緊加壓完畢，提升鉆具和向下都不移動(dòng)，則證明止水膠球已夾緊孔壁。按照常規(guī)，此時(shí)鉆孔自流水應(yīng)被堵住，但實(shí)際鉆孔仍有部分自流水涌出，約有原自流量的1/2。因此，松開(kāi)止水器連續(xù)在幾個(gè)上下位置進(jìn)行了封堵，效果仍然如前。提出止水器檢查其性能也無(wú)故障。經(jīng)分析認(rèn)為，在此鉆孔中，雖然奧陶紀(jì)水被堵死，但石炭紀(jì)裂隙發(fā)育好，有斷層，仍有較大的自流涌水量。當(dāng)向孔內(nèi)投入包有鋼粒的袋子及一些水泥石塊等物時(shí)，雖有部分落入井底，但大多數(shù)仍懸浮在涌水口(有壓力)，因此，繼續(xù)投石料及灌水泥漿是不行的。

第二套止水器的下入及效果:為增加止水封堵效果，在孔深122 m處較完整的砂巖段下入了第二套止水器(3個(gè)膠球)，但井的自流量仍無(wú)明顯的減少，認(rèn)為孔深122 m～134 m段是不含水的完整砂巖組，若前一個(gè)止水器效果有問(wèn)題，則第二套止水器下入后井自流量應(yīng)有明顯的變化。因此，可進(jìn)一步說(shuō)明，石炭紀(jì)地層的涌水量也是很大的，經(jīng)測(cè)其涌水量約有3000 m3/d。

2.6 對(duì)奧陶系以上地層的灌漿封孔

該井石炭紀(jì)地層的涌水量是很大的，而且有一定的水頭高度。因此，采用了加高井管灌注水泥砂漿的辦法對(duì)此孔段進(jìn)行了處理，加高井管高出地表約9 m，達(dá)鉆塔二層平臺(tái)，操作的關(guān)鍵是要掌握好水泥砂漿的水灰比和砂石的用量，以及需進(jìn)行分段灌注以確保灌注質(zhì)量。

該井灌漿所用水泥為525號(hào)的硫鋁酸鹽超早強(qiáng)水泥，選用的水泥水灰比為0.4～0.5，共分4次灌入，總用量約20 t(平均每次5 t)，用砂量約2.8 m3，灌漿結(jié)束后待其凝固，割去加高管，井管內(nèi)無(wú)水涌出，經(jīng)檢測(cè)達(dá)到了止水要求。

3 井孔治理的質(zhì)量檢查

1)采取不同的封堵施工方案處理舊井，必須在原井孔中進(jìn)行，不能偏離原孔。

2)要求掃除或取出舊井全部井管，為防止上部松散層塌孔，可在松散層至基巖頂面上護(hù)孔管后，方可進(jìn)行臨時(shí)止水。

3)要求止水層位在奧陶系峰峰組頂面，先采取臨時(shí)止水措施(如膠球止水)，阻止奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶水涌出。

4)臨時(shí)止水要作效果檢查。以孔口不自流和孔內(nèi)水位明顯下降視為止水效果較好。為驗(yàn)證井底奧陶紀(jì)灰?guī)r水頂板越流情況，應(yīng)用擴(kuò)散或井下流速儀(按孔徑選擇)作一次測(cè)井，當(dāng)擴(kuò)散速度緩慢或井底流速微弱，不會(huì)影響注入水泥的效果時(shí)，方可認(rèn)為止水合格，否則應(yīng)重新進(jìn)行止水。

5)臨時(shí)止水合格后，向孔內(nèi)灌注水泥作永久性止水。為此:a.使用防酸水泥，如硫鋁酸水泥等，水泥標(biāo)號(hào)應(yīng)為425號(hào)以上，水灰比1∶0.4為宜，并加入擴(kuò)散劑等;b.注漿應(yīng)從孔底向上返，直至孔口;c.留水泥樣品，待凝固后測(cè)定其樣品強(qiáng)度;d.封孔深度由奧陶系峰峰組頂面至孔口全部封死;e.永久性灌注水泥漿止水后，要用1500型淺震儀作探傷檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)空洞，應(yīng)打鉆補(bǔ)漿。

6)永久性止水效果檢驗(yàn)。a.止水前孔隙水水位、水溫、水化學(xué)類型與止水后比較應(yīng)有明顯差別，但應(yīng)和附近的孔隙水位、水溫趨于一致。如此則認(rèn)為上段止水合格，否則屬不合格應(yīng)重新止水;b.止水后與止水前比較，石炭系地下水位、水溫、水質(zhì)和自流水量，有較明顯的變化，則認(rèn)為止水合格，否則不合格;c.特殊情況下，采取各種手段、確系無(wú)法達(dá)到峰頂面以上止水時(shí)，也必須封在基巖面以下，確保巖溶水不和第四系水串通;d.封堵舊孔竣工后，平泉1985年前打的淺井應(yīng)不冒水。

4 結(jié)語(yǔ)

太原平泉自流井群溢泛區(qū)的施工治理是一項(xiàng)興利除弊、造福子孫后代的百年大計(jì)，其治理施工是有相當(dāng)難度的。文中所述平泉6號(hào)井的施工治理，雖然在止水成功后已表明，晉祠泉水水量有明顯增加，但其施工工藝畢竟是“一孔之見(jiàn)”，在具體施工中必須還有很多技術(shù)難題有待研究解決。