水文地質孔分層抽水裝置的研制

和新，郝國利，張慶宙，張萬河，程林，李晉銳，解少朋

(河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050081)

0 引言

隨著對地下水的深入研究，在水文地質勘查活動中，鉆孔(井)分層抽水試驗已成為常用的技術方法，通過分層抽水試驗取得鉆孔(井)各含水層段的水量、水位、水質和水溫等水文地質參數，可以更加準確地評價地下水資源。抽水試驗質量直接影響著對勘查區水文地質條件的認識和水文地質計算成果的精確程度。為實現分層抽水試驗目的，需按設計要求利用止水裝置對不同含水層段進行隔離止水，目前國內一般采用下套管、止水塞(膠塞、膨脹橡膠、海帶)及氣囊封隔器等止水方法。上述方法分別存在著操作不便、止水效果不易檢測、成本高、適用鉆孔(井)范圍小等問題?；谶@一背景，我們從地質項目需求出發，結合施工設備、鉆具，從經濟適用、便于操作等方面對現有分層止水設備進行了改進優化，針對兩種典型鉆孔(井)結構，研制了一套分層抽水試驗裝置，經過實際使用，取得了滿意效果。

1 分層抽水裝置構成

本次研制的裝置包括泵室管、止水橡膠塞、伸縮式止水橡膠塞、皮碗止水器、止水座環及輔助配件等。上述止水裝置與水下自動監測水位計、數據線、電腦、潛水泵等產品配合使用，構成分層抽水試驗裝置。

1.1 泵室管

1.1.1 泵室管結構

泵室管由直徑194×8 mm無縫管、法蘭盤、直徑89 mm鉆桿短節等構成。圖1為泵室管結構圖。

1.直徑89 mm鉆桿公接頭；2.法蘭盤；3.連接螺栓；4.連接盤；5.直徑194 mm無縫管；6.連接底盤；7.直徑89 mm鉆桿母接頭圖1 泵室管示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump room pipe

1.1.2 泵室管作用

分層抽水試驗時，潛水泵與法蘭盤連接安裝在管內下入井孔內，通過鉆桿短節與皮碗止水器和出水管連接，達到分層抽水試驗目的。無縫管體開100 mm×20 mm(長×寬)的條縫，做為含水層進水通道。

1.1.3 泵室管規格尺寸(表1)

表1 泵室管規格尺寸表Table 1 Specification and dimension of pump room pipe

1.2 止水皮碗

皮碗由耐磨、耐老化、韌性好的丁氰橡膠做成，安裝于皮碗止水器桿體上，與井管內壁過盈配合止水。

1.3 橡膠套

橡膠套由耐磨、彈性好的丁氰橡膠制成，套裝在皮碗止水器止水材料(海帶、快速膨脹橡膠等)外部固定，下井后止水材料遇水膨脹迫使橡膠套外圓上設置的圓環條與鉆孔(井)內壁貼緊，實現止水密封。

地下水通過設置在橡膠套上的孔眼進入止水材料，使止水材料遇水膨脹，尺寸可根據鉆孔結構、井管內徑設定。止水橡膠套剖面圖如圖2所示，技術參數如表2所示。

圖2 橡膠套剖面圖Fig.2 Profile of rubber sleeve

1.4 皮碗止水器

皮碗止水器是一種鉆孔(井)內遇水膨脹止水材料和過盈止水皮碗共同作用的聯合止水器。

1.4.1 皮碗止水器結構

皮碗止水器分為兩種，即過電纜止水器和不過電纜止水器，由直徑127 mm中心管、上下接頭、皮碗、止水圓盤、過纜內埋管、止水材料、橡膠套等組成。如圖3、圖4所示。

圖3 皮碗止水器Fig.3 Rubber bowl water stop

圖4 過電纜皮碗止水器Fig.4 Rubber bowl water stop through cable

1.4.2 皮碗止水器止水原理

皮碗止水器與鉆桿、水泵連接后下入井內預定深度位置后，依靠止水皮碗和套管內壁的過盈配合來密封井管與中心管環空，同時在皮碗下部中心管體上設置止水圓盤，兩圓盤中間纏繞止水材料(海帶、快速膨脹橡膠等)，外部用橡膠套固定，用下圓盤鎖緊，下井遇水2～4 h后材料膨脹與井孔內壁貼緊，與皮碗達到雙重止水目的。止水圓盤、皮碗可根據不同鉆孔(井)直徑更換。

1.4.3 皮碗止水器技術參數(表3)

表3 皮碗止水器技術參數表Table 3 Technical parameters of rubber bowl water stop

1.4.4 解封

完成分層抽水試驗后，直接將抽水試驗鉆桿柱提出即可。

1.5 止水座環

由無縫短管、管內座環組成，成井下管時與井管連接在最下部濾水管底端或頂端，起到支撐橡膠止水塞、鉆桿柱的作用。座環管體為219 mm×8 mm無縫管，長度600 mm，內座環厚度80 mm，內徑140 mm。

1.6 止水橡膠塞

1.6.1 止水橡膠塞結構

止水橡膠塞由89 mm鉆桿、上下壓盤、空心橡膠塞等組成，如圖5所示。

1.直徑89 mm鉆桿短節；2.橡膠塞擋盤；3.空心橡膠塞；4.中間盤；5.緊固螺母圖5 止水橡膠塞Fig.5 Rubber plug water stop

1.6.2 止水橡膠塞作用

分層抽水時，止水橡膠塞下放到井內止水座環位置后，在鉆桿自重壓力作用下，橡膠塞橫向膨脹變形，與井管內壁緊密結合，隔離上下含水層。

1.6.3 止水橡膠塞技術參數(表4)

表4 止水橡膠塞參數表Table 4 Technical parameters of rubber plug water stop

1.7 伸縮式219 mm止水橡膠塞

1.7.1 伸縮式止水橡膠塞結構

由89 mm鉆桿、伸縮滑套、伸縮桿、127 mm濾水管短接、上下壓盤、橡膠塞等組成。分為花管式和白管式兩種?；ü苁缴炜s式止水橡膠塞如圖6所示。

1.直徑89 mm短鉆桿；2.滑套；3.絲堵；4.直徑127 mm無縫管；5.直徑127 mm花管；6.直徑89 mm鉆桿母接頭；7.推力盤；8.空心橡膠塞；9.中間盤；10.加強肋骨圖6 伸縮式止水橡膠塞(花管式)Fig.6 Telescopic rubber plug water stop

1.7.2 伸縮式止水橡膠塞作用

伸縮式止水橡膠塞下放到位后，在鉆桿柱自重壓力作用下，伸縮桿進入滑套，伸縮滑套頂住止水壓盤，橡膠塞橫向膨脹變形，與井管內壁緊密結合，隔離上下含水層。

1.7.3 伸縮式止水橡膠塞技術參數(表5)

表5 伸縮式219 mm止水橡膠塞參數表Table 5 Technical parameters of telescopic rubber plug water stop

1.8 地下水水位、水溫自動記錄儀

1.8.1 地下水位水溫自動記錄儀作用

分層抽水時安裝在目的層和相鄰含水層止水裝置上，持續測量地下水水位和溫度等參數，通過數據線傳輸到地面電腦，實時監測、記錄和顯示抽水目的層水位降深和水溫變化，并監測分層止水效果。

1.8.2 地下水位水溫自動記錄儀技術參數

地下水位和溫度自動記錄儀，型號為M30、100、200三種，最大測量深度范圍水位以下200 m，監測精度0.05%/0.05℃，工作溫度-20～+80℃，采樣頻率0.125 s/次～99 h/次，直徑22 mm，長度159 mm，質量129 g。性能參數如表6所示。

表6 水位、水溫自動記錄儀型號性能參數表Table 6 Model and performance of automatic recorder of groundwater level and temperature

1.8.3 使用方法

分層抽水試驗時，在抽水目的層和相鄰含水層止水裝置上分別安裝自動監測傳感器，持續測量試驗段的水位壓力和溫度等參數，通過數據線傳輸到地面電腦，可實時監測、記錄和顯示抽水目的層水位降深和水溫變化，并監測分層止水效果。

2 典型水文地質鉆孔結構及止水方法

本次工作針對性地研制了兩種分層止水抽水裝置。其他水井結構的分層止水可以通過更換不同規格的橡膠塞和橡膠傘，改變止水裝置組合方式完成。

2.1 第一種鉆孔(井)結構

2.1.1 水井結構

深度小于200 m，井管直徑325(273)×7 mm鋼管，一徑到底。圖7為典型水井結構示意圖。

圖7 典型鉆孔(井)結構示意圖Fig.7 Diagram of typical borehole structure

2.1.2 安裝使用方法

按照設計下入分層抽水止水裝置，對分層抽水試驗目的層上下用皮碗止水器止水封隔，水泵安裝在泵室管內，用鉆桿和泵室管連接進行抽水試驗，同時使用自動水位計監測目的層和其他含水層水位變化，檢驗止水效果。圖8為下部含水層分層抽水裝置安裝示意圖。

圖8 下部含水層分層抽水裝置安裝示意圖Fig.8 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

下入井孔前，確定抽水目的層位置，準確計算止水裝置下入深度。地面安裝檢查皮碗止水器、泵室管、水泵、電纜接頭是否可靠。

依據抽水目的層段所處位置下井次序分別為：①中間含水層分層抽水裝置結構，皮碗止水器+89 mm 鉆桿+泵室管(內安裝水泵)+89 mm鉆桿+上部過電纜皮碗止水器+電纜、傳輸線+抽水鉆桿；②下部含水層分層抽水裝置結構，泵室管(內安裝水泵)+89 mm鉆桿+上部過電纜皮碗止水器+電纜、傳輸線+抽水鉆桿；③上部含水層分層抽水裝置結構，皮碗止水器+89 mm鉆桿+泵室管(內安裝水泵)+電纜、傳輸線+抽水鉆桿。

連接電纜、數據線，安裝地面彎頭、抽水試驗測量儀器、啟動柜。開泵進行抽水試驗，檢查水泵出水、數據傳送是否正常，止水效果是否可靠。抽水試驗結束后，提出井孔內分層抽水裝置，按照同樣方法，依次進行下一層抽水試驗。

2.2 第二種鉆孔(井)結構

2.2.1 井身結構

第四系兩級井管變徑成井。

一級井身結構：0～120 m，鉆孔口徑550 mm，井管規格325 mm×7 mm白管，通常為下泵段不設濾水管。

二級井身結構：120～450 m,鉆孔口徑450 mm，井管規格219 mm×6 mm鋼管，對應含水層安裝濾水管。圖9為典型水井結構示意圖。

圖9 典型水井結構示意圖Fig.9 Diagram of typical water well structure

2.2.2 分層抽水安裝使用方法

按照設計下入分層抽水止水裝置，對分層抽水試驗目的層采用止水橡膠塞、伸縮式止水橡膠塞止水封隔，同時使用自動水位計監測目的層和其他含水層水位變化，檢驗止水效果。圖10為下層含水層分層抽水裝置安裝示意圖。

圖10 下層含水層分層抽水裝置安裝示意圖Fig.10 Installation diagram of stratified pumping device in lower aquifer

安裝井管時將止水座環焊接在下部抽水目的層底板或頂部隔水層位置。

根據止水座環深度、靜水位和抽水目的層需要，準確計算止水裝置各部分長度，按順序依次下入止水裝置，用鉆桿送入。①下層含水層抽水，止水橡膠塞+導水管(鉆桿)+伸縮式膠塞止水器(白管式，上層止水)+出水導管(鉆桿)→預定位置倒扣→提出鉆桿→下泵段安裝水泵；②中間含水層抽水，止水橡膠塞(底口封閉)+鉆桿+伸縮式膠塞止水器(花管式)+出水導管(鉆桿)+伸縮式膠塞止水器(白管式，上層止水)→預定位置倒扣→提出鉆桿→安裝水泵；③上層含水層抽水，止水橡膠塞(底口封閉)+鉆桿+伸縮式膠塞止水器(白管式，封閉最上層底部，同時安裝水位監測探頭)+導水管(鉆桿)→預定位置倒扣→提出鉆桿→安裝水泵。

到達設計位置后，鉆桿倒扣，將上部鉆桿提出，止水裝置留在井內。

止水膠塞在鉆桿重量作用下，膠塞橫向變形，與井管內壁壓緊實現封隔止水。

抽水試驗時目的層承壓水由鉆桿導出，進入325 mm井管下泵段內，下泵、下測線或探頭觀測水位，同時自動水位監測探頭檢測相鄰含水層組水位變化情況。

抽水試驗結束后，提出水泵，用直徑89 mm鉆桿對扣提出止水裝置。按照同樣方法，依次進行下一層分層抽水。

3 鉆孔(井)施工技術

3.1 分層

進行分層抽水的鉆孔(井)，應先進行全孔取心鉆進，依據地質巖心編錄、測井資料及目的任務劃分含水層、確定分層位置。

3.2 鉆孔口徑

第四系填礫水井應盡量加大鉆孔口徑，鉆孔直徑≥井管直徑230 mm以上為宜，鉆孔圓滑無臺階、狗腿等現象，便于管外準確分層填礫止水。

3.3 孔斜控制和孔深測量

鉆進過程中，通過優化鉆具結構、鉆進技術參數、加扶正器等措施，嚴格控制孔斜率(<1°/100 m)。用鋼卷尺逐根丈量井內鉆具，準確計算孔深及各抽水目的層位置，孔深誤差≤1%。

3.4 沖孔換漿

終孔后下管前，按照要求進行沖孔換漿，清除沉淀，換漿時間根據孔深確定，一般不少于2個循環周期，泥漿密度<1.08 g/cm3。

3.5 井管安裝

井管送達井場后，逐根測量檢查，對彎曲、變形的井管及時更換或處理；用通規對井管逐根通徑，刮除井管內壁毛刺、雜物，確定排管順序并編號，確保濾水管安裝位置對應含水層；采用絲扣或焊接井管時，管口對正焊接牢固，無砂眼、內臺階現象；每30 m在井管上安裝扶正器，保證井管位于鉆孔中心；下管過程中，隨時觀察孔內及管內液面高度，及時向管內加注清水，避免管內外壓差過大。

3.6 填礫與止水

3.6.1 填礫

根據設備及施工特點，可采用靜水或動水法填礫，通過沖洗礫料、稀釋泥漿，達到礫料下行通暢、利于投料的目的。

填礫有以下要求：①礫料材質規格選取質地堅硬、密度大、渾圓度好的石英質礫石，礫徑視含水層的有效粒徑確定，一般為含水層有效粒徑的6～8倍；②礫料應干凈，含泥量或雜質較多的礫料，過篩水洗后方可使用；③礫料位置在自濾水管底端以下≥1 m 處至濾水管頂端以上≥6 m處；④填礫時從井口四周均勻填入，及時檢測礫料面高度，避免產生“架橋”堵塞現象。

3.6.2 管外分層止水

管外止水材料包括黏土球、水泥漿等永久性止水材料和托盤、海帶、膨脹橡膠等臨時性止水材料，一般選用黏土球止水。

黏土球止水時采用雜質少、黏度大、膨脹率好的優質黏土制作，直徑20～40 mm，晾曬至半干為宜。填入前計算黏土球方量，填入高度根據井深、濾水管段大小及隔水層厚度確定，應高出礫料面6 m。

4 使用效果

4.1 案例1

在京津冀1∶5水文地質、環境地質調查項目中，對8眼深度360～430 m第四系水井進行分層抽水試驗，使用該套止水裝置抽取第Ⅳ含水層組地下水時，水位自動記錄儀實時監測，第Ⅲ含水層組水位基本穩定，上下浮動在允許范圍內，說明止水效果良好，數據可靠，達到了預期目的。

4.2 案例2

在海河南水文地質鉆探、張家口后備水源地勘查等項目中，對5眼深度200 m以內的水井進行分層抽水試驗，使用該套止水裝置止水效果良好，數據可靠。

5 結語

研制的分層抽水裝置有效地解決了分層抽水試驗問題，其創新性在于綜合其他分層止水方法優點，利用直徑89 mm鉆桿作為導水、出水管，安裝于孔內的自動記錄儀探頭監測上下含水層水位變化，實時傳輸抽水試驗數據，檢驗止水效果。

該套分層止水裝置綜合了止水塞和遇水膨脹止水的優點，摒棄了充氣氣囊止水方法，使用范圍廣、深度大，特別適合于深孔分層止水抽水試驗；裝置利用了施工鉆桿作為配重、導水管和出水管，方便實用；水位監測探頭在分層抽水時實時傳輸記錄數據，能夠隨時檢查止水效果；使用效果好，加工制作成本低。