新型分層抽水管內(nèi)止水裝置的研制

郝國利，于建叢，李國民，姚文永，和 新

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北石家莊050081)

鉆掘設備與器具

新型分層抽水管內(nèi)止水裝置的研制

郝國利，于建叢，李國民，姚文永，和 新

(河北省地礦局國土資源勘查中心，河北石家莊050081)

為滿足分層抽水試驗止水及觀測要求，設計加工制做了一種新型管內(nèi)分層抽水止水裝置。此新型止水裝置結(jié)構(gòu)簡單，方便現(xiàn)場取材及加工制作，且止水效果可靠，克服了以往止水方法存在的缺陷，能有效地隔離上下含水層，防止上下含水層串通，從而能夠在同一井孔內(nèi)實現(xiàn)快速地管內(nèi)分層止水，保證了分層抽水試驗工作的實施。

分層止水;抽水試驗;止水裝置

0 引言

分層止水是在不同含水層或含水層組的地區(qū)進行水文地質(zhì)鉆探時，為了取得各含水層的水量、水位、水質(zhì)和水溫等水文地質(zhì)參數(shù)，須按不同含水層分別進行觀測和抽水試驗。按設計要求在隔水層位置，對水井上下含水層進行隔離止水，防止上下含水層串通的工作稱為分層止水，包括管外止水和管內(nèi)止水2部分。管外止水一般采用止水材料在止水段(隔水層)進行永久性止水;管內(nèi)止水是在井管內(nèi)設計的合理止水位置進行臨時止水，以進行同一井內(nèi)不同含水層的抽水試驗，獲取不同含水層的地質(zhì)參數(shù)。

目前國內(nèi)進行分層抽水管內(nèi)止水時，一般采用下套管、止水塞止水法和充氣氣囊止水法。前一種方法需要準備管材，成本大，下管、提管、下止水塞等繁瑣工序，間隔時間長，且易造成孔內(nèi)事故。第二種方法則需要在地面安裝一套專用的充氣設備，操作復雜，安全性差?？傊?，上述2種方法均不能很好地同時觀測上下含水層水位變化，無法準確判斷止水效果是否滿足分層抽水試驗的要求，因此需要設計出更實用、更可靠的分層止水裝置。

張家口后備水源地勘查項目部分水井需對同一井孔上下含水層組進行分層抽水試驗，以獲取不同含水層水文地質(zhì)參數(shù)，這就要求進行分層止水工作。

本文以張家口宣化XH02鉆孔(井)為例，介紹一種新型分層抽水管內(nèi)止水裝置，該裝置不僅完全能滿足分層抽水要求，還能夠同時觀測上下含水層水位，檢測止水效果，節(jié)省工作時間，更重要的是降低了工作成本。

1 工程概況

XH02鉆孔(井)位于宣化縣洋河南岸，為探采結(jié)合孔，先小徑取心，后成井，主要目的是查明地下水類型、水質(zhì)、水量及富集變化規(guī)律，為宣化縣地下飲用水水源地選擇提供依據(jù)?？紤]到XH02鉆孔(井)位于洋河岸邊，上部含水層可能遭到污染，因此對該井分上下2個含水層組進行分層抽水試驗，以便弄清上下含水層組水質(zhì)、水量情況。

1.1 地層及水文地質(zhì)情況

XH02鉆孔工作區(qū)范圍為永定河中游孔隙地下水系統(tǒng)子區(qū):柴宣盆地孔隙裂隙地下水系統(tǒng)子區(qū)。本區(qū)一般由卵石、礫石、砂等粗粒含水層夾粘性土層組成，粗粒物質(zhì)分選性較差，成松散厚層狀構(gòu)造，孔隙連通性好，利于降水入滲、地下水賦存和富集，富水性較強。本區(qū)地下水類型是松散巖類孔隙水，地下水賦存于第四系砂、礫、卵石層中，包括全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)(Qp3+h)砂、礫、卵石含水亞巖組和中—下更新統(tǒng)(Qp1+2)砂、礫石含水亞巖組，含水層總厚度在30～40 m范圍內(nèi)，含水層富水性較好，單井涌水量可達150～200 m3/h，水位埋深較淺。

XH02鉆孔(井)通過勘查取心揭露地層全部為第四系的松散沉積物，上部為薄層全新統(tǒng)(Qh)的耕植土，下部以更新統(tǒng)(Qp)的黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土及砂礫層為主。主要地層及含水層劃分為:0.0～0.7 m，耕植土;0.7～4.8 m，含礫粗砂;4.8～32.5 m，砂卵礫石(上部含水層);32.5～42.2 m，粉質(zhì)粘土(隔水層);42.2～63.6 m，砂卵石(下部主要含水層);63.6～93.2 m，含土砂礫卵石;93.2～102.0 m，含砂土。

1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)(見圖1)

圖1 XH02鉆孔(井)結(jié)構(gòu)示意圖

設計擴孔成井深度102 m，擴孔口徑600 mm，井管結(jié)構(gòu)如下。

(1)0～37.2 m:下入?377 mm井管、橋式濾水管。37～37.2 m為377/325 mm井管變徑接頭。該段為上部含水層組。

(2)37.2～102 m:下入?325 mm井管、橋式濾水管。該段為下部含水層組。

1.3 成井工藝

1.3.1 鉆井設備

選用CZ－6A型沖擊鉆機沖擊鉆進施工，開孔口徑600 mm，一徑到底。沖擊鉆頭采用“一字翼狀”沖擊鉆頭，鉆頭質(zhì)量2.5 t，長度6.5 m。

1.3.2 泥漿

采用粘土造漿護壁，泥漿密度1.15～1.2 g/ cm3，大小根據(jù)地層情況調(diào)節(jié)，達到防止坍塌和護壁的目的。

1.3.3 換漿

沖擊鉆進終孔后采用邊往孔內(nèi)加稀泥漿，邊用撈砂桶在孔內(nèi)上下活動，撈出稠泥漿和沉渣，使孔內(nèi)上下泥漿密度均勻，達到稀釋泥漿、換漿目的。換漿后泥漿密度＜1.10 g/cm3，泥漿粘度18～20 s、含砂量＜4%。

1.3.4 下管

(1)根據(jù)沖擊鉆提升能力和井管質(zhì)量，采用懸吊焊接法下管。

(2)下管前應用撈砂桶探孔，孔深應大于下管深度0.5～1 m，校正孔徑、孔深。

(3)對井管、濾水管按排管順序進行逐根丈量編號，防止濾水管錯位。下管前對井管進行仔細檢查，無殘缺、斷裂和彎曲等缺陷。

(4)第一根井管底部密封，下管時擰緊夾板螺絲，井管焊接前，在井管前后左右吊線，將井管對正接直后開始焊接，焊接牢固可靠、封閉嚴密，要求對井管接頭焊接兩遍。

(5)下管時每隔30 m焊扶正器一組，每組3個，濾水管處適當加密，使井管位于井孔中心，填礫時濾水管周圍礫料厚度均勻。

1.3.5 填礫

根據(jù)沖擊鉆設備及施工特點，填礫時邊填礫料邊往管外注水，達到?jīng)_洗礫料、稀釋泥漿，使礫料下行通暢、利于投料的目的。

(1)礫料:選取石英質(zhì)河砂，礫徑視含水層的有效粒徑而定，本井采用3～6 mm的混合礫料。礫料數(shù)量根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)、填礫高度計算確定。

(2)填礫前計算礫料方量，填礫時從井口四周均勻、緩慢填入，邊填邊測，避免產(chǎn)生“架橋”堵塞現(xiàn)象。

(3)礫料填置高度:應高出濾水管以上10 m，但不超過上層(段)含水層的底板。

(4)下管前準備好礫料，技術人員對礫料的規(guī)格、數(shù)量進行驗收檢查，是否符合設計要求，是否虧方，禁止填入不合格礫料。

1.3.6 管外分層止水

下管后，礫料填到設計高度，用粘土在止水段(隔水層)進行永久性止水。

(1)止水材料:要求止水材料必須隔水性好，無毒無污染。在四系探采結(jié)合井中一般采用粘土止水，要求粘土純度高，粘度大，使用時，先將粘土搗碎加水和勻，搓成直徑20～40 mm的粘土球，晾成半干備用，當井管下好填完礫料后用粘土球止水時，要求粘土球從管外環(huán)狀間隙均勻投入，并隨時測量填入高度，達到預定位置。

(2)止水位置:按設計要求，根據(jù)鉆孔巖心、巖屑編錄及測井資料，選擇隔水性良好的地層作為止水位置，隔水層厚度為5～10 m。

1.3.7 洗井

按規(guī)范要求，對采用泥漿鉆進的沖洪地層填礫水井，可采用空壓機、活塞、焦磷酸鈉聯(lián)合洗井方法。

(1)空壓機洗井。選擇空壓機風量為10 m3，風壓為0.7 MPa(70 m水壓)的空壓機。洗井時，對井孔濾水管段按從上到下順序逐段吹洗，反復震蕩，清洗孔內(nèi)泥漿;最后風管、出水管下到井底吹洗，清除孔底沉渣。

對濾水管段洗井時，風管下到濾水管中間，專人控制送風閥門，用最大風量對濾水管進行有效震蕩洗井，每隔1 h左右憋壓一次，至水清為止。濾水管段洗好后，將出水管下入井管底部吹洗，清除孔底沉渣。一般洗井時間為3～6個臺班，就可以達到水清、孔底沉渣吹干凈。

(2)焦磷酸鈉洗井。焦磷酸鈉洗井是將一定數(shù)量焦磷酸鈉(分子式Na2P2·H2O，堿性)投入井內(nèi)，與鉆孔中泥漿混合，與泥漿(主要成分:高嶺土、蒙脫石，呈酸性)發(fā)生反應，分解破壞泥皮，達到洗井，疏通含水層的作用。

(3)活塞洗井。對采用泥漿鉆進的水井，進行拉活塞洗井，利用抽吸和水的擠壓原理清除井內(nèi)泥漿，破壞孔壁泥皮，進一步疏通含水層，增大滲透性，穩(wěn)定礫料，使得濾水管周圍形成天然濾水層，以達到水井正常出水量。

1.4 抽水試驗

本井抽水試驗共包括3部分:混合抽水試驗、上部、下部含水層分層抽水試驗?；旌铣樗疅o需進行封層止水，但上下含水層抽水試驗，需進行嚴格地上下臨時止水裝置，用于對同一井孔中不同含水地層在井管內(nèi)進行封閉止水，防止上下含水層串通，起到隔離上下含水層作用，便于進行分層抽水試驗。

2 管內(nèi)分層止水裝置的組成結(jié)構(gòu)及使用方法

根據(jù)水井結(jié)構(gòu)特點，在總結(jié)以往分層止水裝置經(jīng)驗的基礎上，大膽創(chuàng)新，克服了以往分層抽水的缺點，設計加工了一套簡單實用的止水裝置，經(jīng)使用效果良好，滿足了分層抽水要求。

本試驗中的分層止水裝置分為2部分，分別用于對上、下含水層抽水時進行止水。

2.1 上部含水層抽水時的止水裝置

第一部分用于對上層水進行抽水試驗時止水，隔離下部含水層。

2.1.1 裝置組成

由提環(huán)(反絲接頭)、壓盤，觀測管、止水材料(海帶、膠皮、膨脹橡膠等)、止推壓盤、導向定位翼和配重桿(實際試驗時采用的是6 m長的直徑為75 mm的圓鋼)等組成。止水裝置示意圖如圖2所示。

圖2 上部含水層抽水時的止水裝置

2.1.2 使用方法

使用時，上壓盤下面分別裝2片膠皮墊(用輸送帶做成)，將海帶浸濕晾干后，編成合適大小的麻花辮狀纏繞在膠墊下面，外部用塑料包扎，最后用鐵絲擰緊。然后用鋼絲繩或鉆桿下放到止水位置(井管變徑處)，上壓盤在配重桿作用下將止水材料下壓，下部止推壓盤起到頂推作用，合為一體將止水材料壓緊，止水材料遇水膨脹，從而達到分割上下含水層、封閉止水目的。

2.2 下部含水層抽水時的止水裝置

第二部分用于對下部含水層抽水時止水，隔離上部含水層。針對下部抽水的止水裝置需將止水裝置和抽水設備結(jié)合起來，一同下入井內(nèi)，達到止水、抽水目的。

2.2.1 裝置組成

由法蘭壓盤(法蘭壓盤上設有電纜和通氣管口，并與泵管法蘭相連接)、止水材料(海帶、膠皮、膨脹橡膠帶)、止推壓盤、導向定位翼和觀測通氣管(1.2 in鍍鋅管)等組成。止水裝置示意圖如圖3所示。

圖3 下部含水層抽水時的止水裝置

2.2.2 加工使用方法

使用時，法蘭壓盤和泵管連接，下面裝2片膠皮墊(用輸送帶做成)，將海帶浸濕晾干后，編成麻花辮狀纏繞在膠墊下面，外部用塑料包扎，最后用鐵絲將其擰緊。之后下放到止水位置，同時下入通氣觀測管，法蘭壓盤在水泵及泵管重力作用下將止水材料下壓，止推壓盤起到頂推作用，也是將止水材料壓緊后，止水材料遇水膨脹，從而達到隔離上下含水層、封閉止水抽水的主要效果。

3 現(xiàn)場使用及效果

3.1 現(xiàn)場使用

此套新型裝置成功地應用于XH02水文地質(zhì)鉆孔的分層抽水試驗中，現(xiàn)場施工人員加工制作及使用過程見圖4～圖7。

圖4 制作海帶麻花辮

圖5 制作止水裝置

圖6 加工完成下入井內(nèi)

圖7 抽水試驗

3.2 使用效果

利用此新型管內(nèi)止水裝置順利完成了淺層、深層及混合抽水的分層抽水工作任務，使用效果見深層抽水某一落成試驗數(shù)據(jù)與淺層觀測孔數(shù)據(jù)對比分析圖8。

圖8 深層段抽水時降深與淺層段觀測孔降深對比圖

通過圖8可知，在歷時13 h的抽水試驗中，在設定平均涌水量達110 m3/h條件下，主孔穩(wěn)定降深2.73 m，而觀測段的最大波動只有13 mm，穩(wěn)定波動只有6 mm，整個過程幾乎沒有降深，達到了分層止水抽水的試驗目的，滿足了水文地質(zhì)技術參數(shù)的計算要求，充分證明了此新型止水裝置的實用性強、可靠性好。

4 新型止水裝置的優(yōu)點

設計制造的新型管內(nèi)止水裝置有效地解決了以往止水方法存在的問題，其創(chuàng)新性在于使用時能同時觀測上下含水層水位變化，大大降低了止水成本。XH02鉆孔(井)中的實際應用證明該套裝置簡單實用、止水效果可靠，具有如下優(yōu)點。

(1)部件采用固定連接，結(jié)構(gòu)簡單，可就地取材，易于加工。

(2)使用方便，操作簡單，可做到快速止水和回收。

(3)與其他止水方法相比成本低、省時省力(對比分析見表1)。

(4)使用時安全性能好，避免出現(xiàn)各類孔內(nèi)事故。

表1 3種止水方法的價格及加工、使用特點

(5)其技術關鍵是抽水時能夠同時觀測上下含水層水位變化，檢測止水效果。

(6)可以重復使用，易于推廣。

5 結(jié)語

為獲取同一井內(nèi)不同含水層水文地質(zhì)參數(shù)，越來越多地需要在同一井內(nèi)進行分層止水，應根據(jù)水井實際情況對分層止水裝置進行改良和創(chuàng)新。本套止水裝置雖然有很多優(yōu)點，但還有需要改進完善之處，為以后更好地開展此項工作，還需做如下改進。

(1)本裝置是設置在變徑井管內(nèi)，直接坐落在異徑接頭處，因此同徑水井進行止水時，需在設定的止水位置增設限位臺階擋圈，以保證該裝置不上下竄動，影響抽水試驗的結(jié)果。

(2)為保證止水、隔水的效果，也可采用海帶與膨脹橡膠相結(jié)合的雙層止水結(jié)構(gòu)。

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Development of a New Type of Intra-tube Sealing Device for Stratified Water Pumping

/HAO Guo-li，YU Jian-cong，LI Guo-min，YAO Wen-yong，HE Xin(Territorial Resources Exploration Center of Hebei Geo-mineral Bureau，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

A new type of intra-tube sealing device for stratified pumping was designed and manufactured in order to meet the requirements of water sealing in stratified pumping test and observation.This new sealing device has the advantages of simple structure and can be conveniently processed with on-site materials with reliable sealing effect;the shortcomings of traditional sealing method are overcome，the upper and lower aquifers can be effectively isolated to prevent the water mixing flowing of upper and lower aquifers.Thus，rapid stratified water sealing inside pumping tube in a same well can be realized，which ensures the operation of stratified pumping test.

stratified water sealing;pumping test;water sealing device

P634

A

1672－7428(2017)03－0039－05

2016－03－17;

2017－01－05

郝國利，男，漢族，1983年生，部門技術負責、主管，工程師，長期從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)施工管理工作，河北省石家莊市橋西區(qū)中山西路800號，haoguoli2003@163.com。