CMT監測井在寶雞市地下水監測中的應用

鐘耀斌

(寶雞市地下水管理監測中心，陜西 寶雞 721000)

1 CMT監測井技術概述

連續多通道一孔多層(Continuous Multi-channel Tubing, CMT)監測技術最早由加拿大學者研發，其井管材料主要為無接頭高密度聚乙烯管，成井時一般為一次性下管，可同時進行7個地下水含水層單井監測，能有效克服傳統監測井只能監測含水層組中某一層，為實現多層監測就必須借助井組的弊端，使地下水監測井數量大大減少，監測效率顯著提升[1]。國內當前所使用的CMT監測井井管及配套器具是在引進Solinst公司CMT地下水監測技術的基礎上根據國內地下水監測工藝、儀器設備及水文鉆探設備現狀而自主生產的。CMT監測井井管主要采用高密度聚乙烯材料，借助擠出機一次擠壓成型出7個通道。具體見圖1(a)。

(a)監測井井管通道 (b)分層技術原理

CMT連續多通道分層監測井技術原理具體見圖1(b)。通過隔塞在監測管內部分出7個獨立通道，標準線所在之處為1#通道，并按順時針依次標號，中間孔為7#通道，主要進行最深層地下水監測。結合施工設計和測井曲線進行監測窗口位置確定，并在相應通道增設監測窗口，外部包裹不銹鋼濾網。

2 區域概況

寶雞市位于關中西部，東接壤咸陽、西安，南鄰漢中，西、北毗連甘肅省，寶雞市東西和南北分別寬156.6km和106.6km，全市總面積18131km2，且地形地貌復雜多樣，山丘川原皆有，地形南北高亢、中間低凹，地面水平差異明顯，形成南、北、西三面環山，東面敞開的渭河平原。寶雞市地下水監測工作始于1976年，目前在全市12個區縣中，除鳳縣、太白、麟游3縣外，其余9個縣區均布設有監測井。截止2020年底，全市共布設監測井205眼，其中國家級測井、省級測井、城區測井、超采區統測井分別為81眼、77眼、27眼、20眼。監測項目主要包括水位、水溫和水質，三類監測井數量分別為81眼、95眼、29眼，分別占總井數的39.51%、46.34%、14.15%。監測控制面積達到2918km2，測井布設密度70眼/1000km2。

現狀傳統監測井主要為單孔監測某一層或井組監測多層操作，如果要進行區域內不同層位含水層監測，則必須增加測井數量，而在多層井組監測模式下，還應在不同監測層分別設置不同深度單孔井。傳統監測井止水效果較好，但是占地面積大，成井成本高，監測管理難度大。為此，寶雞市地下水管理監測中心于2021年初在渭濱區施工7眼CMT試驗監測井，共分三排布置，第一排為1眼，其余兩排均為3眼，相鄰井位之間橫縱向間距均為1.0m，并在監測井左右各1.0m處設置1眼施工注水井和1眼抽水井，布置情況具體見圖2。其中2#和5#井眼距離渭河較近，4#和7#井眼則遠離渭河。施工完成后向注水井內注入試驗用水，并通過設置在抽水井中的水泵抽水，同時進行7眼CMT監測井不同含水層水文地質情況的檢測，進行CMT監測井監測效果及適用性的分析判斷，從而為CMT監測井技術在寶雞市地下水監測中的推廣應用提供基礎資料。

圖2 7眼CMT監測井布置

3 CMT監測井成井

3.1 成井材料

寶雞市地下水監測中心CMT監測井主要采用高強、抗腐蝕且中間無接頭的高密度聚乙烯材料，借助機器將該材料擠壓出7個通道，井管長度分為30m、60m和90m三種情況，為便于運輸，高密度聚乙烯材料可盤成直徑2.5m的圓盤形狀。為與監測井通道數保持一致，其井帽也設置7個通道，中間1個為最深層監測通道，四周6個通道依次編號為1#-6#。監測井環狀間隙小，止水要求高，以不摻加任何添加劑且粒徑小、隔水性好、水化時間長、膨脹率高、對地下水質影響小、綠色環保的鈣基膨潤土或納基膨潤土為止水材料，該材料粒徑含量67.2%，自由膨脹率68.7%，滲透系數3.8×10-8cm/s，孔隙比0.587，水化時間不短于1h。通過制球機將其制成直徑15mm的橢型球[2]。

3.2 成井工藝

根據《地下水監測規范》(SL183-2005)，在監測井成井過程中，下管、分層填礫及分層止水、洗井三個環節對于成井質量最為關鍵，這一規定同樣適用于CMT監測井。

3.2.1 下管

在下管操作前必須將盤起運輸的井管拉直，結合監測目標層位實際深度，在監測管上相應位置按照10mm孔徑打孔，形成濾水管結構后將兩層不銹鋼網包裹在外部，并通過卡箍固定。下管期間，井中必將出現巨大浮力，為保證下管過程的穩定可采取以下措施：

①沖孔換漿，即通過沖孔換漿將泥漿黏度調整為20-22s，使泥漿密度控制在1.10-1.15g/cm3范圍內，在降低泥漿密度的同時降低井管浮力；②安裝重錘或設置進水孔，即將重錘安裝在井管管底，抵消部分浮力的同時起到扶正導向效果，或是在井管管底第7#監測通道和第6#監測窗口中間止水段增設進水孔，促使下管期間泥漿順利進入通道，迫使通道內氣體排出，減少對井管的浮力；③通過監測窗口排氣，即在下管操作前，先不安裝井管上其余6個監測通道止水橡膠塞，等監測窗口下放至與孔口液面相距1.0m時，再安裝止水橡膠塞，既能使密封管段中空氣及時排出，又能避免各通道間發生串層；④注水排氣，即待井管下放至較深處時，向檢測井管各通道中注水，以及時排出罐內才與空氣，降低浮力。

3.2.2 分層填礫及分層止水

此步驟是多通道多層監測井順利成井的關鍵，首先必須根據成井設計，事先測算各層礫料及止水材料回填高度，并據此測算各層止水材料及分層填礫等的理論用量，根據所得到的理論用量值，通過體積既定的容器測量后將各類材料分別填入井內。

考慮到CMT監測井井管和孔壁間的環狀間隙并不大，分層填礫及填充止水材料存在一定難度，必須加強回填速度控制，避免漏填。具體而言，礫料及止水材料均通過容量15-20L的塑料桶分裝，按照50-80L/min的速度逐桶回填。

回填期間必須定期通過測繩進行礫料及止水材料回填高度的測量，并將實際填筑量和理論用量進行比較核對，根據比對結果判斷井管是否存在超徑或縮徑，同時結合比對結果進行下一層填礫及止水材料用量的調整，保證回填高度的準確。

在填礫止水的過程中因受到止水材料水化及礫料內細小顆粒的影響，泥漿密度及年度呈增大趨勢，當泥漿密度和黏度分別超出1.3g/cm3及25s時應暫停后換漿，待泥漿性能穩定且達標后再填礫和止水材料。

3.2.3 洗井

CMT監測井井管管徑通常為22mm或31mm，故其洗井過程也與一般監測井存在差異。結合類似工程監測實踐經驗，寶雞市地下水監測試驗井主要采用自吸泵注水與空壓機噴射相結合的洗井方式。如果CMT監測井單層含水層出水量大且沉沒比高，則應通過空壓機振蕩方式洗井；如果CMT監測井單層含水層出水量小且沉沒比低，則應采用空壓機洗井+自吸泵注水的方式。無論采用哪種洗井方式，均必須加強壓力和風量控制，風量過小，則達不到理想的洗井效果；風量過大，則很容易吹出風管。

4 地下水監測結果分析

渭濱區CJ-2和CJ-4號CMT監測井監測結果具體見圖3和圖4，根據圖中監測結果可以看出，CJ-2測井距離渭河較近，地下水埋深淺，CJ-4監測井遠離渭河，地下水埋深大，且CJ-4監測井2#、3#、4#、5#和7#等不同監測通道以及CJ-2測井3#、4#、5#監測通道所代表的不同層位均表現出同樣的地下水埋深變動趨勢規律。從垂向分布趨勢看，CJ-2和CJ-4監測井各監測通道地下水監測深度變動趨勢也基本一致，表明各層間地下水動態響應并不滯后[3]。

文章重點分析CMT監測井技術在寶雞市地下水監測中應用的可行性，分析結果顯示，該監測井技術對于寶雞市地下水監測較為適用，能大大簡化傳統多層監測井成井工藝，提升止水效果，縮小占地面積和監測成本。限于篇幅，對于該監測技術下寶雞市地表水與地下水互相轉化過程、河流水位、地下水水化學等方面的分析，文章不在贅述。

圖3 CJ-4監測井監測結果

圖4 CJ-2監測井監測結果

5 結 論

綜上所述，CMT監測井在寶雞市渭濱區地下水監測中的應用十分成功，為該監測技術在寶雞市地下水監測中的推廣應用積累了經驗，工程實踐證明，CMT新型多層監測井技術成井工藝簡單，占地面積小，監測效率高，通過對CMT監測井所采集地下水樣水化學特征的分析，也能從側面體現出其分層的有效性及監測結果的準確性。